熱輸入對(duì)E40鋼雙絲埋弧焊焊縫組織及性能的影響

婁宇航，肖紅軍，田志凌，彭增華

(1.鋼鐵研究總院，北京100081;2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650093)

隨著造船行業(yè)向大型船舶發(fā)展，對(duì)鋼材的強(qiáng)韌性及可焊性提出了越來越高的要求，為減少制造成本，提高厚板焊接效率，大熱輸入焊接用高強(qiáng)鋼以及相關(guān)配套焊接材料的開發(fā)和研究具有重要意義.國外，特別是日本對(duì)大熱輸入用鋼的發(fā)展最為迅速［1］.從上世紀(jì)60年代末開始各國學(xué)者先后通過 KST 處理技術(shù)［2］、JFE EWEL 技術(shù)［3］、HTUFF技術(shù)［4］推動(dòng)了大熱輸入用鋼的發(fā)展.目前我國主要船舶用鋼為E36，其在大熱輸入焊接時(shí)，焊接熱影響區(qū)和焊縫低溫韌性顯著降低.孫占等［5］對(duì)40 mmEH40鋼進(jìn)行多層多道埋弧，焊接材料H10Mn2+SJ101，熱輸入為60 kJ/cm，焊接接頭強(qiáng)韌性達(dá)到中國船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn).雖然我國大熱輸入鋼得到發(fā)展，但很多機(jī)理問題尚未澄清，特別是相應(yīng)焊接材料的研發(fā)落后于鋼的發(fā)展.

本文針對(duì)我國某鋼廠采用氧化物冶金技術(shù)［6］研制的大熱輸入用鋼E40，開發(fā)了匹配的埋弧焊實(shí)心焊絲和焊劑.通過對(duì)E40鋼進(jìn)行熱輸入分別為60、122、158 kJ/cm的雙絲埋弧焊焊接，并對(duì)焊接接頭組織和性能進(jìn)行分析，為大熱輸入用鋼和相應(yīng)的焊接技術(shù)的發(fā)展提供了試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

選用某鋼廠生產(chǎn)研制的大熱輸入用鋼E40鋼板，試驗(yàn)鋼板:尺寸650 mm×190 mm×40 mm，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2.焊接設(shè)備為Dimension 1250雙絲雙弧自動(dòng)焊機(jī)，焊絲為最新研制的大熱輸入用鋼焊絲G55，焊劑為堿性燒結(jié)焊劑 GM55，堿度 2.9.采用 60、122、158 kJ/cm 三種不同熱輸入進(jìn)行施焊.焊接工藝參數(shù)見表3.表4為不同熱輸入焊縫金屬化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 E40鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 E40鋼的力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 焊縫金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2649—89分別對(duì)焊接接頭進(jìn)行取樣，并按GB 2651—89進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、按GB 2650—89進(jìn)行沖擊試驗(yàn).在焊接接頭取樣制備金相試樣，試樣經(jīng)砂紙研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)3%的硝酸酒精腐蝕.利用LeicaMEF-4M光學(xué)顯微鏡，日立S-4300型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察分析顯微組織.利用HV-5型維氏硬度儀測定硬度.利用H-800透射電鏡研究微觀精細(xì)結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果及分析

2.1 熱輸入對(duì)焊縫組織的影響

圖1給出了不同熱輸入條件下末道焊縫金屬組織.焊縫組織主要由沿原奧氏體晶界分布的先共析鐵素體和大量晶內(nèi)分布的針狀鐵素體組成.圖1(a)、(b)、(c)分別為不同熱輸入低倍金相組織.通過金相分析軟件測量熱輸入為60、122和158 kJ/cm的焊縫柱狀晶平均寬度分別為450、700、850 μm;最寬處分別為 680、950 和 1 250 μm.隨著焊接熱輸入的增加柱狀晶寬度增加.由于大熱輸入焊接，冷卻速度小，使得焊縫柱狀晶生長緩慢，其寬度方向溫度梯度小容易長大，所以得到比較大尺寸的柱狀晶［7］.隨著連續(xù)冷卻過程的進(jìn)行，一次柱狀晶發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，焊縫中原奧氏體晶界析出連續(xù)的先共析鐵素體，而晶內(nèi)組織以細(xì)小針狀鐵素體為主.針狀鐵素體組織能細(xì)化晶粒，同時(shí)板條間為大角度晶界，板條內(nèi)的微裂紋解理跨越晶內(nèi)鐵素體時(shí)需要很高的能量才能擴(kuò)展，因此表現(xiàn)出高的強(qiáng)度和韌性.隨著熱輸入的增加，末道焊縫中針狀鐵素體的含量變化不大.圖2(a)、(b)、(c)分別為不同熱輸入焊縫中掃描電鏡下顯微針狀鐵素體組織.針狀鐵素體形核方式主要有兩種，一種是幾個(gè)針狀鐵素體以球形夾雜物為中心向外伸展，在圖中分別都用箭頭1表示出其相應(yīng)的形核位置;一種是在先形成的針狀鐵素體晶界上形成新的針狀鐵素體，稱為“感生形核”［8］.在圖中分別都用箭頭2表示出其相應(yīng)的形核位置.隨著熱輸入的增加，針狀鐵素體板條寬度增加，但是鐵素體板條寬度在1～3 μm變化.

圖1 不同熱輸入下低倍焊縫組織

圖2 不同熱輸入下焊縫針狀鐵素體

2.2 熱輸入對(duì)焊縫夾雜物的影響

大量細(xì)小均勻分布的夾雜物有利于針狀鐵素體的形核和長大［9］.焊縫中夾雜物的化學(xué)成分、形態(tài)和分布直接影響著針狀鐵素體的分布和形態(tài)［10］.通過對(duì)金相試樣進(jìn)行磨拋可觀察到焊縫中分布著大量夾雜物.通過面掃描和能譜分析對(duì)焊縫中夾雜物進(jìn)行分析.分析結(jié)果表明:焊縫中主要存在兩類夾雜物，如圖3所示.一類為Si、Mn、Ti、Al、Ca和Mg等的復(fù)合氧化物，如圖3(a)所示;一類為硫化錳覆蓋型夾雜物，如圖3(b)所示.Ti、Al、Si、Ca、Mg 的氧化物熔點(diǎn)較高，先從液態(tài)金屬中析出成為形核質(zhì)點(diǎn)，Mn的氧化物和硫化物依附于先析出的高熔點(diǎn)氧化物形核、長大［11］.

圖3 焊縫中兩類典型夾雜物

利用金相顯微鏡選擇相同大小的視場對(duì)焊縫中夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.表5為夾雜物分布、數(shù)量和大小結(jié)果.圖4給出不同熱輸入焊縫夾雜物尺寸和對(duì)應(yīng)尺寸所占比例，由圖4可知不同熱輸入焊縫夾雜物尺寸主要分布在0.2～1.2 μm，夾雜物尺寸小于3 μm.由表5可知:隨著熱輸入的增加，焊縫中夾雜物數(shù)量、面密度減小，平均尺寸增加.這主要是因?yàn)?隨著大熱輸入增加，熔池金屬高溫停留時(shí)間延長，冷卻速度減小，過冷度減小，元素向高溫更穩(wěn)定的析出氧化物擴(kuò)散聚集從而出現(xiàn)夾雜物數(shù)量減少尺寸增加現(xiàn)象.但熱輸入由122 kJ/cm增加到158 kJ/cm時(shí)，焊縫中夾雜物數(shù)量減少的變化程度較小.這主要是因?yàn)?隨著熱輸入繼續(xù)增加，熔池金屬高溫下停留時(shí)間進(jìn)一步延長，由于高熔點(diǎn)的氧化物形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量受金屬合金元素濃度控制，所以，隨著熱輸入的增加，夾雜物數(shù)量減少的程度變小.

表5 不同熱輸入焊縫中夾雜物的大小、分布

圖4 夾雜物尺寸分布圖

2.3 熱輸入對(duì)焊縫中M-A組元的影響

隨著熔池溫度的降低，大量針狀鐵素體在奧氏體晶內(nèi)形核長大，并隨著奧氏體內(nèi)碳的富集，在針狀鐵素體之間產(chǎn)生M-A組元.使用lepera著色侵蝕劑(體積分?jǐn)?shù)1%的偏重亞硫酸鈉，體積分?jǐn)?shù)4%的苦味酸酒精溶液按體積比1∶1混合)，對(duì)3種熱輸入焊接接頭焊縫金屬進(jìn)行腐蝕，其中M-A成白色，鐵素體成灰色.圖5為典型M-A組元組織圖，其選自熱輸入為158 kJ/cm的焊縫，圖5(a)為金相顯微鏡下M-A組元形貌，圖5(b)為透射電鏡下M-A組元，圖5(c)為掃描電鏡下M-A組元和鐵素體的顯微硬度壓痕圖.

圖5 M-A島的顯微形貌、TEM圖片和顯微硬度

通過金相分析軟件，選取相同的視場，對(duì)不同熱輸入焊縫中M-A組元的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).對(duì)3種熱輸入焊縫中M-A組元進(jìn)行顯微硬度測試，每個(gè)試樣隨機(jī)測試10處，載荷為10 g.結(jié)果顯示M-A顯微硬度平均值為300 HV，最高值不大于310 HV.熱輸入為60、122、158 kJ/cm 的焊縫中M-A組元體積分?jǐn)?shù)分別為0.463%、0.799%、1.361%，但隨著熱輸入的增加，M-A組元平均弦長小于2 μm、成顆粒狀和小塊狀均勻分布.當(dāng)細(xì)小M-A均勻分布于針狀鐵素體板條中間，能有效阻止鐵素體長大，更重要的是，位于晶界位置的M-A彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)奧氏體晶界的釘扎作用，能細(xì)化晶粒，在提高焊縫強(qiáng)度的同時(shí)改善鋼的韌性［12］.

3 熱輸入對(duì)力學(xué)性能的影響

圖6給出了不同大熱輸入焊接條件下，焊縫中心低溫沖擊吸收功.在-20℃時(shí)，焊縫中心沖擊吸收功均大于100 J、遠(yuǎn)大于我國船標(biāo)E40焊接接頭-20℃沖擊吸收功大于等于47 J的要求.這主要是因?yàn)楹缚p金屬化學(xué)成分為低碳微合金設(shè)計(jì)，焊縫中Mn、Ni、Cu都能在提高強(qiáng)度的同時(shí)增加韌性，而且焊縫組織均以針狀鐵素體為主，具有較高的強(qiáng)韌性，隨著熱輸入的增加，細(xì)小均勻分布的M-A組元百分含量增加，但對(duì)韌性并沒有造成損害［13］.值得注意的是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著熱輸入增加，焊縫沖擊吸收功反而增加.

圖7給出了不同熱輸入條件下，-40℃時(shí)焊縫中心沖擊斷口的微觀形貌.圖中(a)、(c)、(e)分別為不同熱輸入條件下斷口裂紋擴(kuò)展前期的掃描圖片.熱輸入為60 kJ/cm時(shí)，斷口起裂源的形貌以準(zhǔn)解理形貌特征為主，韌性相對(duì)較差，而熱輸入為122、158 kJ/cm時(shí)斷口起裂源的位置為韌窩斷口形貌，韌窩均呈拉長的拋物線狀，只是后者韌窩更深、分布更密集、尺寸更細(xì)小，表現(xiàn)出更優(yōu)異的韌性.圖中(b)、(d)、(f)為不同熱輸入焊縫中心斷口裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)域掃描照片.熱輸入為60、122 kJ/cm時(shí)，斷口形貌為準(zhǔn)解理形貌，且在解理區(qū)間存在由小韌窩組成的延性脊，有助于改善沖擊韌性.熱輸入為122 kJ/cm時(shí)，韌窩型延性脊明顯增多，其沖擊韌性明顯增加.158 kJ/cm時(shí)斷口形貌為韌窩，韌窩大小均勻，且比較深，在韌窩底部含有球形夾雜，可知斷裂形式為微孔聚集型斷裂.從圖7中不同熱輸入焊縫中心沖擊斷口形貌同樣可以證實(shí)隨著熱輸入的增加，焊縫中心低溫沖擊韌性增加.

圖6 不同溫度下焊縫中心沖擊吸收功Akv/J

圖7 -40℃不同熱輸入SEM焊縫沖擊斷口形貌

一般情況下，低合金高強(qiáng)鋼焊縫低溫沖擊韌性隨著焊接熱輸入的增大成逐漸降低趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闊彷斎朐酱?，高溫停留時(shí)間越長，對(duì)焊縫金屬化學(xué)成分以及焊縫冷卻時(shí)間特別是t8/5具有較大影響，易于獲得粗大脆性組織.而針對(duì)本試驗(yàn)出現(xiàn)隨熱輸入增加，焊縫沖擊吸收功卻增加的現(xiàn)象從以下幾方面解釋:首先，熱輸入增加，柱狀晶寬度增加，沿原奧氏體晶界的先共析鐵素體的含量減少，針狀鐵素體的含量增加，有利于焊縫韌性的提高.其次，焊縫金屬中氧含量降低.氧在焊縫中主要以夾雜物的形式存在，氧含量太高，非金屬夾雜物尺寸太大，氧含量較低不能形成足夠的非金屬夾雜從而不利于焊縫針狀鐵素體的形核.在試驗(yàn)條件下，隨著熱輸入的增加，夾雜物數(shù)量減少，對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊韌性有利.最后，前面兩種因素雖然對(duì)焊縫韌性有影響作用，但不至于表現(xiàn)出焊縫低溫沖擊吸收功隨著熱輸入的增加而出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì).通過圖8可知，鋼中韌性最低的薄弱環(huán)節(jié)是焊縫多層多道焊時(shí)，后續(xù)焊道對(duì)前焊道的高溫再熱作用，使部分原柱狀晶組織轉(zhuǎn)變成了塊狀鐵素體，從而降低了焊縫的沖擊韌性［14］.隨著熱輸入由60、122到158 kJ/cm的增加，焊縫焊接道次分別為6、3、2，焊縫組織中受熱循環(huán)影響而產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié)組織越少，針狀鐵素體含量越多，使焊縫沖擊韌性具有明顯的增加趨勢(shì).

圖8 斷口區(qū)域顯微組織

對(duì)3種熱輸入下焊縫各區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測試10個(gè)點(diǎn)，最后取其平均值，熱輸入為60、122、158 kJ/cm 時(shí)，硬度分別為210、205、220 HV5.表6為焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果.由表可知，焊接接頭表現(xiàn)出足夠的強(qiáng)度，板拉伸試樣斷口位置均為母材.由焊縫金屬拉伸結(jié)果可知:隨著熱輸入增加，焊縫金屬屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均增加.熱輸入的增加改變了焊縫金屬化學(xué)成分和冷卻速度，從而影響焊縫最終組織.熱輸入增加，焊縫金屬強(qiáng)度增加是因?yàn)?一方面，由于大熱輸入焊接時(shí)，母材和焊劑中合金元素過渡到焊縫中，由表6可知，焊縫金屬化學(xué)成分有微量增加.主要原因是焊縫金屬成分采用低碳微合金設(shè)計(jì)思路，在不同熱輸入焊接的冷卻速度范圍內(nèi)，焊縫組織以針狀鐵素體為主，且針狀鐵素體含量隨熱輸入增加而增加.

表6 E40鋼大熱輸入焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)在60、122、158 kJ/cm 的焊接熱輸入條件下，采用新研制的焊絲焊接E40大熱輸入用鋼，獲得成型良好的接頭.焊縫組織均以針狀鐵素體為主，存在先共析鐵素體，焊縫中受熱循環(huán)區(qū)域存在塊狀鐵素體.隨著熱輸入的增加焊縫M-A組元體積分?jǐn)?shù)呈0.463%、0.799%、1.361%增加趨勢(shì).

2)-20℃時(shí)不同大熱輸入焊縫中心沖擊吸收功均大于100 J.-40℃時(shí)，隨著熱輸入的增加，焊縫都具有較高沖擊吸收功且呈增加趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闊彷斎朐黾訒r(shí)焊縫柱狀晶寬度增加，針狀鐵素體含量增加;焊縫金屬中氧含量減少，夾雜物減少;焊接道次減少，焊縫中受熱循環(huán)影響產(chǎn)生的塊狀鐵素體含量減少.

3)熱輸入為60、122、158 kJ/cm 時(shí)，焊縫硬度分別為210、205、220 HV5;焊縫金屬強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度，且隨著熱輸入的增加焊縫金屬強(qiáng)度增加，這主要因?yàn)楹缚p組織以針狀鐵素體為主，且隨熱輸入增加其含量增加.

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