E40船板鋼焊接接頭組織性能分析

劉 義，李 敬，楊躍輝

(1.河鋼集團(tuán)有限公司 科技創(chuàng)新部，石家莊 050023；2.唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

在造船業(yè)中，熱軋板是廣泛使用的基礎(chǔ)核心材料，其中的高強(qiáng)度船板的使用數(shù)量逐年提升，主要是用在船的主體結(jié)構(gòu)上[1]。隨著船舶向大型化、自重輕量化發(fā)展，船舶工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度船板鋼的需求也日益增加。同時(shí)，伴隨著極地活動(dòng)的逐漸增加，破冰船大量建造，要求船板鋼具有更高的低溫韌性[2-4]。此外，焊接是船舶行業(yè)中主要的生產(chǎn)工藝，其工作量約占整個(gè)造船周期的25%左右，成本則占到20%左右，因此焊接工藝對(duì)船板鋼焊接后仍具有優(yōu)良的組織性能至關(guān)重要，但由于焊接接頭容易產(chǎn)生各類組織性能缺陷，故對(duì)船板鋼焊接性的研究始終是材料研究者重要的工作之一。針對(duì)這一問(wèn)題，很多研究工作通過(guò)熱模擬的方式對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析焊接接頭或熱影響區(qū)的組織變化規(guī)律[5-8]，但這一方法不能直接反映焊接過(guò)程對(duì)整個(gè)接頭組織的影響，同時(shí)也限制了對(duì)應(yīng)工藝下性能的檢測(cè)?；诖耍疚牟捎枚嗟来魏附臃绞綄?duì)E40船板鋼焊接性進(jìn)行分析，通過(guò)觀察焊接接頭不同位置的組織特征，分析其對(duì)接頭性能的影響，擬為此類鋼焊接性的研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)鋼的成分

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉澆鑄后鍛造成110 mm×110 mm×100 mm的鋼塊，然后加熱至1 180 ℃保溫2 h，并在北京科技大學(xué)350實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上軋制成15 mm厚鋼板，軋制過(guò)程中采用兩階段控軋，精軋開軋溫度為870 ℃，終軋溫度為830 ℃，然后加速冷卻至570 ℃。

表1 鋼的化學(xué)成分 wt%

1.2 焊接工藝

焊接試驗(yàn)鋼板的尺寸為300 mm×400 mm×13 mm，開V型坡口，如圖1所示。采用手工電弧焊，選擇牌號(hào)J506堿性焊條，所用焊機(jī)為YK-405FL4交流焊機(jī)，進(jìn)行三道次焊接，焊接工藝參數(shù)見表2。

圖1 焊接坡口尺寸

表2 焊接工藝參數(shù)

沖擊試樣開V型缺口，并按試驗(yàn)要求分別開在焊接接頭的不同位置，即在焊縫中心、偏移6 mm處和偏移12 mm處，缺口軸線位置垂直于焊縫表面，如圖2所示。在-40 ℃的低溫下沖擊試樣，并測(cè)定沖擊功，每個(gè)位置測(cè)定三次。

圖2 試樣沖擊位置選取示意圖

1.3 組織的觀察與硬度的測(cè)定

沿圖2中垂直于焊縫方向取金相試樣，經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，采用4%的硝酸酒精進(jìn)行侵蝕，然后在奧林巴斯BM41光學(xué)顯微鏡下觀察接頭不同區(qū)域的顯微組織；使用HV1000顯微硬度計(jì)測(cè)定接頭不同位置的硬度，測(cè)試點(diǎn)的分布如圖3所示。測(cè)定范圍為焊縫中心至一側(cè)16 mm，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離為2 mm。

圖3 硬度測(cè)試點(diǎn)的位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 母材的組織與性能

試驗(yàn)鋼母材的力學(xué)性能如表3所示。從表3可以看出，試驗(yàn)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，-40 ℃下沖擊功仍保持在200 J左右。在顯微鏡下觀察(如圖4所示)，試驗(yàn)鋼的組織為少量的先共析鐵素體+針狀鐵素體，此種組織構(gòu)成保證了試驗(yàn)鋼具有良好的強(qiáng)韌性匹配。

表3 母材的力學(xué)性能

圖4 試驗(yàn)鋼母材的顯微組織

2.2 焊接接頭的組織與性能

焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功見表4。由表4可知，接頭不同位置的韌性有明顯的變化，距焊縫中心越遠(yuǎn)測(cè)得的沖擊功越高，距焊縫中心12 mm處，沖擊功穩(wěn)定在200 J以上，甚至高于母材的沖擊功。在焊縫中心處和距焊縫中心6 mm處測(cè)得的沖擊功均較低，其平均值分別為66.6 J和81.6 J，且存在單值明顯較低的現(xiàn)象。

表4 焊縫不同位置處的沖擊功

圖5為距焊縫中心不同位置處測(cè)得的維氏硬度。從圖5可以看出，在焊縫中心處硬度相對(duì)較低，為130.1 HV，遠(yuǎn)低于母材的硬度156 HV。向母材偏移過(guò)程中，硬度在距焊縫中心4 mm和10 mm處出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，偏移焊縫中心14 mm后硬度基本不再變化，其值與母材基本相同，這證明在該試驗(yàn)條件下熱影響區(qū)的范圍約為距焊縫中心12～14 mm處。

圖5 焊接接頭不同位置處的硬度變化

2.3 討論

圖6為焊接接頭不同位置的顯微組織。

(a)焊縫表面；(b)距焊縫中心2 mm；(c)距焊縫中心4 mm；(d)距焊縫中心6 mm；(e)距焊縫中心8 mm；(f)距焊縫中心10 mm；(g)距焊縫中心12 mm圖6 焊接接頭不同位置處的組織

從圖6可以看出，在焊縫上表面最后凝固的區(qū)域，其組織為粗大的柱狀晶。由于晶粒較為粗大，組織中出現(xiàn)了魏氏組織；由于采用了多道焊，在后續(xù)的焊接過(guò)程中，前面道次生成的組織受到反復(fù)加熱，多次發(fā)生相變，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部其他位置上的組織為等軸的鐵素體和珠光體，如圖6(b)所示，其為焊縫內(nèi)部偏離中心2 mm處的組織，由于焊縫內(nèi)部組織相對(duì)粗大，且表面附近存在大量柱狀晶與魏氏組織，導(dǎo)致此處韌性降低[9]。偏離焊縫中心4 mm處的組織中出現(xiàn)了大量的魏氏組織，如圖6(c)所示，此處應(yīng)為熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)，由于距焊縫較近，加熱溫度高，因此冷卻之前生成的奧氏體晶粒更為粗大，促進(jìn)了魏氏組織的形成，導(dǎo)致過(guò)熱粗晶區(qū)的硬度顯著增加。隨著偏離焊縫的距離增加，母材受到的焊接熱影響變小，熱循環(huán)過(guò)程中的峰值溫度降低，組織相應(yīng)發(fā)生變化。6 mm處的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體晶粒與少量的珠光體，如圖6(d)所示，此位置應(yīng)為熱影響區(qū)的正火區(qū)。偏移8 mm的位置則呈現(xiàn)出大小鐵素體晶粒相間的組織，如圖6(e)所示，表明熱循環(huán)過(guò)程中峰值溫度處于此鋼種兩相區(qū)范圍，部分晶粒在加熱和冷卻過(guò)程中發(fā)生兩次相變，進(jìn)而顯著細(xì)化，但以等軸鐵素體為主的組織構(gòu)成使得測(cè)定硬度均明顯較低。偏移10 mm后，熱循環(huán)峰值溫度進(jìn)一步降低，受到熱應(yīng)變失效脆化影響，該處的硬度顯著升高，組織中則出現(xiàn)了部分粗化的針狀鐵素體，同時(shí)出現(xiàn)了一定量的準(zhǔn)多邊形鐵素體，如圖6(f)所示，由于準(zhǔn)多邊形鐵素體可以分割顯微組織并細(xì)化有效晶粒尺寸，進(jìn)而增加大角度晶界比例[9]，因此促進(jìn)了硬度的升高。偏移12 mm后，焊接熱循環(huán)的影響基本消失，組織類型與母材一致，如圖6(g)所示。偏移至14 mm后硬度基本不變。

由圖5可以看出，12 mm處的硬度有明顯的降低。為確定其原因，觀察了偏移4 mm，8 mm，12 mm處壓痕區(qū)域的組織，如圖7所示。從圖7可以看出，4 mm處的壓痕處于魏氏組織上，8 mm處的壓痕則處于鐵素體區(qū)域，而12 mm處的壓痕則恰好處于針狀鐵素體間的少量鐵素體上，這是導(dǎo)致4 mm處硬度較高、8 mm和12 mm處硬度較低的主要原因。

雖然在試驗(yàn)鋼成分設(shè)計(jì)中添加了微量的Ti和Nb元素，但從上述結(jié)果來(lái)看其對(duì)焊縫組織的細(xì)化效果并不明顯，并且在焊接熱循環(huán)作用下靠近焊縫區(qū)域的晶粒也有明顯的長(zhǎng)大。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn)，TiNC的析出對(duì)晶界遷移的阻礙作用并不明顯，因此開發(fā)新的技術(shù)對(duì)于提高船板鋼的焊接性有著重要的意義。

(a)距焊縫中心4 mm；(b)距焊縫中心8 mm；(c)距焊縫中心12 mm圖7 焊接接頭不同位置處的壓痕形貌

3 結(jié)論

(1)E40船板鋼焊接后，其焊縫內(nèi)晶粒較為粗大，特別是焊縫表面附近為粗大的柱狀晶，導(dǎo)致此處的韌性較差，存在單值較低的現(xiàn)象，而熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)則出現(xiàn)了大量的魏氏組織，也不利于獲得高的低溫韌性。

(2)試驗(yàn)鋼焊接接頭不同位置的硬度存在明顯的變化規(guī)律，分別在熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)和熱應(yīng)變失效脆化區(qū)出現(xiàn)了硬度的峰值，這是由于過(guò)熱區(qū)組織中出現(xiàn)了大量的魏氏組織，而熱應(yīng)變失效脆化區(qū)生成了較多的準(zhǔn)多邊形鐵素體和粗化的針狀鐵素體。

(3)試驗(yàn)鋼中雖然添加了少量的Ti和Nb元素，但其對(duì)焊縫及過(guò)熱區(qū)組織的細(xì)化作用并不明顯。