鋼焊接熱影響區(qū)組織和性能研究

1、10CrNi3MoV鋼焊接熱影響區(qū)組織和性能研究張?zhí)锖晡航鹕秸?通過(guò)熱模擬試驗(yàn)研究了10CrNi3MoV鋼在線能量為15100kJ/cm范圍內(nèi)時(shí)焊接熱影響區(qū)（HAZ）組織和性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)一次熱循環(huán)后，特別是峰值溫度為1300時(shí)，沖擊韌性顯著降低。金相分析表明，沖擊韌性的降低與組織和晶粒粗大有關(guān)，但總體低溫沖擊韌性能夠保持在較高的水平上（A kv，-5060J）。經(jīng)過(guò)二次熱循環(huán)后，線能量較低時(shí)，熱影響區(qū)沖擊韌性得到改善；線能量較高時(shí)，熱影響區(qū)沖擊韌性大大降低。關(guān)鍵詞 熱影響區(qū)峰值溫度焊接線能量Study on Weld HAZs Microstructures and Prop

2、erties of 10CrNi3MoV SteelZhang TianhongWei Jinshan(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039 ，China)Abstract The microstructures and properties of HAZ of 10CrNi3MoV steel are studied by using simulation heat-affected zone test with welding energy input from 15 to 100kJ/cm. Experiment

3、al results show that low temperature impact toughness is reduced seriously, especially at 1300 peak temperature, but maintains quite a high level(A kv,-5060J) after one thermal cycle. An optical microscopic investigation indicates that the reduction of impact toughness has a close relation with roug

4、h structures and grains of HAZ. The impact toughness of heat-affected zone could be improved after two thermal cycle at a low welding energy input, and which could be worse at a high welding energy input.Keywords Heat-affected zonePeak temperatureWelding energy input隨著焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，焊接接頭的安全可靠性已引起了人們的重視。大

5、量的失效事故證明，焊接熱影響區(qū)，特別是熔合區(qū)和粗晶區(qū)，是造成結(jié)構(gòu)破壞的最危險(xiǎn)部位1。因此，了解焊接對(duì)母材組織和性能的影響，改善熱影響區(qū)的組織和性能，對(duì)提高焊接接頭的質(zhì)量具有重要的意義。焊接的快速加熱冷卻過(guò)程，使焊接熱影響區(qū)狹窄且組織梯度非常大，此時(shí)，用常規(guī)的力學(xué)性能試樣測(cè)得的只能是焊接熱影響區(qū)的整體性能，而不是我們所要研究的某個(gè)特定區(qū)域的性能。因此，人們常采用模擬試驗(yàn)的方法來(lái)研究焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)對(duì)其組織和性能的影響2。焊接熱模擬就是用電流直接加熱或感應(yīng)加熱的方法在小試樣上再現(xiàn)與實(shí)際焊接HAZ某一點(diǎn)完全一致的熱循環(huán)，并用該試樣的組織性能代替該點(diǎn)的組織性能1。10CrNi3MoV鋼是低碳低合金

6、調(diào)質(zhì)鋼，廣泛用于焊接結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)，焊接熱循環(huán)明顯地改變鋼的微觀組織，使鋼的沖擊韌性下降，脆性破壞敏感性增大。因此，研究焊接熱輸入量對(duì)焊接熱影響區(qū)顯微組織和性能的影響，對(duì)合理地選擇焊接工藝參數(shù)是必要的。本文采用焊接熱模擬技術(shù)研究焊接熱輸入量對(duì)10CrNi3MoV鋼熱影響區(qū)組織和性能的影響，初步探討了顯微組織和性能的關(guān)系，以期為該鋼種的不預(yù)熱焊接技術(shù)提供理論依據(jù)。1試驗(yàn)材料選用鞍鋼生產(chǎn)的16mm厚鋼板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1與表2。表1鋼板的化學(xué)成分（w）%CSiMnSPNiCrMoV0.140.310.390.0050.0102.721.050.230.08 表2鋼板的力學(xué)性能取樣位置s/M

7、pab/Mpa5/%/%A kv,-50/JFA/%單次沖擊值平均值一端6958052376266，204，290253100另一端6357602374226，258，206230100圖1Tm=1300時(shí)的熱循環(huán)曲線2試驗(yàn)方法及熱循環(huán)參數(shù)的確定2.1試驗(yàn)方法采用725所研制的DM-100A型熱模擬試驗(yàn)機(jī)。熱模擬試樣尺寸為12 mm12 mm120 mm?？紤]到要用熱模擬試樣加工成沖擊試樣，取樣方向均垂直于鋼材軋制方向。熱電偶的焊點(diǎn)應(yīng)在試樣的同一橫向平面內(nèi)且盡可能地相互靠近，以使加熱電流引起的交流感應(yīng)干擾減至最小。用熱模擬試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)夏比V型沖擊試樣，進(jìn)行-50沖擊試驗(yàn)，V型缺口垂直于上下表

8、面。采用NEOPHOT-21型金相顯微鏡對(duì)經(jīng)過(guò)熱循環(huán)的試樣進(jìn)行金相組織觀察。22熱循環(huán)參數(shù)的確定參考12Ni2CrMoV鋼的焊接CCT圖中的冷卻曲線3、熱模擬實(shí)測(cè)曲線以及用稻桓經(jīng)驗(yàn)公式及傳熱理論計(jì)算公式所得的計(jì)算結(jié)果，選用6種冷卻速度的熱循環(huán)。代表6種冷卻速度的熱循環(huán)曲線示于圖1（圖中所示是峰值溫度為1300時(shí)的熱循環(huán)曲線）。這些熱循環(huán)曲線（1#6#）代表板厚2035mm，預(yù)熱溫度080，線能量分別為15、20、40、60、80、100kJ/cm時(shí)的熱循環(huán)。3試驗(yàn)結(jié)果與討論31線能量與峰值溫度對(duì)沖擊功的影響試樣分別在1300、1200、900的峰值溫度下進(jìn)行一次熱循環(huán)，從800冷卻到500的時(shí)

9、間（t8/5）分別為6s、8s、20s、48s、91s、120s。對(duì)經(jīng)歷了上述模擬熱循環(huán)的試樣進(jìn)行-50沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3中。圖2和圖3分別為A kvEi關(guān)系曲線和A kvTm關(guān)系曲線。由圖2可知,試樣在經(jīng)受一次熱循環(huán)后,尤其是Tm為1300時(shí),沖擊韌性顯著降低。顯然,熔合線附近(Tm=1300)是熱影響區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)。在不同的峰值溫度下, 10CrNi3MoV鋼焊接熱影響區(qū)在相當(dāng)寬的線能量范圍內(nèi)仍能保持較高的沖擊韌性(A kv,-5060J)。Tm為1300時(shí)，隨著Ei的增加，沖擊功并不降低，并在較大線能量時(shí)(Ei=60kJ/cm)呈現(xiàn)最大值。Tm為900時(shí)，隨著Ei的增加，沖擊功顯著

10、降低。圖3表明，在試驗(yàn)的線能量范圍內(nèi)，隨著峰值溫度的升高，HAZ的低溫沖擊韌性呈不斷降低的趨勢(shì)，但當(dāng)Ei為60kJ/cm時(shí)，改變峰值溫度，對(duì)沖擊功幾乎沒(méi)有影響，沖擊功均能保持相當(dāng)高的水平。表3經(jīng)歷一次熱循環(huán)后試樣-50的沖擊功1）Ei/（kJ.cm-1）t8/5/sA kv,-50/J(A kv,-50/J)Tm=1300Tm=1200Tm=900156477480(67)8892108(96)182221188(197)208719269(77)155139112(135)257253206(239)4020757388(79)165150102(139)192219202(204)6048

11、130107153(130)161110149(140)125107192(141)80914613390(90)106115185(135)1068499(96)100120567968(68)9596100(97)10612091(106)注:1)括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為3次試驗(yàn)的平均值。圖2線能量對(duì)沖擊功的影響圖3峰值溫度對(duì)沖擊功的影響組織分析表明，峰值溫度為1300時(shí)，線能量為20kJ/cm和60kJ/cm時(shí)的晶粒度評(píng)定分別為4級(jí)和2.5級(jí)；峰值溫度為900時(shí)，相應(yīng)的晶粒度評(píng)定均為10級(jí)，如圖4所示。顯然，峰值溫度為1300時(shí)，組織和晶粒顯著粗化，粗大的組織和晶粒是低溫沖擊功降低的主要原因。32

12、二次熱循環(huán)對(duì)沖擊功的影響為了簡(jiǎn)單模擬多道焊時(shí)焊接熱影響區(qū)熱循環(huán)狀況，對(duì)于經(jīng)歷了峰值溫度為1300，線能量分別為20kJ/cm和60kJ/cm的模擬熱循環(huán)的試樣再進(jìn)行此線能量下峰值溫度為900的熱循環(huán)，然后進(jìn)行-50沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表4中。表4二次熱循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)及沖擊功Ei/（kJ.cm1）一次熱循環(huán)峰值溫度/二次熱循環(huán)峰值溫度/A kv，-50/JA kv，-50/J20130090010010810810560130090028302829從表中的數(shù)據(jù)可以看出，線能量為20kJ/cm時(shí)，經(jīng)二次熱循環(huán)后試樣的沖擊功高于同一線能量時(shí)的一次熱循環(huán)試樣的沖擊功；而線能量為60kJ/cm時(shí)，經(jīng)二

13、次熱循環(huán)后試樣的沖擊功遠(yuǎn)低于同一線能量時(shí)的一次熱循環(huán)試樣的沖擊功。這說(shuō)明：線能量較低時(shí)，二次熱循環(huán)能改善焊接接頭的低溫沖擊韌性；線能量較高時(shí)，二次熱循環(huán)將進(jìn)一步降低焊接接頭的低溫沖擊韌性。(a)Tm=1300；Ei=20kJ/cm；晶粒度為4級(jí)；組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體(b)Tm=1300；Ei=60kJ/cm；晶粒度為2.5級(jí)；組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體。(c)Tm=900；Ei=20kJ/cm；晶粒度為10級(jí)；組織為粒狀貝氏體(d)Tm=900；Ei=60kJ/cm；晶粒度為10級(jí)；組織為粒狀貝氏體圖4組織和晶粒度1004結(jié)論（1） 線能量在15100kJ/cm范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)一次熱循環(huán)后，10CrNi3MoV鋼焊接熱影響區(qū)低溫沖擊韌性有較大幅度的降低，但因母材的沖擊韌性裕量較大，故其低溫沖擊韌性仍能保持較高的水平。（2） 線能量較低時(shí)，二次熱循環(huán)能改善10CrNi3MoV鋼焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性；線能量較高時(shí)，二次熱循環(huán)將降低焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性。（3） 峰值溫度為1300時(shí)，經(jīng)過(guò)一次熱循環(huán)后