mm厚SS鋼板焊接工藝四接頭殘余應力測定與組織分析

1、12mm厚SS400鋼板焊接工藝四接頭殘余應力測定與組織分析1 文獻綜述1.1SS400概述SS400鋼是日本工業(yè)標準普通結(jié)構(gòu)用軋制鋼材標準JISG31012004中最常用的一個鋼種，在東南亞國家和地區(qū)有廣闊的市場，SS400鋼的性能要求比碳素結(jié)構(gòu)鋼)GBm001988標準中Q235A要求稍高，與船體用結(jié)構(gòu)鋼cB7122000標準中一般強度船板相當，但又不完全等同。SS400是日本鋼材材質(zhì)的一種標示方式，相當于國內(nèi)的Q235號鋼。 國外標準的結(jié)構(gòu)鋼常按抗拉強度來分類，如SS400(日本是這樣標示的)，其中400即表示b的最小值為400MPa超高強度鋼是指b1373 Mpa的鋼。1.2SS400

2、鋼的特點1、SS400鋼適用橋梁、船舶、車輛及其他結(jié)構(gòu)使用的一般結(jié)構(gòu)用熱軋鋼材，比碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235A)和船板適用范圍要廣。2、對C、Mn化學成分不作規(guī)定；P、S要求0050，與Q235A相當。3、屈服強度：鋼材16mm厚 Re245MPa，>1640mm厚235MPa，>40mm厚 Re215MPa。比相應規(guī)格范圍Q23SA屈服強度提高10MPa。4、抗拉強度：Rm 400510MPa比Q235A Rm 375500MPa下限提高25MPa。5、伸長率：>516mm厚1A號板樣A17，>16一50mm厚lA板樣A21，>40mm加厚采用4號圓樣A23。6、力學

3、試驗試樣：1A號板樣寬度40mm，200標距；采用4號圓樣D=14mm50標距。與國內(nèi)通常采用的比例試樣要求不同。7、檢驗批量50呲。8、鋼板厚度允許偏差，采用對稱偏差，比GB17091988厚度尺寸允許偏差稍嚴。9、長度、寬度允許偏差比GBT7091988長度和寬度允許偏差稍嚴。10、鋼板不平度比GBTT091988標準規(guī)定嚴。1.3SS400鋼的組織1、2.75-5.75mm厚ss400鋼板的平均晶粒尺寸介于10.0-13.0m之間，隨鋼板厚度減小晶粒尺寸基本呈減小趨勢，即隨著壓下量增大，鋼板晶粒尺寸減小。2、SS400鋼板的屈服強度為340-350Mpa,抗拉強度為465-480 Mpa

4、，伸長率為%28-32%，可見該鋼板強度較高且塑性較好，即綜合力學性能優(yōu)良。3、5.75mm厚SS400鋼板在-60時的沖擊功為26.6J，此時鋼板仍具有較好的韌性。1.4SS400鋼的性能下面對工業(yè)軋制SS400帶鋼的強度、延伸率、和AK值進行了測定，用OM、SEM、TEM等實驗方法研究了不同工藝條件下對帶鋼顯微組織的影響，試驗結(jié)果表明，當終軋溫度在780-810范圍內(nèi)，卷曲溫度為450左右，控制精軋各道次的變形量，可使SS400熱軋帶鋼的屈服強度高于400Mpa，抗拉強度超過520 Mpa，延伸率達到%30，顯微組織觀察結(jié)果表明終軋溫度較低時，在變形過程中產(chǎn)生了應變誘導鐵素體。應變誘導相變

5、、鐵素體動態(tài)再結(jié)晶以及軋后加速冷卻可使SS400鋼的組織均勻細小。卷曲溫度降低，貝氏體含量顯著增加，并出現(xiàn)了馬氏體。沖擊試驗結(jié)果表明，卷曲溫度降低時帶鋼的韌性較差，SS400鋼的強化機制包括4部分：細晶強化、固溶強化、亞結(jié)構(gòu)強化、相變強化。1.5SS400鋼的生產(chǎn)過程1.5.1鋼坯加熱加熱溫度要求：加熱速度810min /cm,最高加熱溫度1300，加熱爐各段溫度控制。注：對于軋薄規(guī)格如9、10、12溫度按靠近上限溫度控制，12規(guī)格以上按中限控制，如厚薄規(guī)格坯料同爐加熱時也按上限控制。要求見表1。表 1鋼種控制溫度均熱段第二加熱段第一加熱段預熱段SS4001180128012001280115

6、012501.5.2軋制及冷卻工藝要求1開軋溫度：10001140；2高壓水除磷壓力：18Mpa；3SS400鋼板的軋制采用常規(guī)軋制，終軋溫度900，終冷溫度760。1.5.3矯直開矯溫度600750，鋼板應矯正平直，一般矯直1道，矯直效果不好時采用取3道矯直，矯直必須保持表面光潔，不得出現(xiàn)麻坑和壓痕等缺陷。1.5.4熱剪切分切熱剪根據(jù)成品板的定尺長度對分切的母板長度進行監(jiān)控，合理的進行分段使確保定尺板的命中率。1.5.5精整1使用剪切線進行剪切鋼板時，剪切溫度200；2鋼板剪切不得有掉肉、壓痕、切斜、毛刺、臺痕、分層等缺陷，應切成直角，保證公稱尺寸的最小矩形。1.6公差要求1.6.1厚度允許

7、偏差應符合表2規(guī)定。 表2 單位：mm厚度寬度<16001600<25002500<40006.30<10.0±0.55±0.65±0.8010.0<16.0±0.55±0.65±0.8016.0<25.0±0.65±0.75±0.9525.0<40.0±0.70±0.80±1.040.0<63.0±0.80±0.95±1.11.6.2寬度允許偏差應符合表3規(guī)定。表3 單位：mm寬 度厚 度允許偏差

8、1250<16006.00-0 +1516006.00-0 +1.2%1.6.3長度允許偏差應符合表4規(guī)定。 表4 單位：mm長 度厚 度允許偏差<63006.00-0 +2563006.00 -0 +0.5%1.6.4鋼板不平度允許的最大值應符合表5規(guī)定。 表6 單位：mm厚 度不同寬度不平度允許的最大值<20002000300030006.00<10.013212210.0<25.012161725.0<40.09131440.081111注：上表適用于2000mm的任意長度：鋼板長度<2000mm時，對全長適用。此外，對波浪間距超過2000mm的

9、鋼板，在其波浪的間距長度內(nèi)適用。但波浪間距超過4000mm的鋼板，則對4000mm的任意長度適用。1.7焊接1.7.1焊接方法焊前預熱和后熱是為了降低焊縫的冷卻速度，防止接頭生成淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋，焊前預熱溫度一般在100200度，后熱不屬于熱處理。也是一種緩冷措施。后熱溫度在200-300度，有的單純是為了緩冷，有的是針對消氧處理的。一定后熱溫度，能使焊縫中氧擴散出來不至于聚集導致裂紋，后熱保溫時間一定要根據(jù)工件厚度來確定，一般不會低于0.5小時的。焊后熱處理主要分為四種：1、低于下轉(zhuǎn)變溫度進行的焊后熱處理，如消除應力退火，溫度一般在600-700之間，主要目的是消除焊接殘余應力。2、高于

10、上轉(zhuǎn)變溫度進行的焊后熱處理，如正火，溫度在950-1150度之間，細化晶粒改善材料的力學性能，尤其是抗晶間腐蝕能力。再如淬火，不同的淬火工藝能得到不同的效果，提高鋼的耐磨性、硬度等。3、先高于上轉(zhuǎn)變溫度進行處理再進行低于下轉(zhuǎn)變溫度下的熱處理，比如正火和回火，淬火加回火等。4、在上下轉(zhuǎn)變溫度之間進行的焊后熱處理，700-900度之間，材料的實效強化重結(jié)晶退火等。1.7.2 SS400鋼板的焊接參數(shù)為保證焊接質(zhì)量，焊接時采用80Ar20CO2混合氣體保護焊接，焊高在1020 mm 以上，采用多層多道焊接，一般按34 層進行，用80 kg 級12 焊絲焊接。具體參數(shù)見表7表7 SS400的焊接參數(shù)S

11、S400 12mm#DIV/0!#VALUE!#DIV/0!道次電流電壓焊接時間#VALUE!#VALUE!#VALUE!1140160222810.8610.860514480039602.20214016022289610.860.1131259349941.7.3 SS400焊接接頭性能在焊縫處由于重熔形成鑄態(tài)組織的結(jié)果，硬度值明顯高于基體；在過熱區(qū)由于魏氏組織鐵素體的析出，與此相鄰的過冷奧氏體中含碳量高于鋼的平均含碳量?？绽浣Y(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的數(shù)量也相對較多；在完全正火區(qū)受熱溫度低于過熱區(qū)，但也達到完全奧氏體化的溫度，發(fā)生相變重結(jié)晶，組織明顯細化，此后在不完全正

12、火區(qū)（發(fā)生部分相變重結(jié)晶），以及沒有發(fā)生相變的區(qū)域，由于溫度的“軟化”作用（相當于回火作用）硬度值下降，直至熱影響區(qū)之外才有所回升。從力學性能測試結(jié)果可以看出，在焊接接頭處由于晶粒粗大的結(jié)果，材料的抗拉強度下降，屈服強度略有增加而塑性下降，從斷口形貌看出，盡管焊后接頭處塑性下降較為明顯，但斷口的韌窩狀形貌還沒有發(fā)生改變。只是由于晶粒粗大的結(jié)果，韌窩被撕裂的程度不如母材那樣突出，雖然表現(xiàn)出一定的脆性，但其韌性還是較好。2實驗內(nèi)容2.1實驗目的研究SS400鋼板焊接工藝四接頭殘余應力測定與組織分析2.2實驗材料及儀器設備2.2.1 金相切割機QG-2金相試樣切割機（以下簡稱為切割機）是利用高速旋轉(zhuǎn)

13、的薄片砂輪來截取金相試樣，它廣泛地適用于金相實驗室切割各種金屬材料。由于本機附有冷卻裝置，用來帶走切割時所產(chǎn)生的熱量，因而避免了試樣遇熱而改變其金相組織。技術(shù)指標如表8：表8 QG-2金相試樣切割機參數(shù)表 電源主軸轉(zhuǎn)速(rmin)砂輪片規(guī)格(mm)最大切割直徑(mm)切割功率(kw)重量(kg)外形尺寸(mm)380V、50HZ2800250×2×32301.160470×390×3602.2.2 砂輪機其主要是由基座、砂輪、電動機或其他動力源、托架、防護罩和給水器等所組成，砂輪是設置于基座的頂面，基座內(nèi)部具有供容置動力源的空間，動力源傳動一減速器，減速

14、器具有一穿出基座頂面的傳動軸供固接砂輪，基座對應砂輪的底部位置具有一凹陷的集水區(qū)，集水區(qū)向外延伸一流道，給水器是設于砂輪一側(cè)上方，給水器內(nèi)具有一盛裝水液的空間，且給水器對應砂輪的一側(cè)具有一出水口。具有整體傳動機構(gòu)十分精簡完善，使研磨的過程更加方便順暢及提高整體砂輪機的研磨效能的功效。2.2.3 拋光機拋光機是一種電動工具，拋光機由底座、拋盤、拋光織物、拋光罩及蓋等基本元件組成。 電動機固定在底座上，固定拋光盤用的錐套通過螺釘與電動機軸相連。拋光織物通過套圈緊固在拋光盤上，電動機通過底座上的開關接通電源起動后，便可用手對試樣施加壓力在轉(zhuǎn)動的拋光盤上進行拋光。拋光過程中加入的拋光液可通過固定在底座

15、上的塑料盤中的排水管流入置于拋光機旁的方盤內(nèi)。 拋光罩及蓋可防止灰土及其他雜物在機器不使用時落在拋光織物上而影響使用效果。 2.2.4 金相照相設備金相顯微鏡是將光學顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)完美地結(jié)合在一起而開發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計算機上很方便地觀察金相圖像，從而對金相圖譜進行分析，評級等以及對圖片進行輸出、打印。表9 金相照相設備指標如名稱放大倍數(shù)數(shù)碼相機像素2EISS金相顯微鏡（蔡司顯微鏡）100X-1000X400萬2.2.5其他材料試樣、金相砂紙（120、200、400、600、800）、酒精、%4硝酸酒精2.3制樣將兩塊焊接好的12mm SS400鋼板以焊

16、縫為中心取樣再通過小砂輪切割掉四周多余不規(guī)則部分，最后平分焊縫。2.4磨樣拋光將冷卻后的試樣用打磨機進行打磨，將尖角部分打磨掉，并且打磨出比較平整的平面。然后磨樣，磨制時先用120號砂紙進行粗略的打磨，將試樣面磨平磨光；再依次換240號、400號、600號、800號磨樣。在一張砂紙上打磨時，保持始終在一個方向上，一個平面上進行打磨。當一張砂紙打磨的只有一個方向上的劃痕時即可換令一張較細的砂紙打磨，此時方向必須轉(zhuǎn)90°，當將前面的劃痕全部蓋住時，即可換令一張較細砂紙打磨。在600號砂紙上磨制完后，試樣表面已基本沒有劃痕及凹坑等，換800號打磨時，一定要單道次單道次的磨，不能用大力，直至

17、磨成鏡面一般亮。試樣表面磨好后，就可以拋光了。在拋光機上澆入拋光液，將磨好的樣在拋光機上進行拋光。注意拋光時拋光方向與拋光機啟動方向相反，拋光時軋件打磨面要輕微碰觸拋光機，這樣才可達到拋光的目的。拋光過程只需要56秒，拋完后，表面如鏡面一般明亮。然后就是對表面進行腐蝕，腐蝕前用水沖洗干凈，再滴4%的硝酸酒精進行腐蝕。2.5腐蝕與拍照將拋光好的樣品進行腐蝕，腐蝕液為4%的硝酸酒精，腐蝕時間不宜太長或太短，太長時拍出的照片會太暗，會造成腐蝕過度，腐蝕時間太短時，拍出的金像照片只會出項局部金相組織或者金相組織不清晰。所以，要控制好腐蝕時間。當表面發(fā)霧時，用酒精沖干凈，吹風機吹干。再接下來就是在光學顯

18、微鏡下觀察組織，并且拍照，獲得三組金相組織圖。3實驗結(jié)果及分析3.1 焊接接頭組成部分SS400鋼焊接接頭所組成三部分金相顯微組織100、200、500倍，如圖1、圖2圖3所示。焊接接頭由三個部分組成，即焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)（見圖1、圖2、圖3）。焊接時，在高溫熱源的作用下，母材要發(fā)生局部熔化，并與熔化了的填充金屬混合而形成熔池。隨著熱源的離開，熔池溫度下降，熔化金屬開始結(jié)晶凝固，形成焊縫。圖1中，是SS400鋼焊接接頭放大100倍金相顯微組織。圖2中，是SS400鋼焊接接頭放大200倍金相顯微組織。圖3中，是SS400鋼焊接接頭放大500倍金相顯微組織。圖1 SS400鋼焊接接頭放大100

19、倍金相顯微組織。圖2 SS400鋼焊接接頭放大200倍金相顯微組織圖3 SS400鋼焊接接頭放大500倍金相顯微組織。3.2接頭組織3.2.1熱影響區(qū)熱影響區(qū)是被焊縫區(qū)的高溫加熱造成組織和性能改變的區(qū)域。低碳鋼的熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。過熱區(qū)是最高加熱溫度1100以上的區(qū)域，晶粒粗大，甚至產(chǎn)生過熱組織，叫過熱區(qū)。過熱區(qū)的塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中機械性能最差的部位。正火區(qū)是最高加熱溫度從Ac3至1100的區(qū)域，焊后空冷得到晶粒較細小的正火組織，叫正火區(qū)。正火區(qū)的機械性能較好。部分相變區(qū)最高加熱溫度從Ac1至Ac3的區(qū)域，只有部分組織發(fā)生相變， 叫部分相變區(qū)。此區(qū)晶粒不均

20、勻，性能也較差。熱影響區(qū)的組織主要由母材的化學成分和焊接過程中的熱循環(huán)決定的。對于指定的低合金高強鋼，熱影響區(qū)的組織主要由焊接熱輸入決定的。在焊接熱輸入的作用下，靠近焊縫的母材被加熱到一定的程度，組織發(fā)生明顯的變化。在焊接熱循環(huán)的加熱階段，母材基體組織會奧氏體化，高的峰值溫度將導致奧氏體晶粒的粗化，母材中的析出物會發(fā)生粗化或重溶。而在冷卻過程中，奧氏體組織將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、鐵素體或者貝氏體組織等，粗化的或者重新生成的析出物將分散其中，最終形成的高強鋼熱影響區(qū)組織是一個連續(xù)變化并具有陡峭組織梯度的區(qū)域，組織的不均勻性必然導致力學性能的不均勻。圖4 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織100倍圖

21、5 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織200倍圖6 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織500倍3.2.2焊縫接頭金屬及填充金屬熔化后，又以較快的速度冷卻凝固后形成。焊縫組織是從液體金屬結(jié)晶的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，成分偏析，組織不致密。但是由于焊接熔池小，冷卻快，化學成分控制嚴格，碳、硫、磷都較低，還通過滲合金調(diào)整焊縫化學成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊縫金屬的性能問題不大，可以滿足性能要求，特別是強度容易達到。焊縫組織通常由先共析鐵素體、針狀鐵素體、側(cè)板條鐵素體、貝氏體等組織組成。為提高焊縫的沖擊韌性，尤其是低溫沖擊韌性，希望焊縫中盡可能形成針狀鐵素體而減少貝氏體組織含量。由于

22、針狀鐵素體的組織具有高強度和高韌性因而被認為是最優(yōu)秀的焊縫組織，所以為得到最優(yōu)強韌性匹配的焊縫，希望在焊縫中得到以針狀鐵素體為主的組織。圖7 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織100倍圖8 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織200倍圖9 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織500倍3.2.3 融合區(qū)熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的過渡區(qū)域，具有明顯的化學和物理不均勻性。熔合區(qū)化學成分和組織結(jié)構(gòu)的變化不可避免的會造成晶格中的各種微觀缺陷（如空位、位錯等），直接影響焊接接頭性能。熔合區(qū)是焊接接頭中最薄弱的部分，焊接裂紋極易在該區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展，特別是對超高強鋼焊接，問題更為突出。高強鋼熔合區(qū)萌生裂紋已成為制約其擴大應用的關鍵，揭示焊接熱循環(huán)對高強鋼熔合區(qū)組織結(jié)構(gòu)變化和微裂紋起源、擴展內(nèi)在本質(zhì)的影響及控制措施，具有重要的理論意義和實用價值。圖10 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織100倍圖11 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織200倍圖12 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織200倍3.3影響焊接接頭性能的因素焊接接頭的機械性能決定于它的化學成分和組織。因此，影響焊縫化學成分和焊接接頭組織的因素，都影響焊接接頭的性能。3.3.1焊接材料