400MPa级超细晶粒钢的焊接

第22卷　第6期2001年12月

焊接学报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.22　　　No.6December2001

400MPa级超细晶粒钢的焊接

田志凌1,　何长红1,　张晓牧1,　邹　刚1,　屈朝霞2

(1.北京钢铁研究总院,北京　100081;2.上海宝钢技术中心,上海　201900)

摘　要:　对超细晶粒钢在焊接热循环作用下晶粒长大和组织、性能变化的规律进行了研究。400MPa级钢由于不存在第II相粒子对晶粒长大的钉扎作用,晶粒长大趋势明显,焊接热输入越大,长大程度越严重。无论是焊接热模拟试件还是焊接接头硬度测试均表明HAZ不存在软化问题,接头拉伸试验断在远离热影响区的母材上。HAZ粗晶区有较多的侧板条铁素体,但缺口冲击功未显示热影响区的冲机韧性低于母材,尽管试件断口分析说明粗晶区的韧性低于母材。关键词:　超细晶粒钢;焊接;晶粒长大;组织

中图分类号:TG401　　文献标识码:A　　文章编号:0253-360X(2001)06-01-

03

田志凌

0　序　　言

,

热影响区(HAZ)焊接热输入导致的HAZ软化将是最主要的问题。研究焊接热循环对母材组织、性能的影响规律及研究适合超细晶粒钢的新型焊接技术和工艺是非常必要的。

日本在其“超级钢”规划中,将超级钢焊接技术作为三个研究主题之一,在800MPa级高强度课题中更将焊接置于极其重要的位置[1,2]。韩国在新世纪高性能结构钢中也非常重视超细晶粒钢的焊接问题[3],为使焊接接头具有90%以上的母材性能(强度、韧性),从焊接技术、焊接材料和焊接工艺三个方向全面开展工作。

作者对超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大规律进行了初步的研究,进行了脉冲MAG、激光焊等方法对超细晶粒钢的适应性研究,以及利用焊后特殊处理技术提高焊接接头性能的探索性研究工作。

,板厚3mm,其化学成分和1和表2所示。材料的原始铁素体尺6～8μm。

表1　SS400试验用钢的化学成分(质量分数,%)

Table1　Thechemicalcomposition

ofthetestmaterial

C

Si

Mn

P

S

Al

Cu

Cr

Mo

Ni

0.170.090.360.0130.0130.020.010.020.010.03

表2　SS400钢的力学性能和硬度

Table2　Themechanicalpropertiesandhardness

ofthetestmaterial

Materialσb/MPaσS/MPaδ5(%)SS400

480

365

31

HV150132

Grainsize/μm

7

在本研究中,用焊接热模拟试验研究了焊接热影响区的晶粒长大规律,研究了400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适应性、热影响区组织及焊接接头力学性能。

2　超细晶粒钢的HAZ晶粒长大趋势

1　试验用超细晶粒钢及试验研究

试验用材为400MPa级课题组在宝钢轧制的SS400热轧钢板,该材料的研究目标是通过晶粒细

收稿日期:2001-04-24

基金项目:国家重点基础研究资助项目(1998061500)

和组织及性能

为研究焊接热循环对超细晶粒钢的影响,利用Gleeble-1500焊接热模拟试验机对试验材料进行了焊接热模拟试验,试验设计如下。

(1)加热峰值温度固定Tp=1350℃,改变冷却速度t8/5从3～24s,模拟在不同焊接热输入条件

　2焊　接　学　报第22卷

下热影响区粗晶区的组织和性能。

(2)冷却速度固定t8/5=5s,改变峰值温度Tp从1400～650℃,模拟在同一焊接热输入条件下,焊接热影响区不同部位的组织和性能。

焊接热模拟试验结果如图1所示。图1a为焊接热输入对粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸的影响,在峰值温度为1350℃时,随着t8/5逐渐增加,即随着焊接热输入的增加,热影响区粗晶区的原奥氏体粒径不断增加,当t8/5为20s时,奥氏体粒径达到170μm,这说明超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大倾向严重,奥氏体粒径受t8/5的影响很大,在条件允许的情况下,应尽可能采用低热输入焊接,加快焊接冷却速率。图1b为t8/5=5s

时峰值温度对原始奥氏体晶粒尺寸的影响,当Tp介于1100～1200℃时,奥氏体粒径明显开始粗化,可把这个温度区间作为SS400钢的粗化温度。当Tp>1350℃时,奥氏体晶粒不再继续粗化,而奥氏体晶粒有所减小,这有可减小。图1c、d的数据可以得出:t5,

t8/5=3s时,硬度最大。当t8/5=5s时,Tp的升高,其显微硬度逐渐增加,当Tp=1400℃时,其硬度达到最大。经t8/5=5s,不同峰值温度的焊接热模拟后,SS400钢的整个热影响区硬度都不低于母材,于是可以预言:当t8/5=5s时,SS400钢的热影响区不会出现软化现象。

3　400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG

焊接适用性研究

将试板对接,压紧在镶有成形铜条的工作台上,采用95%Ar+5%CO2(质量分数)气体保护进行低热输入脉冲MAG焊接。三种规范下的SS400钢脉冲MAG焊接规范及其相对应的焊接接头的拉伸性能列于表3。

表3　SS400脉冲MAG焊接规范及接头拉伸

试验结果(全部断在母材)

Table3　PulseMAGweldingparametersandmechanicaltestresultsoftheweldedjoints

(allrupturedatbasemetal)

JointnumberI

U

v

t5

-1

σb

/MPa480480485

σS

/MPa360350355

δ5

(%)242826

/A/V828

/( s6.56.5

7

510

因超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶

的,不能通过热处理手段来恢复,所以焊后HAZ会出现软化,尤其当高热输入时,就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其它因素控制的,如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。三种规范下的SS400接头拉伸均断在母材,说明至少当t8/5<10s时,SS400钢接头中的HAZ不存在软化问题。从接头的硬度分布(图2)也可看出SS400钢5号接头的热影响区不存在软化问题,这一点与焊接热模拟试验结果一致。

图2　5号接头中部的硬度分布

Fig.2　HardnessdistributionoverjointNo.5

在焊接热影响区的粗晶区晶粒长大严重,如图3

所示。其组织以贝氏体为主,沿原奥氏体晶界,有较多的侧板条铁素体,这样的组织韧性水平往往较低。

为评估热影响区的韧性水平,从焊接试板上取样进行V型缺口冲击试验,试样尺寸为2.5mm×10mm×55mm,取样位置如图4所示,试验结果列于表4。

图1　400MPa级钢焊接热模拟试验结果

Fig.1　Weldingthermalsimulationtestresults

第6期田志凌,等:400MPa级超细晶粒钢的焊接　3

表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为试样的位置,其中Ⅱ为焊脚熔

合线,向焊缝侧移2mm为Ⅰ,向母材侧移2mm为Ⅲ,前面的数字5表示t8/5=5s,数字10表示t8/5=10s。单从冲击功试验结果来看,热影响区的数值与母材相比并无明显差距,但低温试验热影响区断口结晶状的比例高于母材。位置Ⅰ裂纹扩展前沿由焊缝+粗晶区+细晶区+母材组成,结晶状断口比例最高;位置Ⅱ由粗晶区+细晶区+母材组成,结晶状断口比例次高;位置III由细晶区+母材组成,结晶状断口比例与母材相同。这些结果显然与裂纹前沿粗晶区所占的比例有关,位置I的粗晶区所占的比例最高,结晶状断口比例也最高,位置Ⅲ粗晶区所占的比例为零,结晶状断口比例也与母材一样为零,。然而,由于焊接接头,,,韧性较差的粗,所以焊接接头,这

图4　取样示意图

Fig.4　I图3　接头粗晶区金相组织照片

Fig.3　Microstructureofthecoarsegrained

zone

。然而,由于试件尺寸很小,

2.5mm,试验的结论尚须通过断裂韧性试验进一步证实。

表4　脉冲MAG焊接接头热影响区冲击试验结果

Table4　Charpy2VimpacttestresultsoftheHAZ

SpecimenBM5-Ⅰ5-Ⅱ5-Ⅲ10-Ⅰ10-Ⅱ10-Ⅲ

aKV/(J cm-2)

Ratioofcrystallinefracture(%)

aKV/(J cm-2)

Ratioofcrystallinefracture(%)

aKV/(J cm-2)

Ratioofcrystallinefracture(%)

0℃-20℃-40℃-60°C

92

931059514310293

93

851059611410294

　　　0

4.5001.300

89

82979310610690

　　　0

26.36.803.700

88

607890788891

　　　0

3922.3030.214.70

4　结　　论

(1)超细晶粒钢焊接热影响区有严重的晶粒长

参考文献:

[1]　AkiraSato.Researchprojectoninnovativesteelsinjapan(STX-21

Project)[C],Proc.oftheInternationalConferenceUltraSteel2000,Tsukuba,Japan2000.1～10.

[2]　ShigaC.ProgressinweldingandjoininginSTX-21project[C].

Tsukuba,Japan,2000.159～173.

[3]　Won2PyoLee.Developmentofhighperformancestructuralsteelsfor

21st.centuryinkorea[C].Tsukuba,Japan,2000.179～186.

大倾向,长大程度随焊接热输入增长而迅速增长。

(2)虽然400MPa级超细晶粒钢焊接热影响区晶粒严重粗化,但不存在软化现象。

(3)焊接热影响区中有明显的脆性组织,但缺口冲击功上难以看出脆化现象。从结晶状断口比例来看,缺口前沿粗晶区组织越多,结晶状断口比例越大,这说明粗晶区的韧性低于母材,但这种局部脆性区对焊接接头的韧性有多大影响,尚须进一步研究证实。

田志凌,男,1961年3月20日出生,工学博士,教授作者简介:　

级高工。主要从事金属焊接性与焊接材料方面的研究、开发工作,发表论文30余篇。

Email:　tianzhl@

(编辑:王　亚)

2001,Vol.22,No.6　　　TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION　3

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MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS

Weldingof400MPaUltra2fineGrainSteels　　TIANZhi2ling(CentralIron&SteelResearchInstitute,Beijing100081,China),HEChang2hong,ZHANGXiao2mu,ZOUGang,QUZhao2xia.p1～3

Abstract:ThegraingrowthandmicrostructuretransformationintheHeat2affectedZone(HAZ)ofa400MPaultra2finegrainsteelwereRemarkablegraingrowthoccurred.Thegraingrowthistoweldingheatinput.Hardnessspec2imensandcrossweldoccurredintheHAZ.Allthecrossweldrupturedinthebasemetal.Themi2crostructureofthecoarse2grainedzoneismainlycomposedofbainiteandsideplateferrite.Charpy2Vimpactingtestonsub2sizespecimens,however,showedthatthenotchimpactvaluesoftheHAZareequivalenttothatofthebasemetal.Thisneedstobefurtherstudied.

Keywords:ultra2finegrainsteel;HAZ;graingrowth;microstructure

joint

guo,HUOLi2xing,ZHANGYu2feng.p7～10

Abstract:Itisrequiredthattheshouldhaveenoughdynam2icunderdynamicloading.Mtheicisexpensiveanddifficult,soitthefracturebehavioratdynamicloadingformaterialandaccessedusingstaticfracturetoughnessresult.Inthispaper,thefracturetoughnessforweldedjointwasmeasuredatdifferentloadingrates,andthefracturebehavioratdynamicloadingwaspredictedsuccessfullyfromstaticfracturetoughnessresultbasedonthelocalapproach.Thetempera2tureimprovinginthematerialitselfisconsideredduringthepredictionanaly2sis.Itisprovedthatthelocalapproachiseffectivetoanalysisthefracturebe2havioratdynamicloading.

Keywords:loadingrate;fracturetoughness;localapproach;welded

PropertiesofJointofSiCP/LD2AluminumMetalMatrixCompositesUsingContinuousWaveLaser　　ZHANGDe2ku(NationalKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnologyofHarbinInstituteofTechnolo2gy,Harbin150001,China),CHENYan2bin,NIUJi2tai,KONGLing2chao.p4

ImprovementofNi3AlWeldingPropertywithAdditionofWC　　SUOJin2ping(DepartmentofMaterialsSience&Engineering,HuazhongUniversityofScience&Tecnology,Wuhan430074,China),FENDDi,QIANXiao2liang,CUIKun.p11～14

Abstract:Ni3Alisacandidatematerialsforhightemperaturestructure

～6

Abstract:Inthispaper,continuouswaveCO2laserwasusedtojoinSiCP/LD2aluminummatrixcompositesandthefactorsdegradingtheproper2tiesofthejointwereanalyzed.Theresultsshowedthatforthiscomposites,thefactorsinfluencingonpropertiesofthejointarevarious,forexample,formationofthebrittlealuminumcarbide,porosityandincompletefusionforhighviscos2ityofmoltenpool,theexistenceofalveolategasporesandaluminumoxidefilm.Ofallthefactors,themostprimacyfactoraswellasthemostdifficulttoeliminateisformationofaluminumcarbide.Themeasuresofavoidingdefectsandimprovingthepropertiesofjointwereproposed.

Keywords:SiCP/LD2composites;laserbeamwelding;propertiesofjoint

materialsandwearresistantmaterials,butitsweldabilityisn’tgoodbecauseitcontainshighcontentAl.EffectofWCcontentinweldingrodsontheweldingpropertyofNi3Alwasinvestigatdinthispaper.TheweldingsurfaceofNi3AlcrackedbecausealotofAlwasoxidized.Whentherodscontained5%2wtWC,partialAlwasoxidized,andWCtransformedintoW2C,thematrixtrans2formedintoNi3(AlTi)Casaresultthatoxide2embraced2carbide/nickelalu2minidecompositesformed.WithWCcontentintherodsupto30%2wt,noAlwasoxidized,andcrack2freeweldingsurfacewasobtained.

Keywords:WCaddition;improvingweldingproperty;compositeweld2ingrod;intermetalliccompound

InfluenceofThermalCyclesontheCoatingCorrosionResistanceof

PredictionofFractureBehavioratDynamicLoadingforWeldedJoints

SprayedPorcelainPipe　　WANGYong(UniversityofPetroleum,Shan2dong257061,China),HANTao,ZHANGWen2yue.p15～17

JINGHong2yang(TianjinUniversity,Tianjin300072,China),LIUXiu2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eokm.html