氧化物粒子和Nb元素對大熱輸入焊縫金屬顯微組織及沖擊性能的影響

(1.南京鋼鐵集團有限公司研究院，南京 210035;2.武漢科技大學(xué) 高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430081)

氧化物粒子和Nb元素對大熱輸入焊縫金屬顯微組織及沖擊性能的影響

李麗1羅強2田浩1王紅鴻2吳開明2

(1.南京鋼鐵集團有限公司研究院，南京 210035;2.武漢科技大學(xué) 高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430081)

母材焊接時通過交互結(jié)晶及成分稀釋對焊縫金屬的組織和性能產(chǎn)生影響。研究了母材中氧化物粒子及Nb元素對大熱輸入焊接的焊縫金屬顯微組織及沖擊性能的影響。結(jié)果表明，氧化物粒子通過熔合線過渡到焊縫金屬中，促進了焊縫金屬中針狀鐵素體的形成。Nb元素細(xì)化了熔合線區(qū)域的晶粒，使以其為基底結(jié)晶的焊縫金屬的柱狀晶寬度減小。以上兩個因素使得含氧化粒子和Nb元素的母材相比較于無氧化物粒子和不含Nb元素的母材，形成的焊縫金屬韌性較高。因此，在選用焊接材料時一定要考慮母材的影響。

大熱輸入焊接焊縫金屬Nb微合金化顯微組織沖擊性能

0 序 言

大熱輸入焊接是高效率焊接方法，在船舶艦艇、海洋工程、石油、化工、橋梁、建筑、能源等行業(yè)中，正在成為現(xiàn)代建造提高效率的材料連接工藝。

在大熱輸入焊接中，隨著高溫停留時間的延長和冷卻速度的減慢，該工藝帶來焊縫金屬沖擊韌性下降的問題，其關(guān)鍵因素之一是焊縫金屬柱狀晶粗大。熔池凝固時以交互結(jié)晶方式凝固[1]，即以熔合線附近加熱到半熔化狀態(tài)的母材的晶粒表面作為現(xiàn)存的凝固基底。因而，母材將對焊縫金屬的組織產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在兩個方面：其一，熔合線的晶粒尺寸決定了焊縫金屬結(jié)晶晶粒的寬度，即柱狀晶的寬度；其二，母材中合金元素過渡到焊縫金屬中，將影響焊縫金屬的組織[2]。

文中研究母材中氧化物粒子及微合金化Nb元素對焊縫金屬的柱狀晶尺寸和組織及沖擊性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用3種12MnNiVR容器鋼，1號試樣添加氧化物粒子、Nb元素含量為0.001%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；2號試樣不添加氧化物粒子、Nb元素含量為0.001%；3號試樣不添加氧化物粒子，Nb元素含量為0.012%。3種鋼的編號及主要化學(xué)成分見表1，除1號添加氧化物粒子，以及Nb含量不同外，其它合金元素含量基本相同。經(jīng)調(diào)制(QT)工藝，3種試驗材料母材均為回火索氏體：鐵素體基體上有細(xì)小的碳化物分布，晶粒尺寸大致相近，具有相同的力學(xué)性能，具體數(shù)據(jù)見表2和表3。

表1 試驗材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊接接頭的制備

采用氣電立焊方法，不對稱雙V形坡口，坡口尺寸如圖1所示。大V邊的焊接熱輸入為135 kJ/cm，小V邊的焊接熱輸入為95 kJ/cm。藥芯焊絲牌號為DW-S60G，直徑為φ1.6 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能(例值)分別見表4和表5。

表2 試驗材料的拉伸性能

表3 試驗材料的夏比沖擊吸收能量(V形缺口，-20 ℃)

圖1 氣電立焊坡口形式

表4 熔敷金屬主要合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表5 熔敷金屬力學(xué)性能

1.3 焊縫金屬化學(xué)成分測量

采用光譜方法，使用光電直讀光譜儀ARL4460在焊縫金屬上下表面進行焊縫金屬的化學(xué)成分測量。

1.4 顯微組織分析

采用光學(xué)顯微鏡對熔合線及焊縫金屬進行組織觀察。取焊縫金屬截面進行分析，粗磨、精磨、拋光、腐蝕均按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行。

1.5 焊縫金屬沖擊性能測試

對焊縫金屬進行沖擊性能測試，試驗溫度為-20 ℃，沖擊缺口位置分別距離焊縫金屬上、下表面2 mm。上表面為135 kJ/cm的焊縫金屬，下表面為95 kJ/cm的焊縫金屬。

2 結(jié)果及討論

2.1 焊縫金屬的化學(xué)成分

表6為采用相同的焊接材料、相同的焊接工藝后熔敷金屬的化學(xué)成分，試樣編號與母材相同。添加氧化物粒子的1號試樣與正常冶金無Nb的2號試樣相比，其Si,Mn和Ti元素分別高出0.06%,0.2%和0.006%；其它元素，如Mo和Ni在測量誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為差別不大；Nb含量分別為0.003 9%和0.003 4%，也可認(rèn)為沒有差別。正常冶金無Nb的2號和含Nb的3號試樣相比，除了Nb含量分別為0.003 4%和0.005 8%以外，其它元素均可認(rèn)為是相等的。

表6 三種試驗材料的焊縫金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 焊縫金屬的沖擊吸收能量

表7為三種試驗材料的焊縫金屬沖擊吸收能量測試結(jié)果?？梢钥吹?，含有氧化物粒子的母材1號試樣與含Nb元素的母材3號試樣，二者的焊縫金屬均具有較高的沖擊吸收能量，無氧化物粒子、無Nb的母材2號試樣，焊縫金屬沖擊吸收能量最低。

表7 三種試驗材料焊縫金屬的沖擊吸收能量①

注：①接受標(biāo)準(zhǔn)為沖擊吸收能量： -20 ℃時平均值不小于47 J(最小值≥33 J)

2.3 熔合線及焊縫金屬顯微組織分析

2.3.11號(含氧化物粒子、無Nb)熔合線及焊縫金屬的組織分析

圖2為1號試樣焊接接頭熔合線及焊縫金屬的顯微組織?？梢钥吹?，熔合線及粗晶區(qū)的晶粒粗大，135 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸平均為116 μm；95 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸平均為80 μm，熔合線的組織為貝氏體+針狀鐵素體，針狀鐵素體含量約小于50%。焊縫金屬為明顯的柱狀晶，晶界為先共析鐵素體，晶內(nèi)為細(xì)小均勻的針狀鐵素體；其中135 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均為113 μm，95 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均為78 μm。

圖2 焊接接頭熔合線及焊縫金屬的顯微組織(1號試樣)

2.3.22號(無氧化物粒子、無Nb)熔合線及焊縫金屬組織分析

圖3為2號試樣焊接接頭熔合線及焊縫金屬的顯微組織?？梢钥吹剑鬅彷斎氲娜酆暇€晶粒粗大，組織為粒狀貝氏體和少量的針狀鐵素體，135 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸為114 μm；95 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸為78 μm。小熱輸入熔合線及粗晶區(qū)的針狀鐵素體含量增多，焊縫金屬為明顯的柱狀晶，晶界被魏氏鐵素體包圍，晶內(nèi)有部分針狀鐵素體。135 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均112 μm，95 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均為75 μm。

2.3.33號(無氧化物粒子、含Nb)熔合線及焊縫金屬組織分析

圖4為3號試樣焊接接頭熔合線及焊縫金屬的顯微組織?？梢钥吹?，相比較于無Nb、無氧化物粒子的HAZ組織，Nb的添加使熔合線及粗晶區(qū)的晶粒變小，135 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸為103 μm；95 kJ/cm熱輸入時熔合線的晶粒尺寸為70 μm。焊縫金屬為明顯的柱狀晶，晶界為先共析鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體。135 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均為100 μm，95 kJ/cm熱輸入時焊縫金屬柱狀晶寬度平均為68 μm。

圖4 焊接接頭熔合線及焊縫金屬的顯微組織(3號試樣)

2.3.4焊縫金屬柱狀晶粒尺寸及亞界尺寸分析

圖2～4的焊縫金屬顯微組織顯示，1號為細(xì)小均勻的針狀鐵素體，可能是由于氧化物粒子進入焊縫金屬中，起到了針狀鐵素體形核的作用，因而1號焊縫金屬中細(xì)小均勻的針狀鐵素體使焊縫金屬保持了一定的沖擊韌性；2號晶界被魏氏鐵素體所包圍、晶內(nèi)為貝氏體為主，可能是由于合金元素Si,Mn較低所致；3號晶界為先共析鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體，雖然針狀鐵素體較1號粗大，但整個焊縫金屬柱狀晶寬度較小。焊縫金屬中含有一定數(shù)量的Nb元素，有利于細(xì)化焊縫金屬的柱狀晶寬度。從母材過渡到焊縫金屬中，含Nb3號試樣的熔合線晶粒小，引起焊縫金屬的柱狀晶寬度小，從而使其焊縫金屬的沖擊吸收能量提高。

3 結(jié) 論

(1)在母材中添加氧化物粒子，通過熔合線過渡到焊縫金屬中，成為針狀鐵素體形核的有利質(zhì)點，促進了焊縫金屬中細(xì)小均勻的針狀鐵素體的生成，從而使1號焊縫金屬的沖擊吸收能量高于不含氧化物粒子的2號試樣。

(2)母材金屬中Nb元素在焊接過程中，有效減小了熔合線的晶粒尺寸，從而減小了依附其結(jié)晶的焊縫金屬的柱狀晶寬度。柱狀晶的細(xì)化，使3號含Nb試樣的沖擊吸收能量高于2號不含Nb的試樣。

[1] 張文鉞，焊接冶金學(xué)[M]，北京. 機械工業(yè)出版社，2003.

[2] Sindo Kou. Welding Metallurgy[M]. John Wiley & Sons, Hoboken,USA,2003.

TG443

2017-05-31

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(50734004)

李 麗，1971年出生，高級工程師。主要從事高性能鋼的焊接工藝。

王紅鴻，1967年出生，博士，教授。主要從事焊接冶金理論研究與教學(xué)工作。