低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q390ME 焊接接頭組織性能研究

李 娜 趙良生 石 杰 姜 爍

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具有良好的力學(xué)性能和使用性能，能夠滿足構(gòu)筑物向高層、大型、大跨度的發(fā)展。近幾年，隨著微合金化技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的進(jìn)展，先進(jìn)的TMCP 生產(chǎn)工藝成為開發(fā)高強(qiáng)度、良好低溫韌性及易焊接等高性能結(jié)構(gòu)鋼的主要技術(shù)，各個鋼廠趨向于采用低碳Nb 微合金化成分體系生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼板，助力產(chǎn)品升級的同時，提升了企業(yè)競爭力。

Q390 級別低合金高強(qiáng)度鋼焊接時受焊接熱循環(huán)熱的影響，熱影響區(qū)晶粒粗化，易造成焊接接頭的局部韌性惡化，強(qiáng)韌性會低于焊縫與母材，成為焊接接頭的薄弱區(qū)。為了掌握TMCP 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q390ME 的基本焊接特性，制定合理的焊接工藝，安陽鋼鐵從焊接熱影響區(qū)組織性能、焊接接頭綜合力學(xué)性能評定等內(nèi)容進(jìn)行試驗研究，采用焊接熱模擬獲得易焊接的線能量范圍，并采用實(shí)際焊接評估材料焊接接頭的組織和性能，從而較全面的研究了Q390ME 的焊接接頭組織與性能變化規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼成分及性能

試驗用母材為安鋼3 500 mm 爐卷機(jī)組生產(chǎn)的35 mm Q390M。工藝路線：150 t 轉(zhuǎn)爐—LF 爐-VD爐—1#寬板坯連鑄機(jī)—3 500 mm 爐卷機(jī)組。

綜合考慮各個成分的作用機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況條件及成本要求，采用低碳+Nb 成分體系，并進(jìn)行微Ti 處理，可顯著降低鋼的碳當(dāng)量（Ceq）及焊接裂紋敏感指數(shù)（Pcm ）[2]，獲得高強(qiáng)高韌性能的鋼板，有效改善鋼板的焊接使用性能。具體化學(xué)成分見表1。

表1 Q390ME 化學(xué)成分

軋制工藝采用先進(jìn)的TMCP 技術(shù)，即控制軋制與控制冷卻相結(jié)合。鋼板經(jīng)過第一階段軋制（再結(jié)晶區(qū)軋制）后，在第二階段（未再結(jié)晶區(qū)軋制）820～890 ℃進(jìn)行軋制，二階段累計壓下率≥50%，終軋溫度控制在760～830 ℃,終冷溫度控制在480～550 ℃。鋼板的綜合力學(xué)性能見表2。

表2 Q390ME 力學(xué)性能

1.2 試驗方法

焊接熱模擬試驗在安鋼Gleeble 3800 熱力模擬試驗機(jī)上進(jìn)行。影響HAZ 組織與性能的主要因素是焊接熱輸入量（線能量），試驗中可通過優(yōu)化焊接熱輸入量（E）來達(dá)到改善 HAZ 組織與性能的目的。本次試驗采用QuickSim2 編程控制軟件中的焊接熱模擬程序，選定焊接模型后通過設(shè)定不同峰值溫度來模擬不同的焊接熱影響區(qū)域，通過不同的焊接熱輸入量對試樣進(jìn)行模擬試驗，以不同的熱輸入量加熱至峰值溫度后，停留1 s，再以不同的t8/5冷卻速度進(jìn)行冷卻，模擬實(shí)際焊接過程中的回火區(qū)、不完全相變區(qū)、正火區(qū)及淬火區(qū)[1]。試樣尺寸為11 mm×11 mm×55 mm 的方棒。具體焊接熱模擬方案如圖1 所示。

圖1 焊接熱模擬方案

2 焊接熱影響區(qū)試驗及結(jié)果分析

2.1 金相組織

2.1.1 焊接熱輸入峰值對組織的影響

以焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 的速度加熱到700 ℃、800 ℃、950 ℃、1 350 ℃，再以不同的T5/8冷卻后，對焊接熱模試樣進(jìn)行切割、預(yù)磨、拋光，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，通過Axiovert 200MAT 金相顯微鏡觀察其顯微組織，金相組織如圖3 所示。

從圖2 可以看出，焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 時，峰值溫度為1 350 ℃的過熱區(qū)組織為板條貝氏體和粒狀貝氏體，峰值溫度為950 ℃的正火區(qū)的組織為晶粒細(xì)小的鐵素體；峰值溫度為800 ℃的不完全相變區(qū)的組織部分發(fā)生相變，組織為粗大的粒貝與少量原始組織的混合組織；峰值溫度為700 ℃的回火區(qū)的組織為針狀形鐵素體和少量粒貝混合物。

圖2 金相組織（500×）

2.1.2 焊接熱輸入量對粗晶區(qū)組織的影響

加熱過程中，分別以10 kJ/cm、15 kJ/cm、20 kJ/cm、30 kJ/cm、40 kJ/cm 焊接熱輸入量將試樣加熱至1 350 ℃，停留1s，以不同的T5/8進(jìn)行冷卻，對焊接熱模試樣進(jìn)行切割、預(yù)磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，通過Axiovert 200MAT 金相顯微鏡觀察不同熱輸入量下粗晶熱影響區(qū)的顯微組織如圖3 所示。

從圖3 可以看出，焊接熱輸入量為10 kJ/cm 淬火粗晶區(qū)的組織以細(xì)密的板條馬氏體為主，隨著焊接熱輸入量的增大，粗晶熱影響區(qū)的冷卻速率降低，原始奧氏體與貝氏體團(tuán)逐漸增大，組織演變?yōu)楹邪鍡l貝氏體和粒狀貝氏體的不同程度的混合組織。當(dāng)焊接熱輸入量為40 kJ/cm 時，組織以粒狀貝氏體為主。

圖3 不同線能量下粗晶熱影響區(qū)的顯微組織

2.2 沖擊試驗

11 mm×11 mm×55 mm 的Q390ME 試樣嚴(yán)格按照焊接熱模擬方案進(jìn)行焊接模擬試驗后，按照GB/T 2975、GB/T 229 加工成10 mm×10 mm×55 mm的“V”型試樣，在金屬擺錘沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行夏比沖擊試驗。Q390ME 的不同焊接熱輸入量的回火區(qū)、不完全相變區(qū)、正火區(qū)和淬火區(qū)的韌性性能見表3 和圖4。

表3 不同溫度焊接熱模擬Q390ME -40 ℃沖擊功值

圖4 Q390M -40 ℃沖擊功變化趨勢

從圖4 可以看出，在不同的焊接熱輸入量下，對應(yīng)峰值溫度在950 ℃的正火區(qū)和對應(yīng)峰值溫度在700 ℃的不完全相變區(qū)，Q390ME 鋼-40℃低溫沖擊韌性整體保持在較高水平，不同焊接冷卻速度對正火區(qū)的影響不大。綜合來看，當(dāng)焊接熱輸入量E=18～25 kJ/cm 時，整個熱影響區(qū)的-40 ℃低溫韌性情況較好。這與組織是完全對應(yīng)的。

2.3 焊接熱模擬硬度試驗

采用HV10 硬度計對焊接熱模擬試樣的硬度進(jìn)行測量，不同熱輸入量下不同熱影響區(qū)的顯微硬度值如圖5 所示。

圖5 不同焊接熱輸入量對應(yīng)的硬度曲線

從圖5 可以看出，峰值為1 350 ℃的粗晶區(qū)的硬度值最大，隨熱輸入量的增加顯微硬度逐漸降低，焊接熱輸入量從10 kJ/cm 增加到40 kJ/cm，顯微硬度由310 HV 下降到了210 HV。這說明在所有焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度均可達(dá)到Q390ME 的強(qiáng)度要求，并且淬硬性低，具有良好的焊接性能。

2.4 討論

隨著焊接熱輸入量的增加，原始奧氏體與貝氏體團(tuán)逐漸發(fā)生粗化。這是因為熱輸入量增加后，使粗晶區(qū)的冷卻速率變小，原始奧氏體晶粒在高溫時的停留時間相對延長，晶粒尺寸增大后，減少了單位體積內(nèi)的晶界面積，減少的晶界降低了過冷奧氏體的相變速率，造成貝氏體團(tuán)的尺寸增大。晶粒越粗大，板條越稀疏，短桿狀組織含量越高，淬火粗晶熱影響區(qū)硬度下降的越明顯。一般認(rèn)為馬氏體的顯微硬度大于貝氏體，且馬氏體的顯微硬度至少在 300 HV 以上[3]。綜合來看，當(dāng)焊接熱輸入量E=15～25 kJ/cm 時，整個熱影響區(qū)的-40 ℃低溫韌性較好，同時鋼的硬度均可滿足Q390ME 的強(qiáng)度要求，且淬硬性低。這一焊接熱輸入?yún)^(qū)間可實(shí)現(xiàn)Q390ME 焊接并可獲得良好的焊接接頭性能。

3 Q390M 鋼焊接接頭綜合力學(xué)性能評定

焊接試樣尺寸為35 mm×150 mm×200 mm，機(jī)加工成30°V 型坡口，采用手動CO2氬氣保護(hù)焊對試樣進(jìn)行對焊。焊絲采用GHS-50 焊絲，直徑Φ1.2 mm，焊接熱輸入量為20 kJ/cm。按GB/T 2970—2016《厚鋼板超聲檢測方法》對焊接后的Q390ME 試樣進(jìn)行探傷，探傷合格。焊接接頭綜合力學(xué)性能見表4，焊接接頭的沖擊性能、硬度分布情況、金相組織如圖6～圖8 所示。

表4 焊接接頭綜合力學(xué)性能拉伸及側(cè)彎性能

圖6 焊接接頭的沖擊性能

圖7 焊接接頭硬度分布情況

35mmQ390ME 焊接接頭強(qiáng)度略有下降，但均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接熱影響區(qū)的-40 ℃沖擊功均保持在200 J 以上，焊縫和母材硬度相差不大，硬度范圍在155～199 HV 之間，粗晶區(qū)顯微硬度高于母材。

4 結(jié)論

（1）對Q390M 進(jìn)行焊接熱模擬試驗，發(fā)現(xiàn)：焊接熱輸入量對正火區(qū)的低溫韌性影響不大，正火區(qū)的低溫韌性均保持在較高水平；回火區(qū)、不完全相變區(qū)、淬火區(qū)在熱輸入量15～25 kJ/cm 時，低溫韌性表現(xiàn)良好。

（2）焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 時，淬火粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體板條貝氏體和粒狀貝氏體，正火區(qū)的組織為晶粒細(xì)小的鐵素體，不完全相變區(qū)的組織部分發(fā)生相變，回火區(qū)的組織為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體。隨著焊接熱輸入量的增大，淬火粗晶區(qū)組織的馬氏體逐漸減少，板條貝氏體、粒狀貝氏逐漸增多。

（3）Q390M 焊接接頭熱影響組織為板條狀貝氏體、粒狀貝氏體、針狀鐵素體，組織細(xì)小均勻，熱影響區(qū)綜合性能良好，淬硬傾向小。焊接后接頭的強(qiáng)度略有降低，沖擊功與強(qiáng)度等各項指標(biāo)均能滿足較好的E 級鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。