分享：铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响

韩丽梅,李 丽,田 猛,曲锦波 (江苏省(沙钢)钢铁研究院,张家港 215625) 

摘 要:采用控轧控冷工艺(TMCP)生产含铌(质量分数0.025%)和无铌两种 DH36级船板钢, 并进行150kJ·cm -1大热输入气电立焊,研究了焊接接头热影响区的组织与韧性。结果表明:铌元 素的添加可推迟铁素体和珠光体相变,促进粒状贝氏体和贝氏体铁素体生成,导致含铌钢热影响区 粗晶区中的晶界铁素体含量较少,粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量较多,细晶区中的铁素体和珠光 体析出缓慢。无铌钢焊接接头各区域的组织与韧性良好,-20℃冲击功单值均在102J以上,远高 于船级社规范要求;含铌钢焊接接头熔合线处-20 ℃冲击功出现单值低于24J的情况,不满足船 级社规范要求,其他区域-20 ℃冲击功单值均在143J以上。铌的添加对 DH36级船板钢大热输 入焊接接头的韧性不利。

 关键词:大热输入焊接;热影响区;M-A 岛;析出相;韧性 中图分类号:TG406 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0025-06

0 引 言

 随着经济一体化和全球化发展,世界范围内的 货运量增加,推动了货运船舶向大型化发展,使得船 舶用钢板的厚度也逐渐增大。在船舶制造过程中, 焊接工序约占整个造船周期的20%~30%,焊接成 本约占造船总成本的17% [1-2]。为提高船体焊接效 率、降低制造成本,大热输入焊接方法(热输入不低 于50kJ·cm -1),如气电立焊、电渣焊、焊剂铜衬垫 (FCB)埋弧自动单面焊、双丝埋弧焊等被引入到船 舶制造中。大热输入焊接工艺具有加热温度高、高 温停留时间长、冷却速率慢等特点,会延长原奥氏体 晶粒长大时间,扩大热影响区(HAZ)范围,使组织 25 韩丽梅,等:铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响 发生粗化并恶化热影响区的低温韧性。其中,热影 响区粗晶区因晶粒最为粗大,产生的脆化最为明显, 是大热输入焊接件的薄弱区[3]。 国内外学者经大量研究发现,氧化物冶金或微合 金化技术能够改善热影响区的低温韧性[4-6],通过添 加钛、钒、铌等微合金元素,利用这些元素在钢中生成 的氧化夹杂物和细小第二相来钉扎原奥氏体晶界,抑 制奥氏体晶粒的长大,从而细化晶粒,并促进有益组 织(晶内针状铁素体)的形成。例如,TiOx、TiN、VN 可作为非均匀形核质点诱导晶内铁素体形核,细化晶 粒[7] ;V(C,N)、Nb(C,N)第二相粒子可沉淀于晶界, 钉扎奥氏体晶界,阻止奥氏体晶粒长大[8]。铌、钛作 为强碳、氮化物形成元素,对于提高钢板强度、改善钢 板低温韧性十分有效;高强船板钢中一般添加质量分 数在0.01%~0.05%的铌元素和0.01%~0.02%钛元 素,以提高其强韧性和焊接性[9]。 有关铌元素对钢焊后热影响区韧性的影响目前 存在一定争议:高胄[10]认为,在小热输入焊接条件 下,热影响区粗晶区的韧性总体随着铌含量的增加 而提高,而大热输入焊接条件下,铌的增加对粗晶区 韧性改善无明显影响;张英乔等[11]研究表明,铌的 添加对大热输入焊接条件下钢的粗晶区韧性存在不 利影响。因此,作者采用控轧控冷工艺(TMCP)生 产含铌和无铌两种 DH36级船板钢,并进行热输入 量为150kJ·cm -1的大热输入气电立焊,研究了铌 元素对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的 影响,为低成本大热输入焊接船板钢的开发提供参 考。

 1 试样制备与试验方法

 母材为在常规 DH36船板钢成分的基础上,添 加少量铌、钛元素制备的含铌和无铌两种船板钢。 两种钢的化学成分见表1,均采用低碳成分设计,除 铌元素外,其他元素含量相同。采用 TMCP工艺生 产钢板,板厚为30 mm,两种钢板的轧制态组织均 由细小铁素体和珠光体组成,拉伸性能和-20 ℃冲 击韧性良好,如表2所示。焊接材料为日本神钢生产 的直径为1.6mm 的 DW-S1LG气电立焊专用焊丝。 表1 两种船板钢的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoftwoshipbuilding steels massfraction % 钢种 C Mn Si P S Cr Nb Ti 含铌钢 无铌钢 0.07 0.07 1.40 1.40 0.18 0.18 <0.016 <0.016 <0.016 <0.016 0.15 0.15 0.025 - 0.015 0.015 表2 两种船板钢的力学性能 Table2 Mechanicalpropertiesoftwoshipbuildingsteels 钢种 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 断后伸长 率/% -20 ℃冲击功/J 测试值 平均值 含铌钢 443 505 28 366,353,356 358 无铌钢 407 495 27 355,343,354 351 在船板钢上截取尺寸为800 mm×300 mm× 30mm 的试样,采用对接接头形式,开单边 V 型坡 口。采用 YS-EGW-D-II型双丝气电立焊机进行焊 前无预热、焊后无热处理的气电立焊,焊接热输入为 150kJ·cm -1,焊接电流为400A,焊接电压为39V, 保护气 体 为 CO2,保 护 气 体 流 量 为 25~30 L· min -1,焊接速度为6.1mm·min -1。 使用 OMNISCAN MX2型超声波相控阵探伤 仪对焊接接头进行无损探伤,检测是否存在内部缺 陷。将焊接接头横向剖开制取金相试样,经机械研 磨抛光,体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后,使用蔡 司Image-A1m 型光学显微镜(OM)和SIGMA 型场 发射扫描电镜(SEM)观察距熔合线(FL)1,2,3,5, 9mm 热影响区处(分别记为 FL+1,FL+2,FL+3, FL+5,FL+9位置)的显微组织,使用 SEM 附带的 能谱仪(EDS)进行微区成分分析。将焊接接头横向 剖开,经体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后,在焊缝 (WM)、熔合线以及 FL+1,FL+2,FL+3,FL+5, FL+7位置刻画出 V 型缺口位置,再将其加工成 尺寸为10mm×10mm×55mm 的 V 型缺口冲击 试样。在IMP450-J型 摆 锤 冲 击 试 验 机 上 进 行 冲 击试验,试验温度为-20 ℃,使用 SEM 观察冲击 断口形貌。

 2 试验结果与讨论 

2.1 接头宏观形貌 

两种船板钢焊接接头经目视检测焊缝成形良 好,经无损探伤检测无焊接缺陷。距熔池中心不同 距离处的热影响区(HAZ)经历的焊接热循环不同, 产生的固态相变不同,具有的组织与性能不同。根 据焊接热循环状态,可将热影响区分为热影响区粗 晶区(CGHAZ)、热影响区细晶区(FGHAZ)和热影 响区临界区(ICHAZ)3 个区域。含铌钢焊接接头 CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ 的 宽 度 分 别 约 为 1,6, 4mm,无铌钢焊接接头的则分别约为1,7,3 mm, 两种钢焊接接头热影响区的3个区域宽度无明显差 别,如图1所示。 26 韩丽梅,等:铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响 图1 两种船板钢焊接接头的横截面宏观形貌 Fig 1 Cross-sectionmacromorphologyofweldedjointsoftwoshipbuildingsteels a Nb-bearingsteeland b Nb-freesteel 图2 含铌钢焊接接头 HAZ不同位置的显微组织 Fig 2 MicrostructuresindifferentlocationsofHAZofweldedjointofNb-bearingsteel a nearFL b FL+1location c FL+2location d FL+3location e FL+5locationand f FL+9location 

2.2 热影响区显微组织

 图2和图3中临近 FL 位置给出的是 CGHAZ 的整体形貌;FL+1位置表示距熔合线1mm 位置, 以此类推。由图2和图3可以看出:两种钢焊接接 头 CGHAZ的最大宽度均约为1mm,FL至 FL+1 位置 处 的 晶 粒 较 为 粗 大,属 于 CGHAZ;两 种 钢 CGHAZ的显微组织均主要由晶界铁素体、粒状贝 氏体和贝氏体铁素体组成,但含铌钢 CGHAZ中的 晶界铁素体含量较少,粒状贝氏体和贝氏体铁素体 含量较多。FL+2,FL+3,FL+5位置的晶粒较为 细小,这些区域属于 FGHAZ;随着距熔合线距离的 增大,FGHAZ组织变得细小、均匀,相组成也发生 明显变化。在含铌钢焊接接头 FGHAZ 中,FL+2 位置的显微组织含有较多的粒状贝氏体和贝氏体铁 素体,以及较少的铁素体;FL+3处粒状贝氏体和贝 氏体铁素体几乎全部消失,组织转变成铁素体和珠 光体,但珠光体含量极少;FL+5处则为均匀细小的 铁素体和珠光体组织。在无铌钢焊接接头 FGHAZ 中,FL+2处的显微组织主要由铁素体和珠光体组 成,只含有少量的粒状贝氏体和贝氏体铁素体,FL +3和 FL+5处的组织结构与含铌钢相同。两种钢 FL+9处的晶粒大小都不均匀,晶粒取向沿轧制方 向,该区域属于ICHAZ,其显微组织由粗大的铁素 体和细小的珠光体组成。 与无铌钢相比,含铌钢焊接接头 CGHAZ组织 中的晶界铁素体含量较少,粒状贝氏体和贝氏体铁 素体含量较多,铁素体和珠光体转变推迟。这是由 于 铌元素会阻碍碳原子扩散,降低铁素体和珠光体 27 韩丽梅,等:铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响 图3 无铌钢焊接接头 HAZ不同位置的显微组织 Fig 3 MicrostructuresindifferentlocationsofHAZofweldedjointofNb-freesteel a nearFL b FL+1location c FL+2location d FL+3location e FL+5locationand f FL+9location 图4 两种船板钢焊接接头 HAZ中 M-A岛的典型微观形貌 Fig 4 TypicalmicromorphologyofM-AconstituentsinHAZofweldedjointsoftwoshipbuildingsteels a massiveshape atlow magnification b massiveshape athighmagnification c stripshape atlowmagnificationand d stripshape athighmagnification 的转变温度,抑制这两相的生成。同时,固溶在钢中 的铌元素易在原奥氏体晶界上富集,对铁素体相变 的界面运动起到较强的钉扎拖拽作用,从而阻止铁 素体相变,抑制晶界铁素体生成。铌元素虽然对贝 氏体转变温度区间几乎没有影响,但会扩大贝氏体 转变的冷却速率范围,增大各冷却速率下亚稳奥氏 体发生贝氏体转变的倾向,从而促进粒状贝氏体和 贝氏体铁素体的生成。 用SEM 观察两种钢焊接接头 HAZ组织时,均 发现存在马氏体-奥氏体(M-A)岛。M-A 岛或呈块 状分布在粒状贝氏体组织上,或呈长条状分布在贝 氏体铁素体板条间,如图4所示。块状 M-A 岛和长 条状 M-A 岛的微观结构并非典型的结构形态,两者 均发生了不同程度的分解,分解为由铁素体和渗碳 28 韩丽梅,等:铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响 体组成的伪珠光体。长条状 M-A 岛的分解程度大 于块状 M-A 岛 的,这 与 MASTUDA 等[12]在 研 究 HSLA 钢热影响区组织时观察到的现象相同。 HAZ中的析出相与钢中钛、铌与碳、氮元素之间 的亲和力以及各元素含量和析出相形成温度有关。 含铌钢焊接接头 HAZ中析出了(Ti,Nb)(C,N)第 二相 粒 子,而 无 铌 钢 焊 接 接 头 HAZ 中 析 出 了 Ti(C,N)第二相粒子,如图5所示。(Ti,Nb)(C,N) 和 Ti(C,N)第二相粒子 的 形 态 均 为 方 形,尺 寸 在 50~200nm 之间,弥散分布在原奥氏体晶界和亚 晶界附近及晶粒内部,具有较好的高温稳定性,可 起到细化晶粒的作用。 图5 两种船板钢焊接接头 HAZ中析出相的SEM 形貌和 EDS谱 Fig 5 SEM morphology a c andEDSpatterns b d ofprecipitatesinHAZofweldedjointsoftwoshipbuildingsteels a-b Nb-bearingsteeland c-d Nb-freesteel 

2.3 接头低温韧性 

图6 两种船板钢焊接接头不同位置的-20 ℃冲击功 Fig.6 Impactenergyat-20 ℃ atdifferentspotsinHAZof weldedjointsoftwoshipbuildingsteels 由图6可知:无铌钢焊接接头不同位置均具有良 好的低温冲击韧性,-20℃冲击功单值均在102J以 上,远高于船级社规范对 DH36级钢板焊接接头的冲 击韧性要求(平均值不低于34J,单值不低于24J); 含铌钢焊接接头除了 FL位置,其他位置的低温韧性 均良好,-20℃冲击功单值均在143J以上,而FL位 置的低温韧性显著降低,-20 ℃冲击功出现单值低 于24J的情况,无法满足船级社规范要求。 在焊接接头 FL处开 V 型缺口时,V 型缺口有 一半位于紧邻 FL 的 CGHAZ;而 CGHAZ 由于所 受热循环峰值温度高,组织易脆化,导致韧性恶化。 与无铌钢相比,含铌钢焊接接头 FL 位置出现韧性 恶化现象是因为该位置组织中晶界铁素体含量减 少、粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量增多,相应的粒 状贝氏体和贝氏体铁素体组织中的块状和长条状 M-A 岛含量增多。典型块状 M-A 岛的硬度一般在 800~1200HV,长条状的在600~800HV [13] ;铁素 体基体的硬度约为200HV:M-A 岛与铁素体基体之 间的强度不匹配。当施加载荷时,位错会在 M-A 岛 附近堆积而产生应力集中,导致 M-A 岛与基体界面 处形成微空洞和微裂纹,成为局部脆性区;M-A 岛 因硬度较高、塑性变形能力较弱而在裂纹扩展后期 断开,引发准解理断裂,从而降低组织韧性。两种钢 接头中的 M-A 岛均发生了分解,分解后的 M-A 岛 虽然硬度有所降低,与基体之间的强度不匹配性减 29 韩丽梅,等:铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响 弱,但是位于晶界处的 M-A 岛分解形成的颗粒状或 小短片状渗碳体一般会无序、松散地偏聚在晶界和亚 晶界处,弱化了晶界,降低了起裂所需的临界应力,极 易引发脆性裂纹的萌生与扩展,对韧性不利。 两种钢焊接接头 FL位置的冲击断口形貌呈扇 形花样,为典型的准解理断裂形貌特征,属于脆性断 裂,如图7所示。与无铌钢相比,含铌钢 FL位置冲 击断口的扇形花样较大,撕裂脊线较少,扩展面较为 平整。扇形花样是由于裂纹扩展遇到大角度晶界时 不能通过,在晶界处产生新的裂纹并向外扩展而形 成的;扇形花样越小,撕裂脊线越多,裂纹扩展所需 要的能量越高,韧性越好。因此,无铌钢 FL位置的 韧性优于含铌钢 FL位置的。 图7 两种钢焊接接头FL位置冲击断口形貌 Fig 7 ImpactfracturemorphologyatFLspotofweldedjointsof twoshipbuildingsteels a Nb-bearingsteeland b Nb-freesteel 

3 结 论

 (1)未添加铌和添加质量分数0.025%铌制备 的无铌钢和含铌钢在热输入为150kJ·cm -1条件下 焊接后,CGHAZ组织均由晶界铁素体、粒状贝氏体 和贝氏体铁素体组成,粒状贝氏体和贝氏体铁素体 中均存在块状和板条状 M-A 岛,但与无铌钢相比, 含铌钢 CGHAZ中的晶界铁素体含量减少,粒状贝 氏体和贝氏体铁素体含量增多;随着距熔合线距离 的增加,两种钢接头 HAZ 组织均逐渐转变为铁素 体和珠光体;此外,两种钢焊接接头 HAZ中均存在 第二相 粒 子,含 铌 钢 热 影 响 区 的 第 二 相 粒 子 为 (Ti,Nb)(C,N),无铌钢中的为 Ti(C,N)。 (2)无铌钢焊接接头焊缝、熔合线处和距熔合 线不同距离 HAZ 位置的-20 ℃冲击功单值均在 102J以上,远高于船级社规范对 DH36级钢板焊接 接头的冲击韧性要求;含铌钢焊接接头除了熔合线 处-20℃冲击功出现单值低于24J的情况,无法满 足船级社规范要求外,其他位置的-20 ℃冲击功单 值均在143J以上。铌的添加对 DH36级船板钢大 热输入焊接接头韧性不利,这与铌元素会推迟铁素 体和珠光体转变,促进粒状贝氏体和贝氏体铁素体 生成有关。 

来源：材料与测试网