Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计

Q890钢焊接性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及焊接工艺 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 编号 毕业设计(论文) 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目 二级学院 专 业 班 级 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 重庆理工大学毕业论文 目录 目 录 摘 要 .................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 1 论 ............................................................................................................................... 1 绪 1.1前言 .......................................................................................................................... 1 1.2 低合金高强钢的概述 ............................................................................................. 1 1.3 低合金高强钢的发展 ............................................................................................. 2 1. 4低合金高强钢的焊接研究现状 ............................................................................. 3 1.4.1 焊接特点 ....................................................................................................... 3 1.4.2 接头的组织性能研究 ................................................................................... 4 1.4.3 焊接工艺 ....................................................................................................... 5 1.4.4 焊缝强度匹配 ............................................................................................... 6 1.5课题的研究意义、内容及技术路线 ...................................................................... 7 7 1.5.1本课题的研究意义 ........................................................................................ 1.5.2课题的研究内容及技术路线 ........................................................................ 8 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 ......................................................................... 10 2.1 试验材料 ............................................................................................................... 10 2.2 焊接理论分析 ....................................................................................................... 10 2.2.1焊接冷裂纹敏感性 ...................................................................................... 11 2.2.2热裂纹敏感性 .............................................................................................. 12 2.2.3再热裂纹敏感性 .......................................................................................... 12 2.3 Q890钢的焊接工艺设计 ................................................................................... 13 2.3.1 焊接方法的选择 ......................................................................................... 13 2.3.2 焊接材料的选择 ......................................................................................... 14 2.3.3 坡口形式的选择 ......................................................................................... 14 2.3.4 预热和层间温度 ......................................................................................... 15 2.3.5 焊接热输入量 ............................................................................................. 16 重庆理工大学毕业论文 目录 2.3.6后热温度的确定 .......................................................................................... 16 3 热输入对Q890钢焊接接头组织及性能影响分析 .................................................... 18 3.1 试验方法 ............................................................................................................... 18 3.1.1金相组织观察 .............................................................................................. 18 3.1.2扫描电镜实验 .............................................................................................. 19 3.1.3焊缝纵向拉伸实验 ...................................................................................... 19 3.1.4冲击试验 ...................................................................................................... 20 3.1.5显微硬度测试 .............................................................................................. 20 3.2实验结果分析 ........................................................................................................ 21 3.2.1接头宏观金相分析 ...................................................................................... 21 3.2.2接头显微组织分析 ...................................................................................... 24 3.2.3焊缝纵向拉伸实验 ...................................................................................... 35 3.2.4低温冲击试验及断口形貌分析 .................................................................. 36 3.2.5接头硬度分析 .............................................................................................. 43 4 结 论 ............................................................................................................................. 47 致 谢 ............................................................................................................................... 48 参考文献 ............................................................................................................................. 49 文献综述 ............................................................................................................................. 52 重庆理工大学毕业论文 摘要 摘 要 本文对Q890钢进行了热输入分别为9kJ/cm、12kJ/cm、15kJ/cm的熔化极气体保护焊焊接。采用金相组织观察，显微硬度测试、扫描电镜、冲击、拉伸性能测试等分析方法对不同热输入条件下的接头组织、性能等进行了综合的对比及研究。 实验结果表明，Q890钢采用熔化极气体保护焊，在合理的焊接规范下能得到综合性能良好、组织稳定的焊接接头。不同热输入焊接条件下，焊缝中组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及马氏体的混合组织。随着热输入的增加，末道焊缝柱状晶平均宽度增加，针状铁素体的数量增加，粒状贝氏体随之减少，马氏体组织逐渐消失;同时焊接热影响区各区的组织主要为马氏体组织。随着热输入的增加，粗晶区原奥氏体晶粒增大。力学性能试验结果表明，随着热输入的增大，焊接接头的抗拉强度逐渐降低;反之焊缝与热影响区的冲击韧性逐渐升高，不同热输入下焊接接头热影响区硬度高于母材和焊缝，且在熔合区偏焊缝侧出现硬度的谷值，而在熔合区偏母材侧出现硬度峰值。随着热输入的增加，焊缝区硬度随之增大。 关键词:Q890钢;热输入;组织;焊接性;韧性;强度 I 重庆理工大学毕业论文 abstract Abstract In this paper, the heat input such as 9kJ/cm, 12kJ/cm, 15kJ/cm were used for the Q890 steel welding, and MIG welding was the method for this welding. In order to accomplish this paper, I use light optical microscope, Vicker’s microhard-ness testing machine, electron microscope and universal testing machine to test the joints which is used different heat input and compared and analysed the results. The result show that, once the welding specifications is reasonable ,Q890 steel can be obtained a stability welded joints when using MIG welding. Even though heat input is different, the weld tissue is mainly composed of acicular ferrite, granular bainite and martensite, As the heat input increasing, the average columnar width of grain in end welds is increased, also the number of acicular ferrite is increased but granular bainite reduced, martensite gradually disappear. At the same time, organization of heat affected zone is mainly composed by martensite. As the heat input increases, the coarse grain zone prior austenite grain will increase. Mechanical test shows that with the increases of heat input, the tensile strength of welded joints is decreased; however the toughness of weld metal and heat affected zone is increased, The hardness of HAZ higher than the base metal and weld metal in welded joint no matter how heat input it is. And at the same time in weld fusion zone which is closed the weld metal appear the hardness valley appears, on the other hand in the weld fusion zone closed base metal. As the heat input increases, the hardness of the weld zone is increased. Keywords: Q890 steel; heat input; microstructure; Weldability; toughness; strength II 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 1 绪 论 1.1前言 低合金高强钢(简称HSLA钢)是一种可用于焊接的含碳量较低的工程结构用钢。目前我国一般如下定义低合金高强钢:钢中C、Mn、Si等主要的合金元素含量不超过5%，但是屈服强度一般在275MPa以上的钢种，其具有良好的焊接性、耐腐蚀性、 [1]耐磨性，通常以带、板、管等形式直接使用。随着科技的发展，各国工业贸易也在发生日新月异的增长。因此对于钢的强度、韧性以及焊接性都有了极高的要求。中国钢铁工业协会指出，我国早期时候的钢板多为碳素钢，所需要的高强度一般是通过提高碳的含量来达到目的，但是随着碳含量的提高，钢的焊接性也将会变得越来越差。随着社会的发展，人们对低合金高强钢的质量和性能提出更高的要求。因此，钢材只 [2]有向高强度和超高强度发展才能满足日益发展的机械、船舶、高压容器等工业需求。从上世纪90年代末以来，人们开始尝试使用低合金高强度钢，但是由于许多行业对于低合金高强钢钢板的尺寸要求越来越大、质量要求越来越严格。因此开发更高性能 [3]的低合金高强钢刻不容缓。 低合金高强钢的强化一般是通过固溶强化、细晶强化、位错强化与第二相强化实现。这些都要靠微量合金元素的加入。低合金高强钢的韧化是通过合理的热处理而得到优良的组织如贝氏体组织，或者得到细晶组织。保持钢种的洁净也可以提高低合金高强的韧性。 1.2 低合金高强钢的概述 含碳量低是低合金高强钢的主要特点(含碳量一般低于0.45%，)，此外其可焊性好，晶粒细小，屈服强度高。通常主要采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。低合金高强钢具有较高的屈强比，足够的塑性、韧性。这使得其成为近30年来发展较为迅速、生产量大、使用面广的钢类之一。在现代工业中，大多数的低合金高强钢是 [4--5]采用先进的冶炼工艺和热处理工艺进行生产。例如通过热控冷轧工艺来制造高要求的低合金高强钢，其过程就是在热轧过程中，即不仅需要对加热温度、轧制温度，以及轧制压力进行控制，而且还要在此基础上对冷却过程进行控制。热控冷轧工艺不仅可以降低能耗、使生产工序简单化，而且还可以使钢材的综合力学性能提高，使钢 1 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 的强度、韧性以及焊接性良好的组合，这是我们通常所说的单一的热处理工艺所不能 [6]达到的。 低合金高强钢可以分为非调质钢和经过淬火-回火的调质钢。一般非调质钢是指常温抗拉强度在600MPa以下的钢材，调质钢则为600MPa以上的钢材。根据屈服强度大小，大致可以将其分为三个等级: A级:抗拉强度为290—490Mpa。主要是热轧、控轧、正火钢，属于非热处理强化钢，应用非常广泛; B级:抗拉强度为490—980MPa。主要是低碳调质钢，属于热处理强化钢，它既有高的强度，又有较好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下焊接，焊后不需要调质处理。这类钢主要用于大型工程机械、压力容器及潜艇制造; C级:抗拉强度为880—1176MPa。主要是中碳调质钢，常用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。 由于调质、非调质钢在强度级别上存在差异，其焊接性、焊接工艺和焊接接头性能也有很大区别。 1.3 低合金高强钢的发展 在低合金高强钢的研究和发展领域中，我国起步较晚。上世纪中期，我国低合金高强度钢的生产基本是处于空白状态，钢板主要依赖于从国外进口。而同期，国外对于低合金高强钢的发展和应用已基本成熟。到了70到80年代，我国开始进行控制轧制的基础研究，对于钢材强度的提高，不再采用提高碳的含量来增加强度，而是向钢中添加Mn、Si、Ni、Mo、Cr、Al等合金元素，以此来提高钢的强度，并且达到改善焊接性和耐磨性等力学性能。目前，我国的许多低合金高强钢的生产基本上都是采用此种方法。而低合金高强钢的使用过程中一般都需要焊接，因此对低合金高强钢在焊 [4]接时所配套使用的焊接材料的研究已经成为当前的热点问题之一。 到了80年代，我国先后开发了HG70钢以及HG80钢。HG70钢和HG80钢由于其极高的抗拉强度，特别适合制造挖掘机铲斗、电动轮、自卸车车厢板等强度级别要求高的构件。随着时代的发展，研究和开发焊接性良好而且便于热处理的低合金高强钢，已经成为时代的要求。近年来，由于改进了生产工艺、完善了加工手段，我国对于强度级别高、机械性能优良钢材的生产技术己基本成熟。在钢材中增加碳和微量元 2 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 素的含量可以钢材的强度，但是按照这种方法，随着钢强度的提高，钢材的韧性与焊接性会变差。 在今后的十几年中，我国将重点开发强度级别能够达到800-1500MPa的新一代产品。这一类低合金高强的晶粒非常细小，焊接时将会面临许多严重问题，例如焊缝的强度、韧性差，以及热影响区的晶粒长大等缺陷。对于新一代低合金高强钢中存在的焊接问题，我们将从焊接特点、焊后组织性能和焊接工艺等多方面进行综合分析解决。 1. 4低合金高强钢的焊接研究现状 1.4.1 焊接特点 [7]在低合金高强钢的焊接过程中，碳当量是成分设计的主要限制性条件之一 。只有降低碳的含量，才能得到良好的焊接接头。同时由于钢中常常加入了多种合金元 [8]素，因此低合金高强钢的焊接性较差。其在焊接过程中常常会出现如下缺陷:?焊缝凝固裂纹，焊缝凝固裂纹属于热裂纹，一般出现在焊缝结晶后期，出现的原因是低溶共晶形成的液态薄膜减弱了组织晶粒间的联结，当遇到一定的拉应力时容易产生裂纹。?焊缝韧性降低，焊缝的金属成分是由焊材和母材共同决定，热输入较大时，焊缝组织为不平衡的铸态组织，焊缝易出现强度增加，而韧性下降的情况。?低合金高强钢在焊接过程中容易产生冷裂纹，延迟裂纹作为主要的冷裂纹，常常在热影响区的粗晶区中出现。产生延迟裂纹的条件是一定的含氢量、淬硬组织以及拘束应力。由于低合金高强钢在焊接过程易形成马氏体组织，也可致使冷裂纹的出现。?热影响区的软化，热影响区中凡是被加热且温度处于回火温度至Ac范围的区域，其碳化物会积1 聚长大而使钢材软化。?热影响区的脆化，热影响区的脆化主要是由于焊接时的过热使晶粒粗化在冷却后形成脆性组织。 [9]研究指出，当在低合金高强钢焊接接头的影响区中出现热淬硬的马氏体或马氏体，贝氏体，铁素体组织时，接头就会对氢致延迟裂纹敏感;当产生贝氏体或贝氏体，铁素体等非淬硬微观组织时，接头对氢致延迟裂纹不敏感。一般情况下，焊接冷裂纹的敏感性可以通过热影响区的最高硬度来粗略估计。对于常规的低合金高强钢，焊接热影响区最高硬度应该控制在350HV 以下，以防止氢致延迟裂纹的产生。还有学 [10]者研究指出，在接头熔合区容易发生热应变脆化，原因是在接头中的缺陷常出现于 3 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 熔合区，当在缺陷周围存在连续的热应变作用，则此区域就容易出现应变集中并产生对韧性不利的组织。热应变脆化的倾向就会不断的增大。但是如果向钢中加入 N 元 [11]素并对钢进行退火处理可以降低热应变脆化倾向。还有研究指出，对于大多数的低合金高强钢来说，层状撕裂的敏感性较较低，但是对于厚度方向承受载荷较大的结构，仍存在着层状撕裂的可能性 1.4.2 接头的组织性能研究 (1)焊缝的组织性能 焊缝金属一般是指在熔焊过程中，填充金属与熔化的母材金属在熔池中发生混合而成的混合金属组织。焊接接头焊缝组织的性能对构件性能起着至关重要的作用，低合金高强钢在焊接时候，焊缝的显微组织主要有:包含夹杂物的体心立方δ铁素体、在稍低温度时转变的面心立方奥氏体、粒状贝氏体、针状铁素体、马氏体、M一A组元等。 针状铁素体是现代高强钢焊缝最常见的一种组织。针状铁素体与贝氏体组织形成的区别在于前者是在奥氏体晶内的夹杂物上形核并向四周生长，而后者在奥氏体晶界 [12][13]上形核并向晶内生长。余圣甫、李志远等人通过研究指出，夹杂物在其附近引起的较大应变能是针状铁素体形核的一个重要因素。作为一种惰性介质表面，夹杂物对起针状铁素体的形核有十分重要的作用。关于针状铁素体的生长机制，有学者通过研究表明。在针状铁素体的长大过程中，常常伴随有浮凸效应和不变平面应变等特征。 [14]田志凌、田志凌等在不同的焊接热输入条件下，通过热膨胀法测出了焊缝组织中针状铁素体的相变开始温度以及相变终止温度，从而得到了针状铁素体的相变温度范围，其认为针状铁素体相变是典型的扩散型相变 [15]研究指出，在低合金高强钢的焊缝金属中，当焊缝金属的强度增大时，焊缝金属的组织转变为:铁素体、珠光体类型转变到粒状贝氏体类型转变，之后又为条状贝氏体和马氏体类型。此外，低合金高强钢焊缝金属中有时还存在M-A组元。所谓M-A组元，即焊缝金属在连续冷却的过程中，富碳的奥氏体分布在于块状铁素体基体上，之后发生转变而形成M-A组元。焊缝金属的强度与M-A组元的形貌以及数量有关，如果焊缝的强度在490MPa以下则一般不会出现M-A组元;当提高焊缝的强度和增加焊缝中的合金元素，则M-A组元开始出现，且经常呈块状或粒状分布;随着合金 4 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 元素含量的不断增加，M-A组元就会呈板条状。但是无论M-A组元是什么形态，只要它们不是连续的存在，对焊缝金属韧性影响都不大，若连续存在，就会明显的降低焊缝金属的冲击韧性。 (2)热影响区的组织性能研究 焊接热影响区(HAZ)是指靠近焊缝的没有熔化的母材金属在受到焊接热循环的作用，发生明显的组织以及性能变化的区域。对于给定的低合金高强钢，焊接热输入决定了热影响区的组织。在给定的焊接热输下，处于焊缝附近的母材将会被加热到一定的温度，温度的升高和降低将会导致组织发生转变。热影响区的显微组织大体有马氏体、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、珠光体、铁素体及M-A组元。在焊接热输入的作用下，热影响区的母材首先发生奥氏体化，若温度很高奥氏体晶粒尺寸就会长大，而奥氏体晶粒尺寸的大小对热影响区的性能以及之后的组织相变有至关重要的影响。因此，良好的焊接热影响区性能可以通过选择合理的焊接热输入进行调节。 热影响区组织、性能受到热影响区热循环速度以及热输入的影响。柴锋、杨才福 [16]等人通过研究指出，当冷却速度较大时，板条贝氏体是粗晶区的主要组织;当冷却速度较小时，板条状的贝氏体会明显的减少，与之相反粒状的贝氏体显著增加;而大 [17]尺寸的粒状贝氏体数量增多会导致接头塑性下降。常铁军、谢辅洲等人对10Ni5crMov钢的焊接热循环进行了模拟研究，结果表明:当使用不同的焊接热输入时，热影响区的组织和性能就会有较大的差别;对于10NiscrMov钢，在热输入为24kJ/cm时热影响区组织的性能最好，组织一般为马氏体+上贝氏体+粒状贝氏体。其次，热影响区组织的晶粒尺寸变化主要受到母材合金元素、焊接热输入以及母材原始晶粒尺寸大小的影响。高强钢热影响区晶粒尺寸的变化也可以采用热模拟方法进行研 [18]究。屈朝霞通过热模拟技术，指出在低合金高强钢焊接热影响区奥氏体晶粒随着焊接热输入的增加呈长大趋势。 1.4.3 焊接工艺 低合金高强钢的焊接可以使用常用的焊接方法，如手工电弧焊、埋弧自动焊、CO气体保护焊，也可使用高能束焊接，如高功率激光焊等。焊接方法的确定一般是2 依据母材的强度等级、使用性能、施工环境以及成本高低。通常，强度较低的焊接件可采用上述各种方法，但是对于大批量生产或这焊缝尺寸较大的焊接件，应当采用埋 5 重庆理工大学毕业论文 1 绪论 弧自动焊和CO焊;对中厚板和强度等级较高的焊接件应该采用CO气体保护焊。 22 CO气保护焊有能耗低、效率高、焊后焊接变形小、成本低、便于实现自动化等2 [19]许多优点，所以在低合金高强钢的焊接中有着广泛应用。王祖滨指出CO气体保2护焊在抗氢致裂纹性能方面，也有突出的优越性，可以降低钢的预热温度。 低合金高强钢焊接时，选择和制定合理的焊接工艺及规范是十分重要的。应严格限制焊接线能量，焊接前一定要进行预热，避免在HAZ粗晶区形成上贝氏体、M-A元等脆化组织。同时焊接时应尽量采用多层多道焊，这样在焊缝金属就具有较好的韧性而且焊接变形小。预热可以有效防止氢致延迟裂纹的产生，预热温度一般根据钢材的化学成分、碳当量和热影响区的最高硬度值来确定。预热延长接头在低温阶段的停 [20]留时间，不仅有利于氢从接头中扩散出来，并且可以减弱淬硬组织的生成。孝忠等人通过对30CrMnsiA和30CrMnsiNiZA钢焊接冷裂倾向的研究指出，在低氢的焊接条件下，如果钢的淬硬倾向较小，则预热可以改善组织，降低硬度;而对于淬硬性较大的钢，则预热对粗晶区组织影响不明显，且板条马氏体为粗晶区的主要组织。 1.4.4 焊缝强度匹配 焊缝的强度匹配是指，焊接时焊缝金属的强度和母材强度的匹配，它是焊接接头与焊接结构在设计时需要特别关注的一个问题，其对于焊接结构的稳定性、焊接接头的抗裂纹能力以及接头的力学性能都有很大的影响。焊缝金属和母材的强度匹配方式一般用强度匹配系数M表示，M即为焊缝金属的抗拉强度((σ))与母材的抗拉强度bw ((σ))之比即[M=(σ)/(σ)]。当M=1，称为等强匹配;当M>l，称为高强匹配;反之，bbbwbb [21]当 M0.5%，钢材易淬硬，冷裂倾向较大，表明焊接性已变差，焊接时需预热才能防止冷裂纹，随板厚增大预热温度还应相应提高。而Q890钢的Pcm为0.23%>0.20,，再次表明Q890钢具有一定的冷裂倾向，在焊接前必须进行预热。 2.2.2热裂纹敏感性 焊接热裂纹一般是指在较高温度下产生的裂纹，大部分热裂纹是固、液相线温度区间产生的结晶裂纹，也有少量是在稍低于固相线温度时产生的。焊接热裂纹多数产生于焊缝金属中，有的时候也产生在焊接熔合线邻近的热影响区组织内。按裂纹产生的形态、机理和温度区间的不同，焊接热裂纹可分为:凝固裂纹，高温液化裂纹，多边化裂纹三类。 考虑钢材化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测 [26]或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法，即热裂纹敏感系数(简称H)，CS其计算公式如(2—3): C，S，P，(Si/25，Ni/100),,3HCS,，103Mn，Cr，Mo，V (2—3) 一般认为Mn/S对于防止热裂纹有很大影响，当Mn/S比大于25时，不会产生热裂纹。其次H越大的金属材料，其热裂纹敏感性越高，H?4时，一般不会产生热CSCS 裂纹。据公式(2—3)计算，Q890钢的H值为0.47比可能产生热裂纹的临界值(H=4)CSCS小很多，而Mn/S=1440远大于25。因此Q890钢产生热裂纹的倾向很小。 2.2.3再热裂纹敏感性 再热裂纹是指焊接件在焊后再加热，消除应力退火或者高温工作(500—600?) 12 重庆理工大学毕业论文 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 过程中产生的裂纹。再热裂纹产生区域一般在近缝区的粗晶区或止裂于细晶区。再热敏感的温度范围:一般在500,700?之间，低于500或高于700?,再加热不易出现。再热裂纹的出现应该有大量的内应力存在，并且应立集中，在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹。从Q890钢的合金系统来说，为加强其淬透性和提高抗回火性能，加入的合金元素Cr、Mo、V、Ti、Nb、B等，大多数都能引起再热裂纹(其中V的影响最大，Mo的影响次之。而当V和Mo同时加入时就更为敏感。根据化学 [27]，其计算成分对焊接再热裂纹敏感性的影响，一般使用P法评估再热裂纹敏感性SR 公式见(2-4): P=Cr+Cu+2M+5Ti+7Nb+10V-2=-0.29 (2—4) SR0 当P,0时，不产生再热裂纹;PSR?0时，对产生再热裂纹较敏感。对于Q890SR 钢，根据公式(2-4)的计算P值为-0.29 ，所以Q890钢产生再热裂纹的倾向很小。 SR 2.3 Q890钢的焊接工艺设计 2.3.1 焊接方法的选择 焊接方法的选用对于焊接有着至关重要的作用，为了保证构件的焊接质量，焊接方法的选用应该满足没有裂纹、夹杂与气孔的出现，另外还应该使成形美观、飞溅较小。此外节约成本、提高效率也是要考虑的问题。 对于屈服强度σs?980MPa的低碳调质钢，焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等都能采用。但一般情况下，高强钢用于重要的焊接结构，包括低温和承受动载荷的结构，对焊接热影响区韧性要求较高。不宜采用大热输入的焊接方法，应尽可能采用热量集中的气体保护焊或焊条电弧焊进行焊接。而对于屈服强度σs?686MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊(Ar+CO混合气体保护焊)是最合适2 [28]的工艺方法。熔化极气体保护焊具有如下优点:?电弧空间无氧化性，焊接不产生熔渣，可以实现等成分焊接;?与CO气体保护焊相比，电弧稳定飞溅少成形美观;2 ?与TIG焊相比，电流密度大，母材熔深大，焊接变形小，熔敷率高，焊接生产效率高。 综上所述，试验采用的焊接方法为熔化极混合气体保护焊，保护气体成分为80%Ar+20%CO。 2 13 重庆理工大学毕业论文 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 2.3.2 焊接材料的选择 Q890钢具有高的强度，塑韧性也较好，而且在很多复杂形变的条件下组织相对稳定，作为焊接母材，在工艺适当的条件下，其焊接冷裂纹的敏感性相对较小，焊接粗晶区的韧性能得到一定程度的提高，即对焊接接头的性能具有良好的保证。而焊接材料在焊接时与母材同时直接参与熔池或半熔化区的冶金反应过程，影响或决定接头的焊接质量，因此Q890钢在焊接的时候，焊接材料的选择就尤为重要，其直接影响 [29]到焊接接头的性能，进而影响产品的寿命及可靠性。 焊接材料的选择必须考虑两方面的问题:一是不能使焊缝产生裂纹等焊接缺陷;二是使焊接接头能满足使用性能要求。Q890钢在调质状态下焊接，焊后一般不重新进行调质热处理，因此在选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下应接近母材的力学性能，即按等强度原则选取。 综上所述，试验采用与母材等强的焊接材料，其型号为GHS90，焊丝直径为Φ2.4，焊丝熔敷金属化学成分及力学性能分别如表2.3、2.4所示。焊丝在使用的时候一定要 [30]保持干燥、干净，减少水和油污。 表2.3 焊丝熔敷金属化学成分(wt%) C Mn Si S P Cu Cr Ni Mo Ti 元素 ?0.12 1.2-1.9 0.4-0.8 ?0.025 ?0.025 ?0.5 含量 适量 适量 适量 适量 表2.4熔敷金属力学性能典型值 屈服强度 抗拉强度 延伸率 冲击功 材料牌号 σs / MPa σb / MPa Akv/J δ(%) GHS90 835 930 17 72 2.3.3 坡口形式的选择 所谓焊接坡口就是指在碳钢、不锈钢、铝合金等焊接时，为了能够更好的填充焊缝，而对板材对接处倒角处理的一种工艺，这个对板材倒角的工艺就是坡口。坡口的形式有I形、X形、V形、U形、双U形和双V形等。 14 重庆理工大学毕业论文 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 高强钢厚板焊接时应当开适当的坡口，坡口形式的选取主要取决于焊接方法及材料厚度。由于试验用材料厚度为30mm，焊接方法为熔化极气体保护焊，考虑角变形最小及坡口加工便利程度，试验采用双V形坡口，坡口形式及尺寸如图2.1所示。焊前一定要把坡口清理干净，坡口内的水分、油污、锈蚀等会导致冷裂纹与气孔的产生。 图2.1 焊接坡口形式 2.3.4 预热和层间温度 高强钢在焊接时，预热是一种经常采用的措施，其作用非常明显，预热的目的有两个，一是可以使焊接接头的冷却速度减小，从而有效的避免或减少淬硬组织的产生，并且可以促使氢从焊缝中的尽量多的扩散逸出，从而防止冷裂纹的产生;预热的另一个作用是减少母材金属与焊接区之间的温差，从而进一步降低焊接应力的峰值。 当低碳调质钢板厚不大，接头拘束度较小时，可以采用不预热焊接工艺。当焊接热输入提高到最大允许值裂纹还不能避免时，就必须采取预热措施。对低碳调质钢来说，预热的目的主要是为了防止裂纹，对于改善热影响区的组织性能影响不大。相反，从它对800~ 500?的冷却速度的影响看，由于预热减缓了该区域内的冷却速度，获得上贝氏体的可能性增加，对热影响区韧性还可能有不利的影响，因此在焊接低碳调质钢时都采用较低的预热温度(T?200?)。 0 Q890的理论预热温度可以用如下公式计算 To=1440Pc-392 Pc=Pcm+h/600+[H]/60 (2-5) 式中:Pcm—冷裂敏感指数，由前面计算可知Pcm=0.23;h—板厚(30mm);[H]—扩散氢含量，本实验取[H]=3ml/100g(平均值)。 15 重庆理工大学毕业论文 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 由公式(2-5)计算得出T=1440Pc-392=83?，所以Q890在焊接时候的最低预0 热温度为83?，试验取预热温度为80-100?。 层间温度是指多层多道时，在进行下一焊道之前，焊缝及母材的瞬时温度，常常是温度的最高值。层间温度不仅有上限，而且还有下限。不低于预热温度是确定层间温度的下限，层间温度太低会使焊缝产生内应力，同时影响焊缝的组织转变，层间温度太高，会使焊接熔池内的焊缝金属及接头热影响区的母材金属温度过高，晶粒增大，容易产生魏氏组织，力学性能变坏。对于低合金高强钢，层间温度一般稍高与预热温度即可，所以Q890的层间温度选用110-150?之间即可。 2.3.5 焊接热输入量 对于强度等级较高的低合金钢必须严格控制焊接线能量。线能量不合理会导致焊接接头韧性下降及焊接裂纹产生。E偏大，接头的冷却速度较慢，不仅使热影响区晶粒粗化，同时也会促使过热区形成上贝氏体和M-A组元的脆性混合组织，导致过热区脆化，韧性降低。当E偏小时，热影响区的淬硬性明显增强，马氏体转变时的冷却速度较快，马氏体来不及“自回火”，热影响区又将产生冷裂纹。 从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但对防止脆化来说，却要求冷却快较好，因此热输入量应兼顾两者的冷却速度范围。对于Q890高强钢，首先应该减小热输入(高冷却速度)以形成低碳马氏体，对保证韧性有利。在满足热影响区塑性、韧性的条件下，也就是在保证过热区不产生脆化的前提下，线能量尽可能选择大些，以降低冷却速度防止冷裂纹产生，但E不能超过其最大许用值。焊接线能量的大小可用由如下公式计算: UIE, (2-6) V E表示焊接线能量;U表示电压(V);I表示焊接电流(A);V表示焊接速度(cm/s)。Q890钢适宜的焊接线能量应该控制在8kJ/cm到20kJ/cm。 2.3.6后热温度的确定 后热处理的好处有三方面:(1)可以减少残余应力，(2)改善组织，(3)消除残余氢，进而减小产生冷裂纹的可能性。 [31]本实验采用日本荒川等人提出的经验公式确定后热温度，公式如下(2—7)、 16 重庆理工大学毕业论文 2 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计 (2—8): (2—7) Tp,455.5[C]P,114eq 式中[Ceq]P表示与后热有关的碳当量。其计算公式为: [C]p,(C)，0.2033(Mn)，0.0473(Cr)，0.1228(Mo)，0.0292(Ni),0.0792(Si)eq ，0.0359(Cu),1.595(P)，1.692(S)，0.844(V) (2—8) 经过计算Q890的后热温度T的值为86.3?。由此结果可以看出，为防止冷裂纹p 的出现，母材需要较低的后热温度，这样低的后热温度往往不能满足其他方面的要求，但是会导致成本增加，工艺复杂，从而使生产效益降低，所以Q890高强钢一般焊后不进行后热处理。 17 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 3 热输入对Q890钢焊接接头组织及性能影响分析 3.1 试验方法 实验采用熔化极气体保护焊对Q890钢板进行焊接，焊接时选用9 kJ/cm、12 15 kJ/cm 三种不同的焊接线能量，然后对不同焊接线能量的焊接接头分别进kJ/cm、 行组织观察和力学性能测试。三种焊接线能量及其对应的焊接工艺参数如表3.1所示。 表3.1 焊接工艺参数 热输入 电流 电压 焊速 道间温度 预热温度 保护 气体流量 层数 (kJ/cm) (A) (V) (cm/min) (L/min) (?) (?) 气体 8.8 220 22 33 打底层 15 280 30 33 80%Ar+ 100 20 110,150 填充及 20%CO 12 280 29 41 2盖面层 9 220 24 32 3.1.1金相组织观察 (1)接头宏观分析 焊接接头宏观分析对于焊接接头的研究有着重要的意义。一般焊接接头的宏观分析的内容包括两个方面:?能够恰当反映出焊接件，在焊接后形貌特征，以及焊接形式等。?可以对焊接接头进行宏观缺陷分析，如热裂纹等。接头的宏观分析可以大致了解焊接接头的外观尺寸、焊缝成形与结晶形态、表面缺陷等。本次实验首先要对不同热输入下的Q890钢的焊接接头进行宏观分析。宏观分析的Q890试样需要经过磨制、抛光、腐蚀后，才能将焊接接头的各区域形貌分析清楚。宏观照片的拍摄需要采用数码相机以及体视显微镜进行拍摄。所选用的腐蚀液为10%的稀硝酸酒精溶液，(即按照10ml硝酸+90ml酒精的比例进行配制)，腐蚀时间大约为6-10s。 (2)微观组织分析 要想有效的了解接头的微观组织，必须进行微观显微组织分析。在金相制备完成后，利用金相显微镜对焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区进行金相观察，从而详细 18 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 了解焊接接头中的各个区域的组织特点以及组织晶粒的大小，做到初步了解各个区域的性能。本次研究对Q890钢的焊接接头进行了试样切割加工，切割加工完成后，把试样在砂纸上磨制(从小号到大号磨制)，然后用抛光机抛光最后用腐蚀液腐蚀后，在金相显微镜下对组织观察拍照。本次实验所选用的金相显微镜为莱卡正立式金相显微镜和LAZ图象分析软件观察、拍摄金相照片。 金相试样制备时，所选用的腐蚀剂为3%的稀硝酸酒精溶液(即按照3ml硝酸+97ml酒精的比例进行配制)，腐蚀时间大约为6-10s。 3.1.2扫描电镜实验 本次研究中，需要做扫描电镜实验的有:接头各区金相微观组织观察、焊缝能谱分析、焊接接头冲击试样断口形貌观察。实验所选用的设备为JSM6460LV型扫描电子显微仪。其主要技术参数如下: ?分辨率:高真空模式:3.0nm(30KV);低真空模式:4.0nm(30KV); ?低真空度:1to270Pa。高、低真空切换; ?样品移动范围:X:125mm，Y:100mm，Z:5~80mm，T:-10~+90?，R:360degree; ?加速电压:0.5KVto30KV，束流:1PA-1μA; ?能谱仪:分辨率:MnKα峰的平高，宽优于133ev(计数率为25000CPS)，分析元 素:Be4~U92; ?INCA Crystal 电子背散射衍射系统(EBSD) 3.1.3焊缝纵向拉伸实验 拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。 焊接接头拉伸试验在WE-60型万能材料试验机上，按照国家标准GB Q890钢 228-2002的规定进行，试样尺寸如图3.1所示，本实验公称直径取d=12.7mm试件的夹持端直径与使用的拉伸试验机相符。切取方向为纵向，试样焊缝余高以机械方法去除，使之与母材齐平加工刀痕应与焊缝轴线垂直。 19 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 图3.1焊缝纵向拉伸试样 3.1.4冲击试验 冲击韧性是材料的一个很重要的指标，能敏感反映出焊接区微观缺陷和显微组织的变化。Q890钢焊的焊接接头冲击试验采取夏比V型缺口冲击试验，冲击试样的制作按照GB2650-2008的规定，尺寸为55mm×10mm×10mm。实验在JB-300冲击试验机上进行。其中焊缝冲击试样在焊缝距表面2mm进行取样，缺口分别开在焊缝中部，缺口方向垂直于焊缝表面;热影响区的冲击试样在距熔合线约1mm处开缺口，热影响区取样前先用10%的硝酸酒精溶液腐蚀。焊缝试样的取样如图3.2所示，每一缺口位置取3个试样，进行-20?进行实验，试样冷却介质为液氮，得出冲击值后取平均值。 图3.2冲击试样截取方位 3.1.5显微硬度测试 硬度并不是金属独立的基本性能，它是指金属在表面上的较小体积内抵抗变形或者破裂的能力，硬度是评定材料的一个重要技术指标，与金属组织密切相关，一般情况下材料的硬度越高，则强度、耐磨性也越好，但同时也会导致脆性增大，韧性下降。因此，测定焊接接头硬度的分布情况不仅可以间接反映接头各部分强度的大小，还可 20 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 以大致对其组织的变化有一定的了解。充分了解焊接接头区域硬度分布规律。所以，对Q890低合金高强钢焊接区域的硬度测定对于了解其焊接接头的力学性能具有重要的意义。 本次研究使用HX-1000型显微硬度计，对Q890的焊接接头试样进行硬度测定。测试时的条件:加载力300g、加载饱和时间为15秒。接头硬度的测试路径由3.3所示，即沿接头横向测试焊道的表面、中间及根部焊道，测试时要从焊缝中心一直测到母材，表层焊道的测试路径距离式样上表面2mm，此外还要沿这接头的纵向进行一次测量。母材与焊缝纵向的测量以0.5mm为间距，在靠近热影响区则为0.2mm。 图3.3硬度测试示意图 3.2实验结果分析 3.2.1接头宏观金相分析 图3.4为Q890钢三种线能量的焊接接头的宏观金相照片 (a)、线能量为9 kJ/cm的焊接接头 21 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (b)、线能量为12 kJ/cm的焊接接头 (c)、线能量为15 kJ/cm的焊接接头 图3.4接头宏观金相 由图3.4观察可知，焊接接头的坡口形式为双V形，焊接采用多层多道焊，伴有少量的余高。焊层与焊层之间的焊接良好，母材与焊缝之间没有出现明显的未焊透、焊缝内没有出现气孔、夹杂、裂纹等缺陷。通过宏观图片的观察我们还可以了解多层多道焊的焊道层次，焊缝的组织为明显的柱状晶，且柱状晶是沿着垂直熔池壁或前一焊道长大，另外，从图中可以清楚的知道熔合线位置，并且大体了解热影响区的宽度，当热输入为9 kJ/cm时热影响区的宽度约为1.925mm，热输入12 kJ/cm时宽度为2.638mm，热输入15 kJ/cm时宽度为3.044mm。热影响区宽度随着热输入的增加逐渐的增加。 一般情况下，焊接热影响区的宽度可以通过经验公式进行理论计算，具体的计算如下(这里只计算热输入为15 kJ/cm时的热影响区的宽度，): TT假设焊接热影响区的峰值温度为，，则有计算公式如下: yy 22 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 14.13,chy1 ,， (3—1) TTETT,,y0m0 T式(3—1)中::峰值温度(?) To:预热温度: 82? y 3 Tm:材料的熔点1500? ρ:材料的密度，Q890的密度:7850Kg/m c:材料比热，500J/Kg? h:焊板厚度，30mm y:距融合线距离(mm) E:焊接线能，E=15kJ/cm=1500J/mm， T把数据代入(3-1)，则有与y的关系如下: y T=1500/(0.486y+1.058)+82 (3-2) y 由公式3.2绘制出HAZ内的峰值温度分布曲线，如图3.5所示。 图3.5 HAZ内的峰值温度分布曲线 图中3.5中，A区域为过热粗晶区，B区域为细晶区，C区域为不完全淬火区，Tks为粗化温度1100?，Ac约为850?，Ac约为700 ?，从图中基本可确定过热31 粗晶区宽度约为0.8mm，细晶区宽度约为1.0mm，不完全淬火区宽度约为1mm。热影响区为2.8mm。理论计算的热影响区宽度与宏观金相试验计算结果基本一致。 23 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 3.2.2接头显微组织分析 (1)母材的微观组织 低合金高强钢Q890一般的供货状态为调质状态，在调质处理时淬火温度一般在920?左右，在200—700?温度范围内回火的时候，随着回火温度的升高，马氏体组织逐渐转变为回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体，硬度逐渐下降。一般情况下 [31]Q890在600?左右回火时，硬度比较平稳，材料的综合性能最优异。 试验采用的Q890母材微观组织如图3.6所示。 (a) Q890钢的金相组织 (b)、Q890钢扫描电镜组织 图3.6母材微观组织 从图3.6中观察可知母材组织为保留了板条马氏体形态的回火索氏体，并且伴有细小的碳化物析出。由于Q890钢合金元素含量高、淬透性强，在淬火后获得低碳马氏体，再经高温回火(500?—600?)，低碳马氏体由于碳的扩散析出形成回火索氏体。回火索氏体是马氏体的高温回火产物，其为铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。其赋予Q890钢优良的强度与韧性。 (2)焊缝的微观组织 焊缝是焊接接头的重要组成部分，其组织的形态对焊接接头质量与性能起着决定性作用，焊缝金属一般是熔焊过程中填充金属和熔化的母材金属在熔池中混合而成的，它往往要经历加热熔化、凝固结晶以及固态相变等重要阶段。焊缝金属组织既在凝固结晶就是焊接熔池液态金属直接凝固，凝固形成的一次结晶组织一般为柱状晶， 24 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 焊缝一次结晶包括形核和长大两个过程，焊缝柱状晶是从熔池边界处半熔化的母材晶粒表面开始形核，并沿垂直于熔池金属与母材金属交界面的方向联生长大。随后焊缝金属组织发生固态相变，即而形成二次显微组织，二次组织是从高温时形成的奥氏体组织，经过连续冷却，继而发生相变，高温组织连续的转变为低温组织，即发生固态相变形成室温下的显微组织。二次显微组织的形态与组成与焊接热输入、焊接形式、焊接材料等有很大的关系。焊接的缺陷如:夹杂、气孔、裂纹等都是在一次组织形成的时候出现的，而且一次组织结晶所形的粗大柱状晶会使接头的脆性增大，韧性下降。所以经常采用多层多道焊或焊后热处理来改善柱状晶组织。 Q890钢焊缝表层的组织如图3.7所示。从低倍的微观组织可以看出焊缝的柱状晶形态，从高倍的组织观察可知，焊缝组织在二次固态相变时主要转变为针状铁素体(AF)，并伴有少量先共析和粒状贝氏体。针状铁素体(AF)组织非常细小，一般生于500?附近，其出现于原奥氏体晶内并有一定的方向性，呈放射状生长，相邻AF间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体，针状铁素体晶内位错密度较高，位错之间也互相缠结，分布也不均匀。具有较强的抗裂纹扩展能力;可以同时改善焊缝金属的强度和韧性。当出现大量针状铁素体组织时，焊缝金属具有较高的强度和良好的低温冲击韧度。 (a)E= 9kJ/cm低倍焊缝组织形态 (b)E=9kJ/cm高倍焊缝组织形态 25 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (c)E=12kJ/cm低倍焊缝组织形态 (d)E=12kJ/cm高倍焊缝组织形态 (e) E=15kJ/cm低倍焊缝组织形态 (f)E=15kJ/cm高倍焊缝组织形态 图3.7 焊缝微观组织 由图3.7(a)、(c)、(e)对比分析还可以知道，当焊接线能量为9KJ/cm时，柱状晶宽度约为119μm，当焊接线能量为12KJ/cm时，柱状晶宽度约为152μm，当焊接线能量为15KJ/cm时，柱状晶宽度约为182.12μm。即随着线能量的不断增大，焊缝柱状晶的宽度也在不断的增大。 由图3.7 (b)可知，当线能量为9kJ/cm时，焊缝组织明显以针状铁素体为主，而粒状贝氏体也占有一定比例，同时还有一定数量的马氏体存在，如图3.7(d)所示;当线能量为12J/cm时(图3.7 (d))，焊缝组织仍以细小的针状铁素体为主，但针状铁素体的数量明显增加，同时粒状贝氏体与马氏体的数量有所减少;如图3.7 (f)当线能量为15kJ/cm时，焊缝组织仍存在大量的针状铁素体，但针状铁素体已有粗化的倾向，但是粗化不明显，而且可以明显看出组织开始等轴化，另外粒状贝氏体的数量明显减少，马氏体组织已经消失，所以焊缝的韧性可以进一步提高。由此可见，不 26 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 同线能量的焊缝组织均以针状铁素体为主，这主要取决于焊缝的成分。GHS90焊丝中合金元素增多，从而使焊缝的淬硬性增加，奥氏体稳定性增加，高温转变产物被完全抑制，奥氏体晶粒边界清晰可见，更易于贝氏体的形核所以当焊接热输入较小时，奥氏体晶粒尺寸小，焊缝单位体积奥氏体边界上的形核质点数量相对增多，从而在焊缝中形成了较多的贝氏体组织并伴随有马氏体组织，当奥氏体晶粒尺寸增大，晶内形核质点数量相对增多，形成以针状铁素体为主、奥氏体边界有少量贝氏体的焊缝组织。随着焊接线能量的增加，冷却速度减慢。使组织在高温时停留较长的时间，使奥氏体晶粒长大，导致晶内形核质点数量相对增多，从而引起了针状铁素体的数量也在不断增加。同时针状铁素体之间的大角度晶界密度有轻微的减少。 (3)焊缝中的铁素体形核机制 [13]有学者通过研究指出，夹杂物在其附近引起的较大应变能是针状铁素体形核的一个重要因素。一般情况下针状铁素体的形核方式有两种:第一种形核方式是由非金属夹杂物诱导，使几个针状铁素体以球形夹杂物呈放射性状伸展称为一次晶内铁素体。第二种形核方式是在一次晶内铁素体晶界上诱发形成的新的铁素体，称为“感生 [32]形核”。图3.8为不同热输入焊缝中高倍显微针状铁素体SEM组织图。在图中分别用箭头1、2表示针状铁素体在奥氏体晶内形核的第一种和第二种形核方式位置， 表3.2所示。 并对夹杂物进行EDS能谱分析，结果如 夹杂物诱 导形核 1 2 27 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 Spectrum 1 Spectrum 2 (a) 9KJ/cm焊缝夹杂物能谱分析 3 4 感生形核 Spectrum 1 Spectrum 2 (b) 12KJ/cm焊缝夹杂物能谱分析 图3.8 焊缝组织及组织中夹杂物能谱分析 28 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 表3.2 焊缝夹杂物能谱分析结果(wt/%) O Al Si Ti Mn Fe 1 0.33 23.06 5.82 70.79 — — 2 11.48 7.15 6.50 74.87 — — 3 31.46 1.70 1.39 14.51 4.43 46.51 4 5.21 2.71 4.75 4.00 82.66 — 由图3.8与表3.2能谱分析结果可知。组成焊缝中非金属夹杂物的物质是各种氧化物如:SiO、MnO、AlO、FeO、TiO等及其复合化合物。这是由于本次实验采2232 用的GHS90焊丝对母材进行焊接，焊丝中Mn 、Si、Ti等合金元素的含量较高。Mn 、Si、Ti等合金元素对先共析铁素体的析出的阻碍作用不断增强，奥氏体向铁素体的转变会被推迟，在冷却过程中焊缝中的中温转变组织产物含量将不断提高，从而生成更多的针状铁素体或贝氏体组织，所以焊缝中随着含锰、硅、钛含量的增加，针状铁素 [33]体的数量会显著增加，同时，这些元素含量较高时，还可细化针状铁素体。这是由于锰降低奥氏体向铁素体的相变温度。 (4)熔合区微观组织分析 熔合区就是熔化区和非熔化区之间的过渡部分，在这个过渡区域内成分和组织既不同于母材，也不同于焊缝金属。熔合区的化学成分也非常的不均匀，而且组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。其性能常常是焊接接头中最差的。是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量，所以研究熔合区的微观组织有着重要的意义。熔合区一般由母材部分熔化区、不完全混合区、完全混合区组成。Q890钢的熔合区微观组织如图3.9所示。 29 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 焊缝 熔合线 焊缝 热影响区 熔合线 热影响区 (a)E=9KJ/cm熔合线 (b)E=12KJ/cm熔合线 焊缝 焊缝 热影响区 热影响区 熔合线 熔合线 (c)E=15KJ/cm熔合线 (d)E=9KJ/cm熔合线高倍 图3.9熔合线微观形貌 由图3.9可知，熔合区微观组织为粗大的过热组织与铸态柱状晶。其中焊缝金属的柱状晶沿着散热的方向垂直于熔合线，伴有明显的联生特征。从图中还可以看出随着线能量的增加，垂直于熔合线的柱状晶有不断变宽的趋势，而且晶粒也有长大的趋势。 (5) 热影响区域微观组织 在焊接过程中，在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。由于焊接热影响区中不同的部位经历了不同的焊接热循环，距熔合区越近，加热的峰值温度越高，加热速度和焊接冷却速度也越大，所以焊后热影响区的现组织、性能变化很大。Q890钢虽然含碳量较低，但含有较高的微量元素，如Cr 、Ni、Mn、Mo等，这些合金元素都会增加钢淬透性，所以Q890属于易淬火钢，固可以把热影响区分为完全淬火区(又可以分为粗晶区、细晶 30 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 区)、不完全淬火区和回火区三部分。 1) 完全淬火粗晶区 完全淬火区中的粗晶区相当于不易淬火钢的过热区，是焊接接头最薄弱的部位，该区晶粒严重长大，韧性显著下降，研究该区域的组织转变规律，确定组织转变与焊接工艺条件之间关系，对于预测接头力学性能并控制焊接质量至关重要，随着线能量增大，粗晶区高温停留时间较长，由于高温时缺少稳定的第二相粒子， 晶粒长大不 [34]受限制而非常粗大。 由于Q890钢的合金元素种类多，含量较高，过冷奥氏体的稳定性较强，其淬硬倾向较大。焊接时在靠近熔合线的焊接热影响区，其焊接热循环峰值温度达到1100?以上，金属处于严重过热状态，晶粒严重长大，在焊后空冷条件下会得到粗大的淬火组织马氏体或贝氏体。 Q890粗晶区的微观形貌如图3.10所示，其组织主要为马氏体，但是由于Q890钢的含碳量低，所以马氏体开始转变温度相对较高，因此形成的马氏体有一定的自回火效应，从而在马氏体板条上高位错处析出碳化物。 (a) 9KJ 淬火粗晶区显微组织 (b) 12KJ淬火粗晶区显微组织 31 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (c) 15KJ 淬火粗晶区显微组织 图3.10粗晶区微观组织 从图3.10可知HAZ 过热区组织为板条马氏体，呈等轴状;当E=9KJ/cm时，冷却速度较快，在CGHAZ可以观察到原始奥氏体晶界的粗大轮廓和大角度晶界，原奥氏体晶粒内部几乎全部为细板条状的马氏体，且某一板条束被其他板条束所截断，使其不能穿过整个奥氏体晶粒。当E=12KJ/cm时，冷却速度减慢，生成的组织主要是大量的板条状马氏体和少量的细小粒状贝氏体。与E=9KJ/cm的CGHAZ相比，原奥氏体大角度晶界依然保留下来，但奥氏体晶粒尺寸增大。使形成的板条马氏体尺寸变大，但是由于冷却速度的减慢，在热输入增大时有粒状贝氏体出现，使组织变为板条状马氏体和少量的细小粒状贝氏体的混合组织，起到改善韧性的作用;当E增大到 15KJ/cm时，冷却速度进一步减慢，CGHAZ中仍保留原奥氏体部分大角度晶界，原始奥氏体晶粒尺寸差异较大，部分晶粒发生长大，转变后的组织仍为板条马氏体，但是由于冷却速度进一步减慢，使粒状贝氏体进一步增多，得到板条马氏体和粒状贝氏体的混合组织，少量板粒状贝氏体杂乱分布在大的马氏体之间，使韧性进一步增强。 由上述可知:Q890钢CGHAZ的马氏体组织随焊接线能量的变化而演变的趋势是:随着线能量增大，高温停留时间延长，t相应增加，冷却速度降低，原奥氏体晶8/5 粒及板条马氏体晶粒尺寸都有所增大，同时伴随有少量贝氏体出现。 2)完全淬火细晶区 Q890钢完全淬火细晶区组织主要为等轴的细晶马氏体，如图3.11所示。完全淬火细晶区相当于不易淬火钢的正火区，其热循环峰值温度比粗晶区低，处于稍高于A的温度，温度在升高过程中，组织完全奥氏体化，但是温度并不太高，奥氏体组C3 32 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 织没有过热长大，冷却时形成细小的马氏体组织。因此该区的组织特征是组织细小、 [35]而均匀。伴随析出的碳化物细小而弥散，以固溶形式存在于马氏体中。 (a)E=9KJ/cm 淬火细晶区 (b)E= 12KJ/cm 淬火细晶区 (c)E=15 KJ/cm淬火细晶区 图3.11 淬火细晶区微观形貌 2)不完全淬火区 调质钢的HAZ 不完全淬火区组织为细晶等轴状板条马氏体 + 铁素体。该区域热循环峰值温度处于 A, A之间，在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，C1C3 而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，过冷奥氏体转变为细小的马氏体。原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体+铁素体的组织，称不完全淬火区。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和铁素体。图3.12为Q890钢在不同的线能量条件下的HAZ 不完全淬火区组织。 33 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (a) E=9KJ/cm两相区 (b) E=12KJ/cm两相区 (c) E=15 KJ/cm两相区 图3.12 不完全淬火区微观形貌 从图中我们可以看到不管采用哪一种热输入，该区域的组织都极不均匀，图中的晶界处析出的黑色物质应该为托氏体组织，受焊接热循环的作用当温度降低到600—500?左右时，形成了片间距只有0.1—0.5μm的托氏体，由于其片间距极细，所以在光学显微镜下无法辨别其层片状特征而呈黑色。图中亮色的岛状物为马氏体与铁素体的混合组织。 比较图3.12中(a)、(b)、(c)三图，可知随着线能量的增大，黑色的托氏体物质在增加，这是由于线能量较大，冷却速度慢，在600—500?停留时间比较长，过冷奥氏体较多转变为托氏体，同时也使马氏体组织减少。 3)回火区 如果母材在焊前是调质状态，除了上述的完全淬火和不完全淬火区之外，在焊接热影区内，热循环温度低于AC1 以下的区域的组织，还可能发生不同程度的回火， 34 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 称为回火区。由于本次研究采用的焊接工艺合理，所以在接头中的回火软化区域不明显。 3.2.3焊缝纵向拉伸实验 本此研究的中焊缝金属的纵向拉伸性能实验按照GB 228-2002执行，在WE-60万能实验机上进行。实验结果如表3.3所示，拉伸后的试样如图3.13所示。 表3.3不同的热输入下焊缝拉伸实验结果 热输入 试验温度 强度平均值 母材标准值 接头板拉伸R/MPa m KJ/cm R/MPa R/MPa (?) mm 1035 9 20 1030 1025 1005 12 20 1005 ?940 1005 1010 15 20 995 980 图3.13Q890钢的焊接接头焊缝拉伸试样 从表中可以看出，焊接热输入在 9kJ/cm 时，焊缝的拉伸强度在三种焊接热输入中最优，焊接热输入为 15 kJ/cm 时焊缝强度最差，焊接热输入为12 kJ/cm 时焊缝力学性能介于两者之间。在不同的热输入下焊缝的拉伸强度都均高于母材在室温下强度 35 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 值规定的最小值， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 这在这几种热输入条件下焊接都是合格的。从实验结果还可以看出:由于焊条优异的焊接性，焊缝没有出现气孔、裂纹等缺陷。说明选用的焊接工艺非常的适合Q890钢的焊接。从组织方面讲，热输入越大焊缝的冷却速度越慢，越易生成针状铁素体等高韧性的组织，同时也会使强度下降，而焊接热输入越小冷却速度越快，会形成贝氏体、马氏体等强度较大的组织，但是会引起焊缝韧性的下降。 3.2.4低温冲击试验及断口形貌分析 (1)焊缝低温冲击韧性 焊接接头焊缝的低温(-20?)冲击试验按照GBT2650的规定，在JB-300冲击试验机上进行，试验结果如表3.4所示: 表3.4焊缝低温冲击试验结果 缺口 试验温度 冲击吸收功 母材实测值 热输入KJ/cm /J) 冲击功平均值(Akv 类型 (?) (A /J) ( A /J ) kvkv 49 9 V -20 42 44 41 54 12 V -20 62 56 33 52 70 15 V -20 77 73 72 由表3.4可知，焊接接头中焊缝的低温冲击韧性随着热输入的增加而增加，并且不管采用哪种热输入，焊缝的冲击韧性都高于母材，这说明说明实验所使用的焊接工艺对于Q890钢来说都是合格的。之所以热输入越小韧性越小。从组织方面讲，这是由于焊接热输入较小的时候，冷却速度快，形成的焊缝组织中有贝氏体与马氏体存在，所以比较脆硬。而热输入较大的时候，焊缝的组织主要为针状铁素体，伴有少量的粒状贝氏体组织，且随着热输入的增加，焊缝中针状铁素体所占的比例不断增大，贝氏 36 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 体减少，马氏体逐渐消失，由于针状铁素体对于韧性非常有利，从而使焊缝的韧性不断的增大。 ?焊缝冲击断口宏观形貌分析 一般而言冲击断口呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。其中断口形貌凹凸不平，呈暗灰色为纤维区;断口表面平整，呈现出金属光泽的为放射区。表面光滑，与拉伸轴呈45?的区域为剪切唇。韧性断裂一般都具有上述三个区域，根据这三个区域在整个断口平面中所占的比例可以判断材料冲击韧性的好坏。一般情况下，纤维区和剪切唇面积越大表明材料的韧性就越好，如果放射区的面积越大，那么 [36]材料的冲击韧性就越差。不同热输入下的焊缝中心的宏观冲击断口如图3.15所示。 (a) E=9KJ/cm (b) E=12KJ/cm (c)E=15KJ/cm 图3.14 不同热输入的焊缝冲击断口宏观形貌 观察图3.14，在不同的热输入条件下，热输入较大时的焊缝端口微观形貌(如E=15KJ/cm)，比热输入较小(如E=9KJ/cm)时的断口平面具有较多的剪切唇与纤维 37 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 区域，而放射区在断口中所占的比例较小，这说明热输入较小时焊缝在断裂之前发生了一定的塑性变形，所以韧性比较高;与之相反当热输入较小时，观察其焊缝金属的冲击断口形貌，可以发现其表面较为平整，整个断口平面比较平整光滑，放射区所占比例较大，纤维区与剪切唇所占的比例很小，从图(a)、(b)、(c)中可以看出，图(a)中放射区的比例约占到断口的35%，图(b)中放射区的比例约占到断口的30%，图(c)中放射区的比例约占到断口的20%，所以热输入越大的试样，在断裂前塑性变形越多，因此热输入较大的时候，焊缝的冲击功大，低温冲击韧性也比越好。 ?焊缝冲击断口的微观形貌分析 图3.15为不同热输入焊接热影响区-20?试验温度下冲击断口形貌。其中(a)、(b)为焊接热输入为9 kJ/cm时焊缝的冲击断口的裂纹扩展前期和裂纹失稳扩展时候的冲击断口形貌;(c)、(d)分别为热输入为12 kJ/cm时焊缝的冲击断口区形貌;(e)、(f)分别为热输入为15 kJ/cm时焊缝的冲击断口区形貌。 (a)、焊缝区裂纹扩展前期SEM (b)、焊缝区裂纹失稳扩展SEM E=9KJ/cm 38 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (c)、焊缝区裂纹扩展前期SEM (d)、焊缝区裂纹失稳扩展SEM E =12 J/cm (e)、焊缝区裂纹扩展前期SEM (f)焊缝区裂纹失稳扩展SEM E=15KJ/cm 图3.15 冲击断口微观形貌 从图3.16中我们可以看出，焊缝的冲击断口在裂纹扩展前期的微观形貌基本上是以韧窝为主，如(a)、(c)、(e)所示，但是在裂纹失稳扩展阶段的断口微观形貌是由起伏非常大的解理刻面组成。刻面上有复杂的河流花样、小的解理台阶，并存在很大的撕裂棱如(b)、(d)、(f)所示。 通过对比还可以发现，在裂纹扩展前期，随着热输入的增大，断口中韧窝的数量越来越多，且变得越来越密集，如图(a)、(c)、(e)所示。从图我们还能发现当E=9KJ/cm时，图(b)所示，断口放射区的微观形貌主要为河流花样的解理面，但是随着热输入的增加，当E=12 KJ/cm时，在撕裂棱上已经开始有韧窝的出现，当E增大的15KJ/cm时，如图(f)所示，撕裂棱变得越来越少，但是在撕裂棱上的韧窝数量变得越来越多，且越来越密集。说明随着热输入的增加焊缝的低温冲击韧性也在不断的增大，这 39 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 与表3.4所列出的结果是一致。 (2)热影响区低温冲击韧性 焊接接头热影响区的低温(-20?)的冲击试验按照GBT2650的规定，在JB-300冲击试验机上进行，试验结果如表3.5所示: 表3.5 热影响区冲击吸收功 母材实测值 缺口 试验温度 冲击吸收功 热输入KJ/cm /J) 冲击功平均值(Akv类型 (?) (A /J) kv( A /J ) kv 65 9 V -20 54 57 52 67 12 V -20 85 33 77 79 83 15 V -20 96 91 94 由表3.5可以看出，随着热输入从9kJ/cm增加到15 kJ/cm，焊缝热影响区的韧性在不断的增加，且都大于母材。说明这几种焊接方法都是合格的。韧性随着热输入增大而增大，从组织方面解释，由于热输入较小的时候，冷却速度快，形成的组织为马氏体，但是随着热输入的增加，热影响区组织会出现贝氏体组织，并且还会不断的增多，所以随着热输入的增加，韧性会不断的增大。 ?热影响区冲击断口宏观形貌分析 不同热输入下的焊缝中心的宏观冲击断口如图3.16所示。 (a)E=9KJ/cm (b) E=12KJ/cm 40 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (c)E=15KJ/cm 图3.16不同热输入的焊缝冲击断口宏观形貌 观察图3.16，在不同的热输入条件下，热输入较大所对应的热影响区，相比与较小的热输入，断口平面中剪切唇与纤维区较多，而放射区在断口中所占的比例相对较小，这说明热输入较大时的热影响区和焊缝在断裂之前发生了一定的塑性变形，所以韧性比较高;与之相反当热输入较小时，观察其热影响区的冲击断口形貌，可以发现其表面较为平整，整个断口平面比较平整光滑，放射区所占比例较大，纤维区与剪切唇所占的比例很小，从图(a)、(b)、(c)中可以看出，图(a)中放射区的比例约占 )中放射区的比例约占到断口的20%，图(c)中放射区的比例到断口的30%，图(b 约占到断口的10%，所以热输入越大的试样，在断裂前塑性变形越多，因此热输入较大的时候，接头热影响区的冲击功大，低温冲击韧性也比越好。 ?热影响区冲击断口的微观形貌分析 图3.17为不同热输入焊接热影响区-20?试验温度下冲击断口形貌。其中(a)、(b)为焊接热输入为9 kJ/cm时热影响区的冲击断口的裂纹扩展前期和裂纹失稳扩展时候的冲击断口形貌;(c)、(d)分别为热输入为12 kJ/cm时热影响区的冲击断口区形貌;(e)、(f)分别为热输入为15 kJ/cm时热影响区的冲击断口区形貌。 41 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 (a) 热影响区裂纹扩展前期SEM (b) 热影响区裂纹失稳扩展SEM E=9KJ/cm (c) 热影响区裂纹扩展前期SEM (d) 热影响区裂纹失稳扩展SEM E =12 J/cm (e) 热影响区裂纹扩展前期SEM (f) 热影响区裂纹失稳扩展SEM E=15KJ/cm 图3.17 不同热输入热影响区冲击断口形貌 42 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 图3.17中为不同热输入下的热影响区微观断口形貌，从图中我们可以看出，热影响区的冲击断口微观形貌由拉长的韧窝和滑移带组成，以韧窝为主，可知试样断裂前都有较大的塑性变形，即使是在裂纹失稳扩展阶段仍然是以韧窝为主，但在热输入较小的时候有河流花样。 相对于热输入为9kJ/cm(3.17(a)所示)，热输入为12 kJ/cm时(3.17(c)所示)，断口中的韧窝不仅直径要大的多，而且深度非常大，说明在起裂时热输入为12 kJ/cm的试样要经历更大的塑形变形，低温冲击韧性要更好，热输入为15KJ/cm时的断口中，虽然韧窝没有热输入为12时的大，但是在(e)中，韧窝分布更密集，韧窝分布没有方向性，且在韧窝内壁比较粗糙，所以热输入为15KJ/cm时热影响区的韧性要大于热输入为12时的韧性。 对比裂纹失稳扩展区域的冲击断口微观形貌，由图(b)(d)(f)可知，断口微观形貌中，热输入为12 kJ/cm时，(图3.18(d)图所示)，韧窝要比热输入为9kJ/cm(3.17(a)所示)时的大，但热输入增加到15kJ/cm(3.17(f)所示)时，韧窝的数量在大量的增加。所以说，随着热输入的增加，热影响区的低温冲击韧性在不断的增大，这与表3.5所示结果相吻合。 由接头焊缝与热影响区的冲击分析可知，在不同的焊接工艺下焊接接头的韧性都比较好，断裂都是以韧性断裂为主，但是随着热输入的增加，断口中的韧窝区域明显增加，接头的韧性在不断的提高，这与冲击值的变化是对应的;此外，在同一热输入 下，热影响区的韧性要高于焊缝。 3.2.5接头硬度分析 Q890钢的焊接接头经过焊接后，对其接头进行显微硬度测试，将接头显微硬度试验数据通过Origin7.5软件进行数据分析、绘图，得出如图3.18所示的硬度分布曲线图。 43 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 中部 根部 表层 (a) 不同热输入焊缝纵向硬度分布曲线 焊缝 母材 H A Z (b) 三种热输入焊缝表层硬度分布曲线 HAZ 焊缝 母材 (c) E=9KJ/cm焊缝中部硬度分布曲线 44 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 HAZ 焊缝 母材 (d) E=9KJ/cm焊缝根部硬度分布曲线 图3.18 接头的硬度分布曲线 图3.18中(a)图为线能量为9KJ/cm和15KJ/cm时的焊缝纵向硬度分布图，对于同种线能量，硬度在不同位置呈波浪变化，这是因为本次研究采用多层多道焊接，前一道焊对后一道焊起到预热的作用，而后道一焊对前道焊道会产生热处理的作用。从而导致在焊缝的纵向不同位置有不同的峰值温度，引起不同冷却速度，导致组织的晶粒大小、形态有所变化，从而导致了硬度的变化，所以在焊缝的纵向出现硬度曲线硬度值呈高低交错分布;此外焊缝纵向硬度由表层到根部呈现下降趋势，这是因为，采用多层多道焊，前一道焊对后一道焊起到预热的作用，而后道一焊对前道焊道会产生热处理的作用，使焊缝在快冷形成的较脆硬的组织发生部分组织转变，从而使硬度下降，而最后一道焊层没有受到热处理作用，所以硬度最大。 对于不同的线能量，从图(a)可知E=15KJ/cm的硬度曲线都分布在E=9KJ/cm的上方，这就说明在焊缝同一位置，线能量越大变大，硬度也越大。这是由于焊接过程中峰值温度的高低会对奥氏体化和高温下第二相粒子的溶解有着非常大的影响，并 [37]由此影响显微组织及硬度。热输入越大，焊接峰值温度也较大，强化相会较多的融入焊缝组织，从而使硬度增大。在再者，由宏观照片还可以看出热输入越大，焊接的道次与层次变小，所以在较大的热输入条件下，焊缝整体来说受到的热处理作用会减少，从而使焊缝中形成的硬度较大的组织得到保留，所以热输入越大，焊缝的硬度越大。 图 3.19 (b)为不同焊接热输入下，焊缝表层的硬度分布曲线，从图中我们可以看出，虽然不同的热输入会导致不同的硬度分布曲线，但是在每种热输入下硬度曲线的 45 重庆理工大学毕业论文 3 热输入对Q890钢焊接接头组织极性能影响分析 变化基本上是一致的，在同种热输入条件下(以E=9KJ/cm为例)，从图中可以了解到热影响区硬度的平均值大约在370HV左右，焊缝硬度的平均值大约在330HV左右，母材硬度平均值大约在345HV，所以热影响区硬度值普遍高于焊缝和母材。但是在靠近熔合线的HAZ区会出现一个硬度的峰值，但是在靠近融合线的焊缝一侧会出现一个硬度的最小值。形成这种突变的原因是在HAZ 过热区由于焊缝热循环峰值温度高，使得奥氏体能完全均匀化，并发生晶粒长大，最后淬火形成粗大的板条马氏体组织，使硬度值上升明显，硬度出现峰值，而在熔合区靠近焊缝的区域，由于紧邻熔池边缘，其液态金属的温度较低，流动性差，母材和填充金属混合不充分，而且母材与焊丝的成分也不相同，导致的该处焊缝金属受到了母材金属的严重稀释，使熔合区存在物理不均匀性( 如存在大量的空位、位错等缺陷) 和化学不均匀性( 如扩散过渡层) ，从而导致其组织、性能不均匀性，导致该区域硬度下降。另外在靠近母材的热影响区硬度还会有下降的趋势，这是由于回火引起的。 在不同的热输入下，E=15KJ/cm时的硬度曲线分布于曲线图上方，E=9KJ/cm时的硬度曲线基本分布在曲线图的下方，而E=12KJ/cm下时所对应的硬度曲线位于上述两曲线之间，这说明焊缝表层硬度变化与焊缝纵向硬度变化相似，即在距焊缝中心同一位置，热输入越大，硬度也越大。从组织方面讲这是由于焊接过程中热输入越大，焊接峰值温度就会越高，组织在高温停留时间就比较长，强化相会较多的融入组织，从而使硬度增大。 图3.11(c)、(d)为E=9KJ/cm时，焊缝底部和焊缝中部从焊缝中心经过热影响区到母材的硬度分布，从图中可以看出，显微硬度依然呈波浪形变化，硬度曲线的变化规律同表层焊缝的硬度曲线变化规律基本相似，但是由于后层焊道的焊接对前层焊道具有重热和回火作用，而且在中部与根部，尤其是根部，焊道比较少，所以组织形态、大小更加均匀，其硬度变化波动相对于表层不会很大。此外在(c)、(d)中我们还可以看到虽然在焊接接头的热影响区紧靠母材的地方出现了软化区域，但是该区域的硬度与母材相差的硬度相差不是很大，再一次验证了焊接工艺比较合理，减小了回火软化的影响。 46 重庆理工大学毕业论文 4 结论 4 结 论 (1)采用熔化极气体保护焊，配合GHS90焊丝焊接Q890钢，在合理的焊接规范下能得到综合性能良好、组织稳定的焊接接头。 (2)接头显微组织分析表明:不同热输入焊接条件下，焊缝中组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及马氏体的混合组织。随着热输入的增加，末道焊缝柱状晶平均宽度增加，针状铁素体的数量增加，粒状贝氏体随之减少，马氏体组织逐渐消失;同时焊接热影响区各区的组织主要为马氏体组织。随着热输入的增加，粗晶区原奥氏体晶粒增大，有少量粒状贝氏体形成。母材组织为保留了回火马氏体形态的回火索氏体组织，且在晶界处有碳化物析出。 (3)不同热输入条件下焊缝力学性能试验结果表明，采用GHS90焊丝焊接Q890钢能够获得具有较高强韧性的焊接接头。且随着热输入的增大，焊接接头的抗拉强度逐渐降低;反之焊缝与热影响区的冲击韧性逐渐升高，这主要是因为焊缝金属化学成分设计且最终焊缝获得大量针状铁素体组织。随着热输入增加，针状铁素体百分含量增加，粒状贝氏体数量减少，马氏体组织消失。 (4)不同热输入下焊接接头热影响区硬度高于母材和焊缝，且在熔合区偏焊缝侧出现硬度的谷值，而在熔合区偏母材侧出现硬度峰值。随着热输入的增加，焊缝区硬度随之增大。 47 重庆理工大学毕业论文 致 谢 致 谢 本次毕业设计的顺利完成，首先要衷心感谢我的指导老师伍光凤老师，伍老师严谨的治学态度、渊博的学识和认真细致的工作作风都给我留下了深刻的印象;伍老师严格的要求和谆谆教导更是令我受益匪浅，永远难忘;本次毕业设计从实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计、资料的整理、数据分析和整个论文写作过程中，都倾注了伍老师大量的心血。伍老师在学术上实事求是、精益求精的科学态度更是对我今后的工作和学习有非常大的指导意义，在这里向伍老师表达我最诚挚的谢意～ 在本次毕业设计的实验当中，有许多老师都为我提供了很大的帮助，在此对于实验室的程里老师、杨惠老师、唐丽文老师、赵纬霖老师到呢个表示衷心感谢～ 在本次毕业设计期间，我还得到了同组的同学陈美云、麦广满等同学的帮助，在此向他们表示衷心的感谢～ 本次试验还要感谢重钢实验室为我们提高实验设备，使我能够顺利完成毕业论文，在此表示感谢～ 感谢重庆理工大学材料科学与工程 2009级4班全体同学，他们在我这次毕业设计期间给予的关心和帮助。 最后感谢我的家人，感谢他们的鼓励和支持使我能够全身心地投入到学习和科研中，顺利完成学业。 最后我向所有关心、帮助过我的人致以最诚挚的谢意～ 48 重庆理工大学毕业论文 参考文献 参考文献 [1] 李亚江，王娟，刘鹏.低合金钢焊接及工程应用[M] .北京:化学工业出版社，2003 [2] 韩炯. 355MPa 级高强船板性能优化的研究[D] .辽宁:东北大学，2006 [3] Das S，Ghosh A， et al. 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Not only the classification and production characteristics of high strength low alloy steel is introduced in this paper ,but also welding characteristics of the microstructure and properties of the joint , welding process , the weld strength matching high strength low alloy steel welding Research . Keywords:high strength low alloy steel; welding characteristics; welding current situation 0前言 低合金高强钢(简称HSLA钢)是一种可用于焊接的含碳量较低的工程结构用钢。目前我国一 般如下定义低合金高强钢:它钢中包括C、Mn、Si等主要的合金元素含量不超过5%，但是屈服 强度一般在275MPa以上的钢种，其具有良好的焊接性、耐腐蚀性、耐磨性，通常以带、板、管 [1]等形式直接使用。随着科技的发展，各国工业贸易也在发生日新月异的增长。因此对于钢的强 度、韧性以及焊接性都有了极高的要求。例如在我国船舶制造业的迅猛发展中，船板用钢的开发 已经成为了主流。中国钢铁工业协会指出，我国早期时候的钢板多为碳素钢，所需要的高强度一 般是通过提高碳的含量来达到目的，但是随着碳含量的提高，钢的焊接性也将会变得越来越差。 随着社会的发展，人们对低合金高强钢的质量和性能提出更高的要求。因此，钢材只有向高强度 [2]和超高强度发展才能满足日益发展的机械、船舶、高压容器等工业需求。从上世纪90年代末以 来，人们开始尝试使用低合金高强度钢，但是由于许多行业对于低合金高强钢钢板的尺寸要求越 [3]来越大、质量要求越来越严格。因此开发更高性能的低合金高强钢刻不容缓。 1 低合金高强钢的概述 )，此外其可焊性好，晶粒细含碳量低是低合金高强钢的主要特点(含碳量一般低于0.45%， 小，屈服强度高。通常主要采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。低合金高强钢具有较高的屈 强比，足够的塑性、韧性。这使得其成为近30年来发展较为迅速，生产量大、使用面广的钢类 [4--5]之一。在现代工业中，大多数的低合金高强钢是采用先进的冶炼工艺和热处理工艺进行生产。 例如通过热控冷轧工艺来制造高要求的低合金高强钢，其过程就是在热轧过程中，即不仅需要对 加热温度、轧制温度，以及轧制压力进行控制，而且还要在此基础上对冷却过程进行控制。热控 52 重庆理工大学毕业论文 文献综述 冷轧工艺不仅可以降低能耗、使生产工序简单化，而且还可以使钢材的综合力学性能提高，使钢 [6]的强度、韧性以及焊接性良好的组合，这是我们通常所说的单一的热处理工艺所不能达到的。 低合金高强钢可以分为非调质钢和经过淬火-回火的调质钢。一般非调质钢是指常温抗拉强度在600MPa以下的钢材，调质钢则为600MPa以上的钢材。根据屈服强度大小，大致可以将其分为三个等级: A级:抗拉强度为290—490Mpa。主要是热轧、控轧、正火钢，属于非热处理强化钢，应用非常广泛; B级:抗拉强度为490—980MPa。主要是低碳调质钢，属于热处理强化钢，它既有高的强度，又有较好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下焊接，焊后不需要调质处理。这类钢主要用于大型工程机械、压力容器及潜艇制造; 1176MPa。主要是中碳调质钢，常用于强度要求很高的产品或部件，C级:抗拉强度为880— 如火箭发动机壳体、飞机起落架等。 由于调质、非调质钢在强度级别上存在差异，其焊接性、焊接工艺和焊接接头性能也有很大区别。 2焊接研究现状 2.1 焊接特点 [7]在低合金高强钢的焊接过程中，碳当量是成分设计的主要限制性条件之一 。只有降低碳的含量，才能得到良好的焊接接头。同时由于钢中常常加入了多种合金元素，因此低合金高强钢的 [8]焊接性较差。其在焊接过程中常常会出现如下缺陷:?焊缝凝固裂纹，焊缝凝固裂纹属于热裂纹，一般出现在焊缝结晶后期，出现的原因是低溶共晶形成的液态薄膜减弱了组织晶粒间的联结，当遇到一定的拉应力时容易产生裂纹。?焊缝韧性降低，焊缝的金属成分是由焊材和母材共同决定，热输入较大时，焊缝组织为不平衡的铸态组织，焊缝易出现强度增加，而韧性下降的情况。?低合金高强钢在焊接过程中容易产生冷裂纹，延迟裂纹作为主要的冷裂纹，常常在热影响区的粗晶区中出现。产生延迟裂纹的条件是一定的含氢量、淬硬组织以及拘束应力。由于低合金高强钢在焊接过程易形成马氏体组织，也可致使冷裂纹的出现。?热影响区的软化，热影响区中凡是被加热且温度处于回火温度至Ac范围的区域，其碳化物会积聚长大而使钢材软化。?热影响区1 的脆化，热影响区的脆化主要是由于焊接时的过热使晶粒粗化在冷却后形成脆性组织。 [9]研究指出，当在低合金高强钢焊接接头的影响区中出现热淬硬的马氏体或马氏体，贝氏体，铁素体组织时，接头就会对氢致延迟裂纹敏感;当产生贝氏体或贝氏体，铁素体等非淬硬微观组织时，接头对氢致延迟裂纹不敏感。一般情况下，焊接冷裂纹的敏感性可以通过热影响区的最高硬度来粗略估计。对于常规的低合金高强钢，焊接热影响区最高硬度应该控制在350HV 以下， [10]以防止氢致延迟裂纹的产生。还有学者研究指出，在接头熔合区容易发生热应变脆化，原因是在接头中的缺陷常出现于熔合区，当在缺陷周围存在连续的热应变作用，则此区域就容易出现应变集中并产生对韧性不利的组织。热应变脆化的倾向就会不断的增大。但是如果向钢中加入 N 元 [11]素并对钢进行退火处理可以降低热应变脆化倾向。还有研究指出，对于大多数的低合金高强钢 53 重庆理工大学毕业论文 文献综述 来说，由于现代冶炼技术对于夹杂物的控制比较严格，所以层状撕裂的敏感性较较低，但是对于厚度方向承受载荷较大的结构，仍存在着层状撕裂的可能性 2.2 接头的组织性能研究 (1)焊缝的组织性能 焊缝金属一般是指在熔焊过程中，填充金属与熔化的母材金属在熔池中发生混合而成的混合金属组织。焊缝金属组织的形成一般要经历升温熔化、凝固结晶以及固态相变等过程。焊接接头焊缝组织的性能对构件性能起着至关重要的作用，低合金高强钢在焊接时候，焊缝的显微组织主要有:包含夹杂物的体心立方δ铁素体、在稍低温度时转变的面心立方奥氏体、粒状贝氏体、针状铁素体、马氏体、M一A组元等。一般情况下，焊缝的组织形成主要是由焊缝金属的化学成分与冷却速度决定的。 针状铁素体是现代高强钢焊缝最常见的一种组织。针状铁素体与贝氏体组织形成的区别在于前者是在奥氏体晶内的夹杂物上形核并向四周生长，而后者在奥氏体晶界上形核并向晶内生长[12]。因此夹杂物对针状铁素体的形核有重要的作用，通过控制夹杂物形核质点的数量，可以实现对形成针状铁素体和贝氏体组织的控制。 [13]余圣甫、李志远等人通过研究指出，夹杂物在其附近引起的较大应变能是针状铁素体形核的一个重要因素。作为一种惰性介质表面，夹杂物对起针状铁素体的形核有十分重要的作用。关于针状铁素体的生长机制，有学者通过研究表明。在针状铁素体的长大过程中，常常伴随有浮凸 [14]效应和不变平面应变等特征。田志凌、田志凌等在不同的焊接热输入条件下，通过热膨胀法测出了焊缝组织中针状铁素体的相变开始温度以及相变终止温度，从而得到了针状铁素体的相变温度范围，其认为针状铁素体相变是典型的扩散型相变 [15]研究指出，在低合金高强钢的焊缝金属中，当焊缝金属的强度增大时，焊缝金属的组织转变为:铁素体、珠光体类型转变到粒状贝氏体类型转变，之后又为条状贝氏体和马氏体类型。此外，低合金高强钢焊缝金属中有时还存在M-A组元。所谓M-A组元，即焊缝金属在连续冷却的过程中，富碳的奥氏体分布在于块状铁素体基体上，之后发生转变而形成M-A组元。焊缝金属的强度与M-A组元的形貌以及数量有关，如果焊缝的强度在490MPa以下则一般不会出现M-A组元;当提高焊缝的强度和增加焊缝中的合金元素，则M-A组元开始出现，且经常呈块状或粒状分布;随着合金元素含量的不断增加，M-A组元就会呈板条状。但是无论M-A组元是什么形态，只要它们不是连续的存在，对焊缝金属韧性影响都不大，若连续存在，就会明显的降低焊缝金属的冲击韧性。 (2)热影响区的组织性能研究 焊接热影响区(HAZ)是指靠近焊缝的没有熔化的母材金属在受到焊接热循环的作用，发生明显的组织以及性能变化的区域。HAZ是焊接接头中的一个薄弱部位。母材的化学成分以及焊接过程中的热循环决定了焊接热影响区的组织。对于给定的低合金高强钢，焊接热输入决定了热影响区的组织。在给定的焊接热输下，处于焊缝附近的母材将会被加热到一定的温度，温度的升高和降低将会导致组织发生转变。热影响区的显微组织大体有马氏体、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝 54 重庆理工大学毕业论文 文献综述 氏体、珠光体、铁素体及M-A组元。在焊接热输入的作用下，热影响区的母材首先发生奥氏体化，若温度很高奥氏体晶粒尺寸就会长大，而奥氏体晶粒尺寸的大小对热影响区的性能以及之后的组织相变有至关重要的影响。因此，良好的焊接热影响区性能可以通过选择合理的焊接热输入进行调节。 [16]热影响区组织、性能受到热影响区热循环速度以及热输入的影响。柴锋、杨才福等人通过研究指出，当冷却速度较大时，板条贝氏体是粗晶区的主要组织;当冷却速度较小时，板条状的贝氏体会明显的减少，与之相反粒状的贝氏体显著增加;而大尺寸的粒状贝氏体数量增多会导致 [17]接头塑性下降。常铁军、谢辅洲等人对10Ni5crMov钢的焊接热循环进行了模拟研究，结果表明:当使用不同的焊接热输入时，热影响区的组织和性能就会有较大的差别;对于10NiscrMov钢，在热输入为24kJ/cm时热影响区组织的性能最好，组织一般为马氏体+上贝氏体+粒状贝氏体。其次，热影响区组织的晶粒尺寸变化主要受到母材合金元素、焊接热输入以及母材原始晶粒尺寸 [18]大小的影响。高强钢热影响区晶粒尺寸的变化也可以采用热模拟方法进行研究。屈朝霞通过热模拟技术，指出在低合金高强钢焊接热影响区奥氏体晶粒随着焊接热输入的增加呈长大趋势。 2.3 焊接工艺 低合金高强钢的焊接可以使用常用的焊接方法，如手工电弧焊、埋弧自动焊、CO气体保护2焊，也可使用高能束焊接，如高功率激光焊等。焊接方法的确定一般是依据母材的强度等级、使用性能、施工环境以及成本高低。通常，强度较低的焊接件可采用上述各种方法，但是对于大批量生产或这焊缝尺寸较大的焊接件，应当采用埋弧自动焊和CO焊;对中厚板和强度等级较高的2 焊接件应该采用CO气体保护焊。 2 CO气保护焊有能耗低、效率高、焊后焊接变形小、成本低、便于实现自动化等许多优点，2 [19]所以在低合金高强钢的焊接中有着广泛应用。王祖滨指出CO气体保护焊在抗氢致裂纹性能方2 面，也有突出的优越性，可以降低钢的预热温度。 低合金高强钢焊接时，选择和制定合理的焊接工艺及规范是十分重要的。应严格限制焊接线能量，焊接前一定要进行预热，避免在HAZ粗晶区形成上贝氏体、M-A元等脆化组织。同时焊接时应尽量采用多层多道焊，这样在焊缝金属就具有较好的韧性而且焊接变形小。预热可以有效的防止氢致裂纹的产生，预热温度一般根据钢材的化学成分、碳当量和热影响区的最高硬度值来确定。预热延长接头在低温阶段的停留时间，不仅利于氢从接头中扩散出来，并且可以减弱淬硬 [20]组织的生成。孝忠等人通过对30CrMnsiA和30CrMnsiNiZA钢焊接冷裂倾向的研究指出，在低氢的焊接条件下，如果钢的淬硬倾向较小，则预热可以改善组织，降低硬度;而对于淬硬性较大的钢，则预热对粗晶区组织影响不明显，且板条马氏体为粗晶区的主要组织。 4.4 焊缝强度匹配 焊缝的强度匹配是指，焊接时焊缝金属的强度和母材强度的匹配，它是焊接接头与焊接结构在设计时需要特别关注的一个问题，其对于焊接结构的稳定性、焊接接头的抗裂纹能力以及接头的力学性能都有很大的影响。焊缝金属和母材的强度匹配方式一般用强度匹配系数M表示，M即为焊缝金属的抗拉强度((σ))与母材的抗拉强度((σ))之比即[M=(σ)/(σ)]。当M=1，称为等bwbbbwbb 55 重庆理工大学毕业论文 文献综述 [21]强匹配;当M>l，称为高强匹配;反之，当 M