低碳貝氏體鋼焊接熱影響區(qū)中不同亞區(qū)組織特征與韌性

研究發(fā)現(xiàn),高頻直縫焊接鋼管的焊接熱影響區(qū)(haz)性能是影響焊接質(zhì)量的重要因素。影響haz的因素有很多,如何根據(jù)所生產(chǎn)的焊管產(chǎn)品來準(zhǔn)確調(diào)整這些影響參數(shù),從而獲得良好的haz性能是人們長期以來研究的重要課題。介紹了一種開環(huán)控制的焊接haz控制技術(shù),將經(jīng)驗(yàn)知識與理論計算相結(jié)合,規(guī)范了高頻焊管機(jī)組運(yùn)行,使操作者能夠更準(zhǔn)確地了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),用較短的時間完成焊管機(jī)組成功運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置。

利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對高強(qiáng)度耐候鋼進(jìn)行了不同熱輸入條件下的焊接熱影響區(qū)的模擬,繪制焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻(sh-cct)曲線,并對模擬后的熱影響區(qū)組織和性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在120℃/s快速加熱條件下,焊接熱影響區(qū)奧氏體開始形成溫度比標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的開始相變溫度提高了36℃。冷速較低時,焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為先共析鐵素體、針狀和粒狀鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體;隨冷速加快,粒狀貝氏體的量不斷增多,顯微硬度逐漸增加。

使用焊接熱模擬技術(shù)對500mpaiv級螺紋鋼進(jìn)行試驗(yàn),研究不同熱輸入時,焊接熱影響區(qū)顯微組織、沖擊韌性和顯微硬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)t8/5<20s時,熱影響區(qū)粗晶區(qū)由羽毛狀上貝氏體和鐵素體組成,隨著t8/5的增大,粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體、羽毛狀貝氏體、珠光體和鐵素體混合組織,且粒狀貝氏體含量逐漸增加,羽毛狀貝氏體含量減小。當(dāng)t8/5增大到300s時,粗晶區(qū)組織只有鐵素體和珠光體。焊接熱影響區(qū)(haz)的室溫沖擊功隨著t8/5的增大而呈增大的趨勢,當(dāng)t8/5為60s時熱影響區(qū)的室溫沖擊功達(dá)到最大值,進(jìn)一步增加t8/5,haz室溫沖擊功呈減小的趨勢,且沖擊后的斷口形貌由脆性斷裂的準(zhǔn)解理斷口形貌轉(zhuǎn)向韌窩和河流花樣的解理混合形貌。焊接熱影響區(qū)最大硬度和硬化比隨著t8/5的增大呈減小的趨勢。

本文針對國產(chǎn)焊接無裂紋低碳貝氏adb610鋼和wdb620鋼,從力學(xué)性能的角度和焊接缺陷的角度,對其焊接性能進(jìn)行研究。根據(jù)焊接性試驗(yàn)結(jié)果,對焊接接頭的拉伸性能、冷彎性能和沖擊韌性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,兩種鋼在不同焊接方法下具有優(yōu)良焊接性能。根據(jù)兩種鋼實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)焊接接頭x射線底片上檢測出的焊接缺陷,進(jìn)行缺陷類型排列圖的分析,表明兩種鋼在不同焊接方法下焊接接頭缺陷類型絕大部分是氣孔和夾渣,裂紋敏感性小,焊接性能優(yōu)良。

綜述了超低碳貝氏體鋼及其焊接性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了各種合金元素對超低碳貝氏體鋼相變作用和工藝制備方法,并就其對焊接性的影響進(jìn)行了分析。對超低碳貝氏體鋼焊接材料的選取和新型焊接材料的開發(fā)所面臨的問題進(jìn)行了討論。

用gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)鋼進(jìn)行不同焊接工藝下的熱模擬試驗(yàn),研究焊接熱影響區(qū)的組織、沖擊性能、沖擊斷口。探討了不同t8/5(30～600s)對試驗(yàn)鋼中貝氏體組織組成及形態(tài)的影響以及組織與低溫韌性的關(guān)系,并進(jìn)行了碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感性指數(shù)計算。結(jié)果表明,試驗(yàn)鋼的焊接性能良好:當(dāng)t8/5≤60s時,試驗(yàn)鋼焊接熱影響區(qū)沖擊性能與母材相近,具有較好的低溫韌性;當(dāng)t8/5在60～300s時,熱影響區(qū)的沖擊性能低于母材,但達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求(34j),因此該材料可以在較寬的冷速范圍內(nèi)進(jìn)行焊接處理。

通過對低碳貝氏體鋼不同回火工藝下金相組織與性能的研究,了解該類型鋼的回火特性。在620℃回火時出現(xiàn)硬度峰值,在710℃回火出現(xiàn)硬度谷值,峰值與谷值相差不到20hv10,說明其具有良好的回火穩(wěn)定性;并得出二次析出和回火組織的轉(zhuǎn)變是造成回火硬度變化的主要原因。

焊接接頭熱影響區(qū)軟化是細(xì)晶粒鋼焊接時普遍存在的問題。用有限元分析方法,分析熱影響區(qū)軟化的焊接接頭屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,以及接頭上的應(yīng)力分布和變形機(jī)制。分析結(jié)果表明,軟化熱影響區(qū)的屈服應(yīng)力降低和寬度增加對接頭的屈服強(qiáng)度降低影響較小,而對接頭抗拉強(qiáng)度降低影響較大,提高焊縫的屈服應(yīng)力可以提高熱影響區(qū)軟化接頭強(qiáng)度。同時發(fā)現(xiàn),當(dāng)外加應(yīng)力超過軟化熱影響區(qū)的屈服應(yīng)力時,在熱影響區(qū)及其附近區(qū)域出現(xiàn)了三軸應(yīng)力狀態(tài),主應(yīng)力及mises等效應(yīng)力在有屈服應(yīng)力差別的區(qū)域交界處發(fā)生突變,使熱影響區(qū)的mises等效應(yīng)力降低,與之相鄰區(qū)域的mises等效應(yīng)力升高,從而可以對軟化熱影響區(qū)寬度及軟化程度影響焊接接頭強(qiáng)度的機(jī)制進(jìn)行解釋。

細(xì)晶粒鋼焊接接頭熱影響區(qū)晶粒粗化引起強(qiáng)度的局部下降,對接頭承載能力的影響需要做出定量評價。有限元分析發(fā)現(xiàn),在熱影響區(qū)軟化焊接接頭的拉伸試樣上,mises等效應(yīng)力分布具有確定的特征:在軟化的熱影響區(qū)減小,在與之相鄰的焊縫區(qū)和母材區(qū)相應(yīng)升高,分布規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律,在熱影響區(qū)與焊縫及母材的交界面上發(fā)生突變,突變的幅度與交界面兩側(cè)材料的屈服應(yīng)力差值及外加載荷有一定相關(guān)性;在焊縫及母材區(qū)mises等效應(yīng)力增加量的積分等于熱影響區(qū)減少量的積分。在此基礎(chǔ)上提出了預(yù)測熱影響區(qū)軟化焊接接頭強(qiáng)度的方法,其預(yù)測結(jié)果與有限元分析有很好的一致性,可用于熱影響區(qū)軟化焊接接頭強(qiáng)度的預(yù)測和高匹配接頭的強(qiáng)度設(shè)計

國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的super304h鋼的焊接接頭熱影響區(qū)部分區(qū)域晶粒粗大,而國外同類產(chǎn)品的焊接接頭熱影響區(qū)晶粒則均勻細(xì)小。對國內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的該鋼種的焊接接頭熱影響區(qū)進(jìn)行了金相、電鏡及電子探針的檢測分析,在國外產(chǎn)品的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)大量cr23c6相析出,這種析出相阻礙了二次熱循環(huán)時熱影響區(qū)晶粒的長大,但同時會導(dǎo)致抗腐蝕性能變差。cr23c6相的析出主要是因?yàn)殇摬幕瘜W(xué)成分和焊接工藝的區(qū)別造成的。

含銅時效鋼氣體保護(hù)焊熱影響區(qū)的組織與性能——研究了含銅時效鋼氣體保護(hù)焊熱影響區(qū)的組織與性能。結(jié)果表明，在試驗(yàn)所用熱輸入范圍內(nèi)(1．2～2．3kj／ram)，含銅時效鋼具有良好的焊接性能。焊接接頭的拉伸強(qiáng)度同母材相比沒有明顯差異，且haz拉伸強(qiáng)度對熱輸入變...

為了對焊接熱影響區(qū)溫度和應(yīng)變的實(shí)時測量及控制,以光纖光柵作為傳感器對低碳鋼薄板的tig焊熱影響區(qū)進(jìn)行了溫度場網(wǎng)絡(luò)測量。采用金屬化保護(hù)的方法對裸光柵進(jìn)行了保護(hù)和溫度增敏;測量并標(biāo)定了金屬化光纖光柵的溫度特性;采用光纖光柵和傳統(tǒng)的熱電偶進(jìn)行了單點(diǎn)測溫,并進(jìn)行了對比分析;對經(jīng)歷了焊接熱影響區(qū)高溫的光纖光柵進(jìn)行了溫度特性分析。進(jìn)行了多點(diǎn)溫度的網(wǎng)絡(luò)測量;分析了光纖光柵測量焊接溫度和變形存在的問題;提出并設(shè)計了一種基于光纖bragg光柵的焊接應(yīng)變、溫度同時測量的方法和多點(diǎn)測量系統(tǒng)。

根據(jù)焊條電弧焊焊接接頭抗拉強(qiáng)度和焊縫區(qū)沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果及x射線探傷的焊接缺陷,采用秩和檢驗(yàn)法對低碳貝氏體adb610和wdb620鋼進(jìn)行對比分析研究。研究表明,在焊條電弧焊方法下,2種低碳貝氏體鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性值的分布與均值之間無顯著性差異,焊接缺陷尺寸的分布和均值也無顯著差異。

焊接接頭熱影響區(qū)軟化是細(xì)晶粒鋼焊接時普遍存在的問題.用有限元分析方法,從屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個方面對熱影響區(qū)軟化的焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行分析.分析結(jié)果表明,與接頭的屈服強(qiáng)度相比,熱影響區(qū)軟化對接頭的抗拉強(qiáng)度有較大的影響;軟化的熱影響區(qū)的屈服應(yīng)力和寬度較焊縫對接頭的抗拉強(qiáng)度有較大的影響,而且存在臨界值,超過它們時,使接頭的抗拉強(qiáng)度明顯降低;增加焊縫的屈服應(yīng)力可以改變臨界點(diǎn),提高熱影響區(qū)軟化焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度.而且發(fā)現(xiàn),試樣的長度對測定熱影響區(qū)軟化的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度沒有影響,而對其屈服強(qiáng)度的確定有一定影響.

研究了熱處理對手工電弧焊新型貝氏體耐磨鋼板的焊接接頭性能的影響,結(jié)果表明,焊后不同的熱處理工藝對其焊接接頭強(qiáng)度影響較小,焊后300℃低溫回火和900℃正火+300℃回火處理可以提高接頭熱影響區(qū)的沖擊韌度。該耐磨鋼板具有良好的焊接性能,手工焊后焊縫組織主要為鐵素體和少量珠光體組織,熱影響區(qū)組織為新型貝氏體組織,熔合線結(jié)合良好。

采用ansys有限元模擬、彩色金相技術(shù)并利用背散射電子衍射(ebsd)的方法分析板條m/b混合組織對10crni5mo低碳馬氏體鋼強(qiáng)韌性的影響。結(jié)果表明,特厚板厚度方向各部位冶金質(zhì)量差別很小。淬火冷卻條件下,鋼板表面獲得單一馬氏體組織,1/4部位和心部得到板條m/b混合組織。板條m/b混合組織較單一馬氏體組織具有更小的亞結(jié)構(gòu)和更長的大角晶界是造成心部獲得優(yōu)良低溫韌性的原因。板條m/b混合組織能顯著提高10crni5mo鋼的低溫韌性,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,但對強(qiáng)度影響不明顯。

細(xì)晶粒鋼焊接接頭熱影響區(qū)晶粒粗化引起的屈服應(yīng)力的局部下降,對接頭承載能力的影響需要做出定量評價.用有限元分析方法發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)軟化焊接接頭的拉伸試樣,在屈服后的流變過程中,與熱影響區(qū)相鄰的焊縫區(qū)和母材區(qū)的mises等效應(yīng)力升高,分布規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律,而在熱影響區(qū)則相應(yīng)減小,這種變化滿足力的平衡條件.在此基礎(chǔ)上提出了預(yù)測強(qiáng)度不均勻接頭抗拉強(qiáng)度的方法,其預(yù)測結(jié)果與有限元分析有很好的一致性,可用于熱影響區(qū)軟化焊接接頭抗拉強(qiáng)度的預(yù)測和高匹配接頭抗拉強(qiáng)度的設(shè)計.

設(shè)計了c-mn-ni-cu-nb系低碳貝氏體鋼成分并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了冶煉。采用gleeble-3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)測定了該鋼的cct曲線,并根據(jù)cct曲線選擇最佳的加熱與軋制工藝進(jìn)行中試試制,開發(fā)出一種在控軋控冷條件下即可獲得良好強(qiáng)度與低溫韌性匹配的低合金鋼板。

安鋼生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼出現(xiàn)瓢曲現(xiàn)象主要是在冷卻過程中形成。出現(xiàn)瓢曲的主要原因是鋼板在通過層流冷卻系統(tǒng)時,在厚度方向和橫向方向冷卻不均勻造成的。本文分析板形缺陷,研究縱向、厚度方向及縱向的板形控制方法,并制定了相應(yīng)的措施,達(dá)到了改善板形的目的。

安鋼低碳貝氏體鋼的瓢曲現(xiàn)象主要出現(xiàn)在冷卻過程中,主要原因是鋼板通過層流冷卻系統(tǒng)時,厚度方向和橫向方向冷卻不均勻。分析板型缺陷,研究縱向、厚度方向及橫向的板型控制方法,并制定了相應(yīng)的措施,達(dá)到了改善板型的目的。

為細(xì)化400mpa級超細(xì)晶粒鋼的粗晶熱影響區(qū)的晶粒,對其tig焊接頭進(jìn)行了相變結(jié)束前的緊急水冷及焊后正火處理,研究了緊急水冷及焊后正火對熱影響區(qū)組織和硬度的影響。結(jié)果表明,緊急水冷可使粗晶區(qū)寬度與空冷條件相比有所減小,但并不能使粗晶區(qū)晶粒細(xì)化。焊后一次正火可顯著細(xì)化粗晶區(qū)有效粒徑,但同時引起細(xì)晶區(qū)晶粒的粗化。水冷接頭比空冷接頭熱影響區(qū)硬度高,正火后每種接頭和母材硬度均大幅度降低。僅水冷接頭一次正火后的熱影響區(qū)硬度與原超細(xì)晶粒鋼母材匹配良好。推薦采用焊后緊急水冷+一次正火工藝,因其可細(xì)化粗晶區(qū)的晶粒,并使整個熱影響區(qū)硬度與原始母材接近。

利用mms-200熱模擬試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)顯微鏡研究了70kg級低碳貝氏體鋼板在不同終軋溫度和冷卻速度下的相變規(guī)律。結(jié)果表明,隨冷卻速度的增大,鋼中依次出現(xiàn)多邊形鐵素體、珠光體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體、下貝氏體和馬氏體組織,奧氏體向鐵素體相變溫度ar3降低,晶粒細(xì)化。隨著終軋溫度的降低,鐵素體誘導(dǎo)相變明顯增加,鐵素體晶粒細(xì)化。