大热输入焊接用EH40船板钢焊接热影响区组织转变与力学性能

刘洪波, 李建新, 吝章国, 齐建军, 田志强, 刘崇

(1.河钢集团钢研总院，石家庄 050000；2.河钢股份有限公司，石家庄 050000)

0 前言

近年来在船舶工业快速增长的带动下，船板钢的需求量在逐年迅速上升。随着造船行业远距离、大运输量的增长，其发展趋势是建造更大尺寸、承载量更高的超大型船[1-3]。巨型船舶等大型构件通常都是分段建造的，在合拢总装时需要使用焊接的方法进行连接[4]。国内船厂通常会采用较低热输入多道次焊接以保证焊接热影响区(HAZ)的力学性能，但是该方法效率较低。现阶段，多丝埋弧焊和气电立焊等高效自动焊接工艺越来越多的被应用在大型储罐安装、容器制造和船舶制造等领域[5-6]。因此，开发大热输入焊接用钢成为提高焊接效率、降低生产成本行之有效的方法。大热输入焊接用钢一般是指热输入大于50 kJ/cm的钢板[7-8]，目前该种钢板是世界钢铁工业发达国家竞相追逐的先进技术之一。采用该类焊接工艺时，焊接热输入较大，由于高温停留时间长，相变冷却速率慢，钢板焊接HAZ的奥氏体晶粒迅速长大，导致焊接HAZ的冲击韧性急剧下降[9-11]。Takamura等人[12]首先提出“氧化物冶金”概念，其技术原理是利用钢中生成的细小弥散的非金属夹杂物作为核心，促进钢冷却过程中针状铁素体的异质核心，并且可以钉扎晶界，从而达到抑制奥氏体晶粒长大的目的[13-15]。

河钢集团通过采用氧化物冶金技术，开发出了满足大热输入焊接的EH40船板钢。为了掌握焊接HAZ的相变规律，研究焊接热循环作用下的相变过程，该研究采用DIL805L淬火相变膨胀仪，并结合金相试验，绘制了大热输入焊接用EH40船板钢焊接HAZ连续转变曲线(SHCCT)，为分析在一定焊接条件下HAZ的组织性能、合理制定焊接工艺有重要的指导意义。另外，该研究利用Gleeble-3800热模拟试验机在200 kJ/cm热输入条件下进行焊接热模拟，并对其焊接HAZ低温冲击性能进行了测定。

1 研究方法

该研究开发的大热输入焊接用EH40船板钢，使用50 kg中频真空感应炉进行冶炼。将相应合金依次置入合金料槽中，此时，炉内抽真空至极限真空度，冲入高纯氩气，通电升温至1 600 ℃。待纯铁熔清后，完成脱氧和合金化的操作，出钢，将钢水浇铸到150 mm×150 mm×300 mm的金属锭模中。热轧试验在φ750 mm×550 mm双辊可逆式轧机上进行，表1为实际热轧工艺参数。最终热轧板厚为30 mm，EH40船板钢成分见表2。

表 1 热轧工艺参数

表2 EH40船板钢的化学成分(质量分数，%)

SHCCT试验材料取自EH40热轧后钢板，加工成为尺寸为φ4 mm×10 mm热膨胀圆柱试样，要求两端与侧面垂直且所有面磨光。根据YB/T 5127—1993《钢的临界点测定方法(膨胀法)》，试验在DIL805L淬火相变膨胀仪上进行试验工艺曲线示意图如图1所示。按图1a工艺曲线所示，将试样以10 ℃/s加热至500 ℃，然后以0.05 ℃/s加热至1 000 ℃保持10 min以上，测得EH40钢的临界点Ac1和Ac3。另外，如图1b所示SHCCT曲线的测定的工艺曲线，首先将试样以100 ℃/s的速率加热到峰值温度1 300 ℃，保温1 s，然后以40 ℃/s的速率从1 300 ℃冷却至900 ℃，再分别以0.05 ℃/s，0.1 ℃/s，0.2 ℃/s，0.3 ℃/s，0.5 ℃/s，1 ℃/s，2 ℃/s，3 ℃/s，5 ℃/s，10 ℃/s，15 ℃/s，30 ℃/s，50 ℃/s，100 ℃/s共计14个不同冷却速率冷却至室温。

将不同冷却速率的试样镶嵌、加工成金相试样，经研磨、抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后在Alm倒置式光学显微镜下观察其显微组织。从不同冷却速率下的膨胀曲线上确定相变开始点和结束点的温度和时间及各区域对应的组织状态，将其描绘在温度—时间(对数)坐标上，就获得大热输入焊接用EH40船板钢的SHCCT曲线。

焊接热模拟试样、室温拉伸、低温冲击试样均取自于EH40热轧后钢板平行于轧向处。采用Gleeble-3800热模拟试验机进行热输入为200 kJ/cm焊接热模拟试验，试验设置条件为：板厚32 mm，峰值温度1 400 ℃，比热容1 J/(g·℃)，高温停留时间为2 s，从800 ℃冷却至500 ℃时间t8/5为214.93 s。试样在经过焊接热模拟后会以焊点为中心得到长度约为16 mm的焊接HAZ。将焊接热模拟试样加工成为10 mm×10 mm×55 mm标准V形缺口冲击试样。随后，采用450 J仪器化摆锤冲击试验机测定焊接HAZ在-40 ℃下的冲击吸收能量。使用4%硝酸酒精溶液腐蚀出焊接HAZ试样组织，并采用Untra55型场发射扫描电镜及其配套的能谱仪对EH40船板钢焊接HAZ析出粒子进行分析。

图1 试验工艺曲线示意图

2 试验结果与分析

2.1 EH40钢热影响区SHCCT曲线的测定及分析

图2为大热输入焊接用EH40船板钢在加热阶段的温度-膨胀量曲线，首先将EH40船板钢以10 ℃/s的升温速率升温至500 ℃，然后采用较小的升温速率0.05 ℃/s将EH40船板钢升温至1 000 ℃。使用切线法，测得该钢种的临界点Ac1和Ac3温度分别为714 ℃和875 ℃。

图2 EH40船板钢在加热阶段的膨胀曲线

根据图1b所示工艺曲线，分别对EH40船板钢不同冷却速率下的膨胀量-时间曲线进行了分析，根据热膨胀曲线的拐点确定各冷却速率下的相变温度见表3；EH40船板钢在不同冷却速率条件下获得的不同的室温组织，如图3所示；根据表3中相变点和显微组织分析结果绘制其SHCCT曲线，如图4所示。

表3 EH40船板钢不同冷却速率下的相变温度

由图3可以看出，随着冷却速率增加，显微组织明显细化。当冷却速率为0.05和0.1 ℃/s时，如图3a,3b所示，冷却至室温获得多边形铁素体和珠光体组织；随着冷却速率增大至0.2～1 ℃/s时，如图3c～3f所示，珠光体片层间距比较大，最终形成的组织是铁素体和珠光体组织；冷却速率增大至2 ℃/s时，多边形铁素体和珠光体组织明显减少，开始出现针状形态铁素体和部分粒状贝氏体；冷却速率增大至3～5 ℃/s时，铁素体的针状状态变得更加明显，粒状贝氏体组织也在明显增加；冷却速率增大至10 ℃/s时，试样组织基本为粒状贝氏体组织，同时还存在有极少量铁素体；冷却速率增大至15 ℃/s时，除粒状贝氏体组织之外，开始出现板条状贝氏体；冷却速率增大至30 ℃/s时，试样以板条状贝氏体和粒状贝氏体为主，在一些局部区域开始出现马氏体组织；随着冷却速率增大至50 ℃/s和100 ℃/s，马氏体组织所占比例逐渐增加。

图3 EH40船板钢在不同冷却速率下的显微组织

图4 EH40船板钢SHCCT曲线

2.2 EH40钢热影响区组织与力学性能分析

对热轧后EH40船板钢钢板平行于轧制方向取样，进行室温全厚度板拉伸和低温冲击试验。另外，经200 kJ/cm热输入条件下焊接热模拟后，EH40船板钢试样进行了-40 ℃冲击试验，试验结果见表4。

表4 EH40船板钢的力学性能

从表4中可以看出，EH40船板钢的屈服强度和抗拉强度分别为417 MPa和530 MPa，根据GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》标准要求，EH40级船板钢的屈服强度和抗拉强度分别为≥390 MPa和510～560 MPa。另外，EH40船板钢热轧板和200 kJ/cm条件下焊接热模拟试样的冲击吸收能量分别达到了294 J和205 J，远远高于EH40级船板钢国家标准要求的41 J，另外，EH40船板钢断后伸长率达到27%，也大于标准要求的20%，证明该文开发的大热输入焊接用船板钢已经达到EH40级别。

图5为EH40船板钢在200 kJ/cm焊接热输入条件下HAZ组织，在图中可以看出，EH40船板钢HAZ中显微组织主要为针状铁素体(AF)，还存在有一定量的GBF和少量的块状铁素体(PF)和粒状贝氏体(B)。利用Image-Pro Plus软件对至少3组热模拟试样组织中针状铁素体所占比例进行统计分析，EH40船板钢中AF所占比例为63.6%，AF能使EH40钢HAZ区域的晶粒变得更加细小。另外，AF板条之间为大角度晶界，板条内的微裂纹解理当跨越AF要发生偏转，裂纹的扩展需要大量的能量，AF的存在裂纹扩展得到有效阻止[16-18]。因此，在EH40船板钢HAZ区域生成大量的AF有效组织了在冲击试验中微裂纹的扩展，使得断裂变得更加困难，这就是表4中大热输入焊接用EH40船板钢冲击吸收能量值在200 kJ/cm条件下焊接热模拟后保持较高水平的根本原因。

图5 200 kJ/cm焊接热输入条件下EH40船板钢HAZ组织

Chai等人[19]研究发现，Ti镇静钢中添加Mg元素后生成的Ti-Mg复合粒子会被外层的MnS所包裹。Kim等人[20]认为这种氧硫化物复合粒子的形成得益于氧化物粒子周围的Mn元素和S元素处于局部饱和状态。但在冷却凝固的过程中，由于S元素偏析导致MnS的溶解度下降，从而在氧化物粒子表面包裹析出。

图6和图7为EH40船板钢中析出粒子的形貌和面扫描分析，从图中可以看出，该粒子属于氧硫化物复合粒子，中心氧化物为(Ti,Mn,Si,Mg)Ox复合粒子，外层包裹有MnS。在EH40船板钢HAZ中，(Ti,Mn,Si,Mg)Ox-MnS复合粒子具有诱发AF形核能力。AF的生成会使EH40船板钢的HAZ表现出更高的强度和韧性，表现为EH40船板钢在200 kJ/cm条件下焊接热模拟后HAZ在-40 ℃冲击吸收能量处于较高水平。

图6 EH40船板钢中析出粒子的形貌

图7 试验钢面扫描分析

3 结论

(1)采用切线法处理膨胀量-温度曲线，冷却速率为0.05 ℃/s时测得开发的大热输入焊接用钢临界点Ac1和Ac3温度分别为714 ℃和875 ℃。

(2)通过绘制大热输入焊接用钢SHCCT曲线可知，当冷却速率≤1 ℃/s时，主要发生铁素体/珠光体转变；随着冷却速率增大至2 ℃/s时，贝氏体开始析出，当冷却速率在2～3 ℃/s时，发生铁素体/珠光体和粒状贝氏体转变；当冷却速率在5～10 ℃/s时，发生铁素体/粒状贝氏体转变，而且随着冷却速率增大，粒状贝氏体所占比例逐渐升高；当冷却速率增大至15 ℃/s时，开始出现板条状贝氏体；当冷却速率在30～100 ℃/s时，开始出现马氏体，并且马氏体所占的比例逐渐升高。

(3)开发的大热输入焊接用钢力学性能满足EH40级船板钢国标要求，且满足200 kJ/cm热输入焊接要求。经Ti-Mg脱氧处理后，EH40钢中形成的(Ti,Mn,Si,Mg)Ox-MnS粒子可以作为形核质点促进焊接HAZ针状铁素体的形成，这是焊接HAZ韧性改善的主要原因。