低合金高强度结构钢Q390ME 焊接接头组织性能研究

李 娜 赵良生 石 杰 姜 烁

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

低合金高强度结构钢具有良好的力学性能和使用性能，能够满足构筑物向高层、大型、大跨度的发展。近几年，随着微合金化技术在国内外应用的进展，先进的TMCP 生产工艺成为开发高强度、良好低温韧性及易焊接等高性能结构钢的主要技术，各个钢厂趋向于采用低碳Nb 微合金化成分体系生产低合金高强度钢板，助力产品升级的同时，提升了企业竞争力。

Q390 级别低合金高强度钢焊接时受焊接热循环热的影响，热影响区晶粒粗化，易造成焊接接头的局部韧性恶化，强韧性会低于焊缝与母材，成为焊接接头的薄弱区。为了掌握TMCP 低合金高强度结构钢Q390ME 的基本焊接特性，制定合理的焊接工艺，安阳钢铁从焊接热影响区组织性能、焊接接头综合力学性能评定等内容进行试验研究，采用焊接热模拟获得易焊接的线能量范围，并采用实际焊接评估材料焊接接头的组织和性能，从而较全面的研究了Q390ME 的焊接接头组织与性能变化规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验钢成分及性能

试验用母材为安钢3 500 mm 炉卷机组生产的35 mm Q390M。工艺路线：150 t 转炉—LF 炉-VD炉—1#宽板坯连铸机—3 500 mm 炉卷机组。

综合考虑各个成分的作用机理，结合现场实际工况条件及成本要求，采用低碳+Nb 成分体系，并进行微Ti 处理，可显著降低钢的碳当量（Ceq）及焊接裂纹敏感指数（Pcm ）[2]，获得高强高韧性能的钢板，有效改善钢板的焊接使用性能。具体化学成分见表1。

表1 Q390ME 化学成分

轧制工艺采用先进的TMCP 技术，即控制轧制与控制冷却相结合。钢板经过第一阶段轧制（再结晶区轧制）后，在第二阶段（未再结晶区轧制）820～890 ℃进行轧制，二阶段累计压下率≥50%，终轧温度控制在760～830 ℃,终冷温度控制在480～550 ℃。钢板的综合力学性能见表2。

表2 Q390ME 力学性能

1.2 试验方法

焊接热模拟试验在安钢Gleeble 3800 热力模拟试验机上进行。影响HAZ 组织与性能的主要因素是焊接热输入量（线能量），试验中可通过优化焊接热输入量（E）来达到改善 HAZ 组织与性能的目的。本次试验采用QuickSim2 编程控制软件中的焊接热模拟程序，选定焊接模型后通过设定不同峰值温度来模拟不同的焊接热影响区域，通过不同的焊接热输入量对试样进行模拟试验，以不同的热输入量加热至峰值温度后，停留1 s，再以不同的t8/5冷却速度进行冷却，模拟实际焊接过程中的回火区、不完全相变区、正火区及淬火区[1]。试样尺寸为11 mm×11 mm×55 mm 的方棒。具体焊接热模拟方案如图1 所示。

图1 焊接热模拟方案

2 焊接热影响区试验及结果分析

2.1 金相组织

2.1.1 焊接热输入峰值对组织的影响

以焊接热输入量E=20 kJ/cm 的速度加热到700 ℃、800 ℃、950 ℃、1 350 ℃，再以不同的T5/8冷却后，对焊接热模试样进行切割、预磨、抛光，用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，通过Axiovert 200MAT 金相显微镜观察其显微组织，金相组织如图3 所示。

从图2 可以看出，焊接热输入量E=20 kJ/cm 时，峰值温度为1 350 ℃的过热区组织为板条贝氏体和粒状贝氏体，峰值温度为950 ℃的正火区的组织为晶粒细小的铁素体；峰值温度为800 ℃的不完全相变区的组织部分发生相变，组织为粗大的粒贝与少量原始组织的混合组织；峰值温度为700 ℃的回火区的组织为针状形铁素体和少量粒贝混合物。

图2 金相组织（500×）

2.1.2 焊接热输入量对粗晶区组织的影响

加热过程中，分别以10 kJ/cm、15 kJ/cm、20 kJ/cm、30 kJ/cm、40 kJ/cm 焊接热输入量将试样加热至1 350 ℃，停留1s，以不同的T5/8进行冷却，对焊接热模试样进行切割、预磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，通过Axiovert 200MAT 金相显微镜观察不同热输入量下粗晶热影响区的显微组织如图3 所示。

从图3 可以看出，焊接热输入量为10 kJ/cm 淬火粗晶区的组织以细密的板条马氏体为主，随着焊接热输入量的增大，粗晶热影响区的冷却速率降低，原始奥氏体与贝氏体团逐渐增大，组织演变为含有板条贝氏体和粒状贝氏体的不同程度的混合组织。当焊接热输入量为40 kJ/cm 时，组织以粒状贝氏体为主。

图3 不同线能量下粗晶热影响区的显微组织

2.2 冲击试验

11 mm×11 mm×55 mm 的Q390ME 试样严格按照焊接热模拟方案进行焊接模拟试验后，按照GB/T 2975、GB/T 229 加工成10 mm×10 mm×55 mm的“V”型试样，在金属摆锤冲击试验机上进行夏比冲击试验。Q390ME 的不同焊接热输入量的回火区、不完全相变区、正火区和淬火区的韧性性能见表3 和图4。

表3 不同温度焊接热模拟Q390ME -40 ℃冲击功值

图4 Q390M -40 ℃冲击功变化趋势

从图4 可以看出，在不同的焊接热输入量下，对应峰值温度在950 ℃的正火区和对应峰值温度在700 ℃的不完全相变区，Q390ME 钢-40℃低温冲击韧性整体保持在较高水平，不同焊接冷却速度对正火区的影响不大。综合来看，当焊接热输入量E=18～25 kJ/cm 时，整个热影响区的-40 ℃低温韧性情况较好。这与组织是完全对应的。

2.3 焊接热模拟硬度试验

采用HV10 硬度计对焊接热模拟试样的硬度进行测量，不同热输入量下不同热影响区的显微硬度值如图5 所示。

图5 不同焊接热输入量对应的硬度曲线

从图5 可以看出，峰值为1 350 ℃的粗晶区的硬度值最大，随热输入量的增加显微硬度逐渐降低，焊接热输入量从10 kJ/cm 增加到40 kJ/cm，显微硬度由310 HV 下降到了210 HV。这说明在所有焊接热影响区强度均可达到Q390ME 的强度要求，并且淬硬性低，具有良好的焊接性能。

2.4 讨论

随着焊接热输入量的增加，原始奥氏体与贝氏体团逐渐发生粗化。这是因为热输入量增加后，使粗晶区的冷却速率变小，原始奥氏体晶粒在高温时的停留时间相对延长，晶粒尺寸增大后，减少了单位体积内的晶界面积，减少的晶界降低了过冷奥氏体的相变速率，造成贝氏体团的尺寸增大。晶粒越粗大，板条越稀疏，短杆状组织含量越高，淬火粗晶热影响区硬度下降的越明显。一般认为马氏体的显微硬度大于贝氏体，且马氏体的显微硬度至少在 300 HV 以上[3]。综合来看，当焊接热输入量E=15～25 kJ/cm 时，整个热影响区的-40 ℃低温韧性较好，同时钢的硬度均可满足Q390ME 的强度要求，且淬硬性低。这一焊接热输入区间可实现Q390ME 焊接并可获得良好的焊接接头性能。

3 Q390M 钢焊接接头综合力学性能评定

焊接试样尺寸为35 mm×150 mm×200 mm，机加工成30°V 型坡口，采用手动CO2氩气保护焊对试样进行对焊。焊丝采用GHS-50 焊丝，直径Φ1.2 mm，焊接热输入量为20 kJ/cm。按GB/T 2970—2016《厚钢板超声检测方法》对焊接后的Q390ME 试样进行探伤，探伤合格。焊接接头综合力学性能见表4，焊接接头的冲击性能、硬度分布情况、金相组织如图6～图8 所示。

表4 焊接接头综合力学性能拉伸及侧弯性能

图6 焊接接头的冲击性能

图7 焊接接头硬度分布情况

35mmQ390ME 焊接接头强度略有下降，但均满足标准要求，焊接热影响区的-40 ℃冲击功均保持在200 J 以上，焊缝和母材硬度相差不大，硬度范围在155～199 HV 之间，粗晶区显微硬度高于母材。

4 结论

（1）对Q390M 进行焊接热模拟试验，发现：焊接热输入量对正火区的低温韧性影响不大，正火区的低温韧性均保持在较高水平；回火区、不完全相变区、淬火区在热输入量15～25 kJ/cm 时，低温韧性表现良好。

（2）焊接热输入量E=20 kJ/cm 时，淬火粗晶区组织由粒状贝氏体板条贝氏体和粒状贝氏体，正火区的组织为晶粒细小的铁素体，不完全相变区的组织部分发生相变，回火区的组织为针状铁素体和少量粒状贝氏体。随着焊接热输入量的增大，淬火粗晶区组织的马氏体逐渐减少，板条贝氏体、粒状贝氏逐渐增多。

（3）Q390M 焊接接头热影响组织为板条状贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体，组织细小均匀，热影响区综合性能良好，淬硬倾向小。焊接后接头的强度略有降低，冲击功与强度等各项指标均能满足较好的E 级钢的标准要求。