大线能量焊接用钢的工艺性研究.docx

大线能量焊接用钢的工艺性研究.docx

《大线能量焊接用钢的工艺性研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大线能量焊接用钢的工艺性研究.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大线能量焊接用钢的工艺性研究

本科毕业论文

大线能量焊接用钢的工艺性研究

Studyonthetechnologyoflargewireenergyweldingsteel

学院名称：

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师姓名：

指导教师职称：

2015年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

目录

摘要I

AbstractII

引言III

第一章绪论1

1.1论文相关研究背景1

1.2论文相关研究的发展状况2

1.3论文相关研究设计的目的及意义3

第二章大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展4

2.1大线能量焊接用钢CGHAZ的组织和韧性4

2.1.1奥氏体晶粒4

2.1.2二次组织5

2.2针状铁素体的形核机理5

2.2.1作为针状铁素体形核核心的氧化物种类6

2.2.2作为针状铁素体形核核心的夹杂物的尺寸7

2.2.3针状铁素体形核机制学说7

第三章大线能量焊接船体钢的研究9

3.1国内外大线能量焊接用钢的研究进展10

3.1.1Ti—O处理技术11

3.1.2Mg处理技术12

3.1.3Ti—B处理技术13

3.2Ti氧化物对大线能量焊接船体钢HAZ组织性能影响的研究14

3.2.1试验材料及方法15

3.2.2A1、Ti处理钢中夹杂物形成的热力学15

3.2.3试验钢中夹杂物观察16

3.2.4模拟焊接粗晶区的组织与性能18

3.2.5微量A1、Mg、Zr对Ti处理钢中夹杂物形成的影响19

3.2.6夹杂物促进晶内针状铁素体的形核21

结论23

致谢24

参考文献25

大线能量焊接用钢的工艺性研究

摘要：

大线能量焊接时由于高温停留时间长、相变冷却速度慢，焊接热影响区奥氏体晶粒急剧长大，得到侧板条铁素体为主的组织，韧性恶化。

降低钢中的C含量及碳当量（Ceq）、细化焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸以及改善焊接热影响区的组织是发展大线能量焊接用钢的主要技术措施。

“氧化物冶金”技术利用钢中细小的氧化物，通过促进晶内针状铁素体形核明显改善焊接热影响区的组织，成为大线能量焊接用钢最有效的技术途径。

实验结果表明：

Ti—Mg复合处理明显细化钢中氧化物颗粒尺寸，促进了晶内针状铁素体形核，在100～200kJ／cm的大线能量焊接条件下粗晶热影响区得到针状铁素体为主的组织，一20℃冲击功达到350J。

关键词：

大线能量焊接船体钢氧化物冶金焊接热影响区低温韧性

Studyonthetechnologyoflargewireenergyweldingsteel

Abstract:

Asthelongdwelltimeofhightemperatureandslowcoolingrateinphasetransfor．mationduringhighheatinputwelding，theaustenitegrainrapidlygrewinheat—affectedzone（HAZ），themicrostructurewascomposedmainlybyferriteside—platewhichdeterioratedthetough—nessprope~y．Themaintechnicalmeasurestodevelopthehighheatinputweldingsteelincludedde—creasingthecarboncontentandcarbonequivalentofsteel，refiningtheaustenitegrainsizeandimpro—vingthemicrostructureofheat—affectedzone（HAZ）．OxideMetallurgyTechnologyhasbecomethemosteffectivetechnicalwayforhighheatinputweldingsteelbysignificantlyimprovingthemicrostruc—tureofheat—affectedzone（HAZ）throughstimulatingacicularferritenucleationbymakinguseoffineoxideparticlesinstee1．TheresultsshowedthattheTi—Mgcompositetreatmentobviouslyrefineoxideparticles，andenhancetheaeicularferritenucleation．Underthehighheatinputweldingcondi·tionof100kJ／cmto200kJ／cm，themicrostructureofCoarseGrainHeatAffectedZonewasmainlyac—icularferrite．andtheimpacttoughnessvaluetestinga．t一20℃reachedto350J。

Keywords:

HighHeatInputWelding，ShipHullSteel，OxideMetallurgy，HeatAffectedZone（HAZ），Low—TemperatureToughhess

引言

20世纪初，自从火焰和电弧发展成为焊接热源后，焊接作为一项专业化的技术才逐渐被人们认同。

自从1901年瑞典人发明有药皮的焊条（标志着焊接技术的诞生）以来，焊接技术已经上百年来的经验积累和技术提高，取得了长足的进步。

特别是20世纪50年代以后，焊接技术取得了更快的发展。

1956年出现了以超声波和电子束作为热源的超声波焊和电子束焊；1957年出现了等离子焊弧和扩散焊；1965年和1970年出现了以激光束为热源的脉冲激光焊；20世纪末出现了搅拌摩擦和微波焊。

焊接技术几乎运用了一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电阻热、超声波、摩擦热、等离子弧、电子束、激光、微波等。

从19世纪末出现碳弧到20世纪末出现微波焊的发展来看，历史上每一种热源的出现，都伴随着新的焊接方法的诞生，并推动了科学技术的发展。

至今，焊接热源的研究与开发仍未终止，新的焊接方法和新的焊接工艺不断涌现，焊接技术已经渗透到国民经济的各个领域。

科学技术的发展使新的焊接方法不断产生。

20世纪80年代以后，焊接技术渗透到了社会经济和工业领域的各个方面，呈现出加速发展的趋势。

在世界高科技市场竞争中，一些发达国家相继建立了各自的材料焊接研究开发中心，支持开发先进的焊接技术研究和应用。

我国在材料焊接领域的研究和应用也取得了高速发展。

焊接科学越来越引起更多国内外人士的关注，国内在先进焊接设备水平上与国外有一定的差距，但在工艺上研究水平和工程结构焊接应用上较为接近，在某些方面有自己的特色，例如航空航天飞行器、三峡工程、奥运主体育馆建造等。

随着我国经济建设的快速发展，焊接科学技术也取得了长足的进步。

举世瞩目的载人航天、奥运工程、西气东输及高速列车等重大的焊接科学应用取得了辉煌的业绩。

改革开放的大好形势，为焊接科学理论与工程技术的发展奠定了坚实的基础，并且创造了可持续发展的优良条件。

尤其是大线能量焊接用钢的工艺性研究，在国内外也尤其的重视，因为现代发展中钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。

建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。

但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。

特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能（强度、韧性）恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。

由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。

所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。

因此大线能量焊接用钢的工艺性研究，不仅能提高大型钢的生产效率，而起还能降低成本，有效的提高了国民经济又好又快的发展。

焊接已经成为现代制造业不可缺少的加工方法。

而且，随着科学技术进步和社会经济的发展，焊接科学与工程的应用领域还将不断地被拓宽。

第一章绪论

1.1论文相关研究背景

20世纪70年代末,在船舶、石油、化工、水电、城建等诸多领域,工程结构越来越朝着大型化、高参数方向发展,如大型原油储罐、大型球罐、海洋采油平台、大型管线、大跨度桥梁等。

为提高大型工程结构的焊接效率,保证其使用的安全可靠性,焊接效率高的单面埋弧焊、气电焊、电渣焊等大线能量焊接技术相继被采用,这给传统的低合金高强度钢（HSLA钢）带来了新的课题,即焊接粗晶热影响区（CoarseGrainHeatAffectedZone简称CGHAZ）的强度和韧性变差,且易产生焊接冷裂纹等缺陷。

为此,国内外相继开展了大线能量焊接用钢的研究。

上世纪70年代末至80年代初期,日本几家钢厂分别研制成功了焊接线能量可达50～150kJΠcm的大线能量焊接用钢,如新日铁的SPV490Q、日本钢管的NK2HITEN590E2和NK2HIT2EN610E2、川崎制铁的RIVERACE690LPH和RIV2ERACE710LPH等钢种,并申请了专利。

武汉钢铁公司于1996年在国内率先开展了σs490MPa级大线能量焊接调质高强钢WH610D2的研制,并成功用于国产10万m3原油储罐的建造。

大线能量焊接时,传统低合金高强度钢的CGHAZ强度会略有提高,但韧性极差,主要原因是奥氏体晶粒的严重长大以及二次组织由小热量输入多层多道焊时的回火马氏体+下贝氏体组织转变为上贝氏体组织,而CGHAZ的韧性是焊接结构中性能最薄弱的环节。

研究结果表明,当大线能量焊接后的CGHAZ含有一定数量的针状铁素体（AF）时,将具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。

研究还发现,当焊缝金属中形成针状铁素体（AF）时,焊接接头抗解理断裂的能力增强,尤其是抗应力腐蚀和抗氢脆的能力明显提高,且AF的含量越高,上述性能就越好。

AF是过冷奥氏体在650～500℃,于奥氏体晶内夹杂物上形核并长大,具有大角度晶界。

因此,研究工作的重点集中在使CGHAZ获得一定数量的AF,并对AF的形成机制进行了研究。

1.2论文相关研究的发展状况

通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊接的钢种，其组织主要为铁素体和超低碳贝氏体。

国内武钢研制了WGJ510C2和WDL610D2钢，具有较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。

此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。

该钢以Nb、V等微合金元素提高钢的强度，采用Ti的复合氧化物获得≥50kJ/cm的抗大线能量焊接性能。

如今对大线能量焊接用钢的应用已经非常广泛，其主要包括如下几个方面:

船板钢：

高强钢板用于造船目的在于减轻船身重量，降低油耗，也就是所谓的“节能船”。

随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用钢的屈服强度也从315MPa增加到355MPa。

最近的趋势是使用屈服强度更高的高价值钢板，比如390MPa的屈服强度。

日本已经开发出系列适应大线能量焊接的船用板。

如JFE公司采用MACS工艺研制了YP390船用厚钢板，该钢低N，含有少量的Nb并添加了REM-Ti，焊接接头在大线能量条件下仍具有良好的低温韧性。

试验测试结果表明，钢板的性能以及在147~274kJ/cm线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。

此外，日本还采用EWEL技术开发了YP355MPa级LPG低温船用板，抗拉强度520MPa，承受的焊接线能量为106kJ/cm；而其开发的Q390MPa钢板，在600kJ/cm的输入能量下仍具有良好的焊接性能。

海洋建筑构件用钢：

近年来，随着石油工业的发展，濒海构件也用到了极地和深海地区。

随着强度的提高和厚度的增加，用于濒海的钢板必须满足-40℃下的CTOD值，落锤试验时零脆转变温度TNDT低于-85℃以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。

桥梁用耐候钢：

现在的桥梁需要大量焊接。

日本Kawasaki钢铁公司利用组织控制技术研制了超低碳贝氏体耐候钢SMA570WTMC，钢中加入了Ni、Cu、Cr、Mo和P合金元素，

含碳量约0.02%。

通过调整Mn量，按强度分为三个等级：

400MPa级、490MPa级和570MPa级，钢板厚25～75mm。

在200kJ/cm的热输入条件下HAZ冲击功超过47J。

用这些耐候钢制造的桥梁不用涂漆，降低了制造和维护成本。

建筑结构用钢：

采用JFEEWEL技术，日本研制了包括SA440-E在内的系列高韧性建筑结构钢，形成了从490MPa到590MPa的系列建筑结构钢。

运用ACR技术严格控制了Ti、N含量，生产出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉强度为590-740MPa，屈服强度约460MPa。

在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm电渣焊条件下，HAZ无明显粗化，焊缝金属组织为细小的针状铁素体，奥氏体晶界处未发现粗大先共析铁素体。

1.3论文相关研究设计的目的及意义

钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。

建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。

但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。

特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能（强度、韧性）恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。

由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。

所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。

在科研人员们坚持不懈的努力，现阶段大线能量焊接用钢已经应用到了各行各业。

应现代科技的发展趋势，大线能量焊接用钢厚度不但增加了很多，而且还具有更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能以及抗疲劳破坏性能等。

通过对大线能量焊接用钢的工艺性研究，不仅提高了建筑构件的大型化和高层化的工作效率，而且降低了生产成本，间接性的使人们的生活水平得到了提高。

第二章大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展

2.1大线能量焊接用钢CGHAZ的组织和韧性

大线能量焊接用钢CGHAZ原奥氏体晶粒大小和二次组织是CGHAZ组织和韧性的两个决定性因素。

原奥氏体晶粒越细小,CGHAZ的晶粒也越小,因而CGHAZ的韧性也越好;同时,希望在CGHAZ中得到一定数量的针状铁素体组织,该组织具有较大的应变和位错密度,位向杂乱,能较好地阻止裂纹扩展,因而使CGHAZ具有较高的韧性和强度。

2.1.1奥氏体晶粒

钢中的微合金化元素形成纳米级碳或Π和氮化物在钢中弥散分布,阻止奥氏体长大,从而提高CGHAZ的性能。

所形成的化合物熔点越高,这种作用就越明显。

其中,研究Ti处理对微合金钢CGHAZ奥氏体晶粒长大的影响最多。

陈茂爱等研究了Ti对HSLA钢焊接粗晶热影响区组织及韧性的影响,钢中弥散分布的TiN质点有效地阻止了奥氏体晶粒长大,从而为通过二次组织改善粗晶热影响区的韧性奠定了基础。

其采用的钢中含Al量为0.045%,属于用强脱氧元素Al进行脱氧的HSLA钢,因而在其研究工作中,Ti以TiN形式存在。

同时,还发现t8Π5=120s时的vTr（27J）略低于t8Π5=60s时的数值（t8Π5:

从800℃冷却到500℃的时间;vTr（27J）:

AKV=27J时对应的温度）,因为此时CGHAZ的奥氏体晶粒长大幅度不大。

还有研究发现,钢中细小弥散的TiN质点拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移,TiN颗粒尺寸越小,数量越多,阻止奥氏体晶粒长大的作用越强。

当钢中TiΠN接近理想化学配比3.42时,形成的TiN颗粒尺寸相对最小,数量最多。

研究工作还探讨了复合添加Nb、Ti对微合金钢CGHAZ奥氏体晶粒长大的影响。

析出的（Nb、Ti）N比TiN尺寸更细小,更稳定,数量更多,可进一步细化高温奥氏体晶粒。

但是,Nb对奥氏体晶粒的细化作用与钢中有效的TiΠN比值有关。

2.1.2二次组织

焊接热循环后,HSLA钢的CGHAZ将获得除针状铁素体外,还含有晶界铁素体、珠光体、M2A岛的二次组织。

这些组织中,AF对提高CGHAZ的韧性极为有利,而其它的组织都不同程度地使韧性下降。

从已有研究成果来看,主要是研究化学成分对二次组织形成的影响,并通过不同焊接线能量深入探讨化学成分对二次组织的影响。

含Ti微合金钢的二次组织,由于钢中弥散分布的TiN质点有效地促进了针状铁素体的形成,从而显著改善了粗晶热影响区的韧性。

t8Π5=60s时的组织以上贝氏体为主,而t8Π5=120s时的组织以针状铁素体为主,也就是说,随着焊接线能量提高,二次组织由以上贝氏体为主逐渐转变为以针状铁素体为主。

而且珠光体的形态由非层片相间转变为层片相间,M2A岛由条状变为块状,数量减少,因而使韧性得以提高。

t8Π5=120s时的vTr（27J）还略低于t8Π5=60s时的数值,虽然CGHAZ的奥氏体晶粒长大幅度不大,但组织改善的有利作用大于奥氏体晶粒长大的有害作用。

有学者研究了V（0、0.05%、0.11%）和Nb（0、0.03%）对低碳微合金钢CGHAZ的组织和性能的影响。

含0.05%V时,CGHAZ的晶粒最细小,韧脆转变温度最低,M2A岛的尺寸和面积百分数都最小;含0.03%Nb时,M2A岛的尺寸和面积百分数都最大,因而CGHAZ性能最差。

M2A岛是使CGHAZ韧性恶化的最重要的因素。

关于晶界铁素体、珠光体、M2A岛等二次组织的形成机制,形成了比较一致的认识。

晶界铁素体是CGHAZ在奥氏体化后首先发生相变的产物,故也称先共析铁素体,沿原奥氏体晶界呈网状分布,形成温度范围为900～700℃。

M2A岛是在连续冷却过程中分布在块状铁素体基体上的富碳奥氏体区连续转变的产物,常存在于侧板条铁素体边界上。

化学成分和冷却速度是控制上述二次组织的最主要的因素。

2.2针状铁素体的形核机理

近年来,日本学者将钢中有害夹杂物变性为有益的细小、弥散分布的孕育剂,从而改变夹杂物对钢材性能的影响,提高钢材强度和韧性的方法称为氧化物冶金。

氧化物冶金引起了相当多的研究,因为在微量变形或没有变形的情况下能使晶粒细化。

氧化物冶金技术最早用于细化焊接特殊钢接头晶粒,因为焊接CGHAZ晶粒倾向恶化,而又不能通过变形使其细化。

目前,虽然关于针状铁素体（AF）的形核机理论说较多,但一致公认的是,无论是钢板,还是焊缝金属中,针状铁素体是以晶内夹杂物为形核核心形成的。

2.2.1作为针状铁素体形核核心的氧化物种类

针状铁素体很少直接从夹杂物形核,析出相首先从夹杂物上析出,然后针状铁素体从析出相形核。

TiN、BN和MnS从Ti2O3或TiO上析出,然后整个析出相作为铁素体的形核核心。

还有研究工作报道,MnS在夹杂物上析出,然后VN或V4C3在MnS上析出,该复合析出物对铁素体形核尤为有利。

还有报道说,不需要借助于夹杂物,TiN本身即可作为针状铁素体相变的形核核心。

更进一步的研究表明,析出相更倾向于从某类夹杂物形核。

因为这类析出相与夹杂物具有良好的共格关系。

有研究报道,阳极空位型夹杂物吸附Mn,使MnS易于在其上析出。

如果炼钢过程中用Mn、Si、Zr代替Al脱氧时,MnS在夹杂物上析出的现象更易于观察到。

关于该现象,有人提出了这样的机制:

液态时,含Mn的夹杂物对Mn的溶解度高,冷却过程中,MnS在夹杂物表面析出,该MnS就是针状铁素体优先形核的位置。

KohichiYamamoto等人研究了B对含Ti2O3钢焊接热模拟试验后HAZ的组织和韧性的影响。

Ti的夹杂物以Ti2O3形式存在,Ti2O3具有阳极空位,使MnS和TiN在其上优先形核。

MnS被吸附到Ti2O3后,就在Ti2O3附近形成了一个贫Mn区,吸附了TiN和含有贫Mn区的Ti2O3作为晶内铁素体（IntragranularFerrite简称IGF）的形核核心。

B偏聚到奥氏体晶界,抑制了晶界铁素体的形核。

Ti2O3和奥氏体基体之间的界面上,铁素体形核不受B含量的影响,因为B被Ti2O3上的阳极空位吸附,形成了贫B区,因此,含Ti2O3的钢中加B,促进了细小的IGF的形成,即使经过大线能量焊接,HAZ仍具有较好的韧性。

关于针状铁素体形核时夹杂物所起的作用,哪类夹杂物更有利于作为针状铁素体（AF）形核核心,能促使AF形成的夹杂物需要什么特征,目前还不清楚。

各种研究成果报道,某一类型的夹杂物才能作为AF的形核核心,细氧化物夹杂,稀土氧硫化物上析出的硼氧化物,富Al的夹杂物,TiN,都可作为AF的形核核心。

Bhatti等认为,富Al的夹杂物比富Mn的夹杂更有利于AF形核,因此,化学成分是控制AF形成的首要因素。

然而,Dowling等发现,AF的数量与氧化物成分及组成没有任何关系。

综上所述,关于夹杂物上析出相优先形核及夹杂物和析出相上针状铁素体形成的研究报道很多,大多数研究都是实验现象的分析,定量研究做得很少,研究工作的结论不尽一致。

在该领域的研究还须继续进行,包括丰富界面能的数据及建立氧化物冶金中针状铁素体形核的模型。

药芯焊丝焊缝中的夹杂物对针状铁素体形成的影响规律的研究表明,焊缝金属中促进针状铁素体形成和长大的夹杂物是Ti、Mn、Si、Al、Cu形成的氧硫复合夹杂,而焊缝金属中Ni、Mo、Mn的含量和焊接线能量对非金属夹杂物的尺寸大小及化学成分影响很小。

夹杂物的直径在013～210μm之间才能促进针状铁素体形核长大。

具有高能惰性界面的夹杂物能促进针状铁素体形核长大;同时,非金属夹杂物与母相的线膨胀系数相差较大,在非金属夹杂物附近造成很大的应变能,也能促进针状铁素体形核长大。

张德勤等人对微合金钢焊缝金属中夹杂物的尺寸、化学成分及其对针状铁素体形成的影响进行了研究。

夹杂物在焊缝中心最多,在熔合线附近最少,随着焊接线能量增加,夹杂物尺寸变大,数量变化不明显。

约90%夹杂物的直径在013～016μm之间,在该尺寸范围内的夹杂