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高性能钢焊接物理冶金研究进展
信息来源:世界金属导报2016-03-22B12      时间:2016-03-23 11:00:59


随着强度的明显提高,低合金结构钢的焊接问题变得越来越突出,必须要认清焊接接头各个微区的组织结构特性及形成机理,明确组织与力学性能的关系。研究结果显示,临界粗晶区是热影响区中最薄弱的区域,由粗大的原奥氏体晶粒和沿晶界连续分布的链状M-A组元组成,链状M-A容易成为脆性裂纹的形核中心。管线钢采用高Nb成分设计体系,可以细化焊接热影响区的奥氏体晶粒尺寸。合金元素Mo的适量增加,可以抑制焊缝金属先共析晶界铁素体及侧板条铁素体生成,且晶粒细化作用显著;Mn与Ni含量的复合增加会显著提高焊缝金属低温韧性。此外,合理设计焊后热处理工艺并对焊后组织明确表征变的尤为重要。

1引言

随着我国经济的蓬勃发展,在工程应用中,低合金钢的发展越来越成熟,在保证韧性的前提下,强度逐步提高。但是,随着强度的明显提高,低合金结构钢的焊接问题变得越来越突出,尤其是厚板、特厚板的焊接热影响区(临界区和临界粗晶区)脆化、焊缝金属的强韧匹配问题。为了解决这些问题,必须要认清焊接接头各个微区的组织结构特性及形成机理,明确组织与力学性能的关系,最终确定接头弱化脆化的机制,进而设计出与母材性能相匹配的焊接材料和焊接工艺,以达到整体构架的服役安全指标。然而,目前国内外焊接工程的难题主要集中在两个方面:1)焊接热影响区(HAZ)由于存在局部脆性区从而导致整个热影响区的韧性严重恶化;2)多层多道焊焊缝金属局部组织脆化导致低温韧性恶化,强韧匹配不佳。为此,北京科技大学承担的国家973项目“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”子课题“第三代高强高韧低合金钢精细组织的研究”项目组设计了系列实验,详细表征了焊缝金属及焊接热影响区中各个微区的组织特征,抓住了各个焊接参数对接头性能的影响规律,并与相应组织结构进行了关联,为合理设计焊接工艺提供全面而科学的理论支撑。

2 HAZ的组织与性能

2.1 HAZ脆化行为

图1给出典型高钢级X100管线钢双面埋弧焊焊接接头形貌及冲击功检测开口位置。其中,等效熔合线所经过的区域为:粗晶区(CGHAZ)、二次细晶区、临界粗晶区(ICCGHAZ)和焊缝金属;等效热影响区所经过的区域为:粗晶区、细晶区、二次临界区。两者所经过的区域组织差异主要在二次临界区、二次细晶区以及临界粗晶区,这些微区组织的不同将造成冲击韧性上的巨大差异。测试结果显示(表1),焊接接头韧性最差的位置出现在等效熔合线处,其断口可见白亮脆性形貌。

研究表明,临界粗晶区是热影响区中最薄弱的区域,由粗大的原奥氏体晶粒和沿晶界连续分布的链状M-A组成。临界粗晶区中的M-A组元内部的层状结构被确定为马氏体-奥氏体的层状结构,比例分别可达47%和43%。M-A中C含量只富集到了0.45%,

根据经验公式计算所得的Ms点为249℃,冷却到室温时不会有43%的残余奥氏体。但由于基体对逆转组织的束缚作用,三向压应力使得残余奥氏体更加稳定。另外,由于逆转组织尺寸较小,使得残余奥氏体进一步稳定化。因此,在冷却至室温时才有43%的奥氏体残余下来。临界粗晶区M-A的形成分以下四个步骤:1)经过第一道次热循环得到粗晶区组织;2)第二道次热循环加热到临界温度区间,沿原奥氏体晶粒边界形成了少量逆转的奥氏体,周围的碳元素通过扩散富集到逆转组织内部;3)缓慢冷却时,在Ac1温度以下Ms点以上的较高温度区间内,可能会先发生贝氏体相变,部分逆转组织转变为贝氏体铁素体。碳元素进一步富集并使未转变的奥氏体进一步稳定;4)在冷却到Ms点以下后,发生马氏体相变。由于马

氏体相变并不完全,

从而形成了马氏体-

残余奥氏体的层状结

构。由于链状M-A

的形成,将使得断裂

机制从粗晶区

的形核控制类

型转变为临界

粗晶区的扩展

控制类型。临

界粗晶区中的

二次微裂纹个

数远高于粗晶

区,临界粗晶

区中裂纹扩展

通过二次微裂

纹的相互串联

而进行。故此,链状M-A容易成为脆性裂纹的形核中心,同时还能使得脆性裂纹失稳扩展过程中的界面能明显降低(约一个数量级),导致临界粗晶区韧性严重恶化,降低整个等效熔合线冲击韧性。

为进一步揭开M-A内部结构对冲击韧性的作用机制,利用EBSD对链状M-A进行精细表征,结果表明,临界粗晶区内原奥晶界上逆转奥氏体再相变后形成的项链状组织内含有两类亚区:上贝氏体区以及下贝氏体/马氏体区,其中后者由于在转变末期出现及表现出的变体选择及孪晶特征,应被考虑为硬质的粒状M-A岛。分析发现大形变区域集中存在二类亚区,说明二类亚区内部有高应力集中且易于开裂形成裂纹。二类亚区形成粒状M-A岛,当其形态不同时,会以不同方式导致开裂,界面能分析认为二类亚区也极有可能以与基体分离的方式开裂。可见,导致韧性下降的主要是二类亚区的存在,当二类亚区分数较大时,项链状组织会严重破坏韧性;反之当二类亚区较少时,项链状组织的有害性会大大降低。添加Ni元素后,在相同焊接热循环下的高Ni钢临界粗晶区中,虽然依旧出现沿原奥晶粒呈项链状分布的粒状M-A岛,但冲击韧性下降现象得到明显改善。局域硬度测试表明,Ni元素添加有效降低了粒状M-A岛的硬度,使之不易引起应力集中而导致断裂。高Ni钢临界粗晶区中

原奥晶界附近的逆转奥氏体区域与低Ni钢有明显区别,虽然依据形貌可分为两种亚区,但是基于变体选择及孪晶界特征,两类亚区均被考虑为上贝氏体区,并且内部的应力集中状况较之低Ni钢明显改善,诱发脆性裂纹的可能行下降。Ni元素添加导致转变温度区间的降低以及促进转变产物均匀化,使高Ni钢中的逆转奥氏体区在冷却时发生均匀相变,避免了局域硬化区的生成从而改善韧性。粒状M-A岛的内部结构分析结果预示着控制逆转奥氏体发生均匀的中温协变相变是改善临界粗晶区韧性的关键因素之一。

因此,如何设计焊接工艺参数以控制粗晶区及临界粗晶区的组织结构及晶粒尺寸,进而改善HAZ整体韧性尤为重要。为此,需要设计焊接热模拟实验来研究焊接热输入量、Nb含量、一次峰值温度(奥氏体晶粒尺寸)及二次峰值温度对HAZ冲击韧性的影响机理。

2.2热输入量对X100管线钢粗晶区的组织和性能影响

研究发现,对于高Nb含量的X100管线钢,存在一个最佳热输入量(20kJ/cm),可使得焊接粗晶热影响区的冲击韧性达到最佳,可以与母材本身优良的冲击性能相媲美(图2)。M-A岛及大角晶界密度是焊接粗晶热影响区冲击韧性的主要控制因素,随着热输入量的增加,M-A逐渐粗化,大角晶界密度则是先得到优化后再降低,因此最佳冲击韧性出现在窗口热输入量为20kJ/ cm处。晶体学分析指出大角晶界的主要来源是原奥晶体学packet内的贝恩组分布。不同的贝恩组排布方式导致了大角晶界密度的差异。热输入量为20kJ/cm时,packet内间隔分布的贝恩组使得大角晶界密度最大且分布最均匀。最佳的冲击韧性来自于M-A岛的细化以及packet内大角晶界密度的最优化。说明除了M-A组元外大角晶界的作用应得到更多重视,也进一步指出为了改善HAZ的韧性,应在细化M-A岛的基础上对packet内的贝恩组分布进行控制从而得到最佳的大角晶界密度及分布。

2.3 Nb含量对焊接接头热影响区组织和性能的影响

通过对实际焊接中Nb的析出物进行TEM研究发现,高Nb管线钢热影响区中原始奥氏体表现出更为细小的晶粒尺寸。高铌钢热影响区原始奥氏体晶粒细小主要跟Nb的碳化物析出物有关,高Nb钢HAZ中Nb的析出相密度高于低Nb钢。其中,0.05%Nb的粗晶区析出物尺寸大约为10nm,临界粗晶区中的Nb的析出物尺寸大致在40-50nm;0.09%Nb焊缝粗晶区析出物

尺寸大致在40-60nm,而临界粗晶区的析出物也主要是以Nb的析出物为主,尺寸在30-50nm。由此可见,Nb含量的差别应该是导致HAZ粗晶区奥氏体晶粒状态差异的主要原因,更高的溶质Nb含量能减缓晶界的迁移率,抑制粗化,而细小的Nb析出,也可以钉扎晶界,更有效阻止奥氏体晶粒的长大。但目前还尚未发现充足的证据可以表明Nb的析出物会对粗晶区和临界粗晶区的性能产生显著影响。

2.4一次峰值温度对临界粗晶区组织和性能的影响

为了进一步研究HAZ中奥氏体晶粒尺寸是否对其组织和性能有影响,设计了变化第一道次热循环的峰值温度(1300℃、1200℃、1100℃),而得到不同原奥氏体晶粒大小的粗晶区组织(图3),再经过第二次热循环,获得临界粗晶区组织。研究结果表明,M-A的含量并不受原奥氏体晶粒尺寸的影响,但原奥氏体晶粒大小会影响M-A的尺寸。原奥晶粒尺寸与M-A的大小呈正相关关系,即原奥氏体晶粒较大时,M-A的尺寸也大;原奥氏体晶粒变小时,M-A尺寸也跟着变小。这是由于原奥氏体晶粒变小时,可提供逆转组织形核的晶界密度增大,在体积分数不变或者变化不大的情况下,M-A的尺寸必然会减小,进而促使冲击韧性有显著提高。说明,M-A的尺寸也是决定临界粗晶区冲击功大小的重要因素之一。

2.5二次峰值温度对临界粗晶区组织和性能的影响

研究结果表明,在两相区间较低温度(750-800℃)形成的M-A组元由于尺寸较大,且分布连续,因此韧性很差。而随着温度升高,M-A组元尺寸有所减小,更关键的是分布变得越来越离散,因此冲击韧性逐步提高。另外也可以推断出,在实际焊接热影响区中,对韧性危害最大的部分不是整个临界粗晶区,而是在较低温度(接近Ac1温度)下形成的那一部分区域,也就是临界粗晶区中远离焊缝的区域。

综上,M-A是主导HAZ韧性的关键因素,其体积分数、尺寸、形貌及分布状况均对HAZ有较大影响。因此,根据以上结果提出改善HAZ低温韧性的几个关键方案:

1)在控制钢板成本的基础上,可采用加Ni方法,促进相变物的均匀化和完全化;

2)采用高Nb成分设计体系,细化HAZ的奥氏体晶粒尺寸;

3)依据实际钢板材质,选取合适的热输入量;

4)针对多道焊,综合调控道次间热输入量及道次间距等参数,调控链状M-A形核位置及尺寸、形貌,尽可能将链状M-A移植到细晶区,避免高串联度的M-A形成,从而有效提高焊接热影响区的低温冲击韧性。

3多层多道焊焊缝金属局部组织脆化导致低温韧性恶化

在特厚结构钢焊接中,焊缝金属最为严峻的挑战就是低温韧性不足、稳定性差、回火脆性严重。而目前国内针对高强特厚板焊接用焊材也并无针对性开发,绝大部分用户使用进口焊材,且采用的是“多选试焊”方式选取性能相匹配焊材,导致成本高、周期繁琐。

研究结果表明,在焊缝金属中同样会出现类似HAZ的重加热区,且其复杂程度远大于HAZ。冲击韧性检测结果表明,在重加热区焊缝金属低温韧性会较大幅度降低,且以WM-IC(焊缝金属临界区),WM-ICCG(焊缝金属临界粗晶区)和WM-ICCG’(焊缝金属多次重加热临界粗晶区)最为严重。其区别是WM-IC中M-A主要沿原始柱状晶晶界分布,而WMICCG中M-A沿热循环过程形成的奥氏体晶界分布,二者的形貌尺寸均一致,晶粒内部组织差异不大。此外,二者的显微硬度显著高于焊缝金属中

针状铁素体组织硬度,势必导致低温冲击韧性降低。而在经过多次热循环后,焊缝金属中链状M-A发生分解形成回火M-A和碳化物组织,韧性略有改善(WM-ICCG’)。由于本实验目前仅研究了三次热循环且第三次热循环峰值温度为600℃,故还需深入研究三次热循环峰值温度对焊缝金属重加热区的组织和性能的影响规律,为设计焊接工艺提供参考。

为解决焊缝金属低温韧性问题,设计研发了不同Mn/ Ni/Mo配比的高强高韧焊丝,并研究了三种合金含量对焊缝金属低温韧性的作用机理,提出了适合低温环境服役的高强度厚板埋弧焊用焊丝成分设计思路,同时通过设计焊后的热处理工艺显著改善了厚板焊接焊后韧性不足问题。

3.1所设计焊丝具有多重优点

高强:利用所开发的系列焊丝,搭配碱度1.0-2.5的烧结焊剂,可在40-65kJ/ cm大热输入的条件下获得高强焊缝金属。屈服强度可达550-690MPa,抗拉强度680-780MPa,强度等级达到X80-X100,总延伸率均超过20%。

高韧:焊接接头各个微区低温韧性远高于标准要求(-40℃冲击功:热影响区≥160J,等效熔合线≥100J,焊缝金属≥120J;-60℃焊缝金属冲击功≥100J;最优成分配比条件下,焊缝金属-80℃冲击功仍大于100J。其主要原因是保障焊缝金属获得高含量的精细针状铁素体(72%-80%体积分数)及细小弥散的M-A(尺寸不大于1.2μm)。

低温:所开发焊丝进行的实际焊接实验结果表明,焊接接头服役环境可以为-40℃到-60℃极寒地区,同时保障焊缝金属具有不低于100J的冲击功。而选取最优成分配比焊丝其焊缝金属韧脆转变温度可达-90℃,适用于更低温的服役环境。

高效:所开发的焊丝可以达到直径4.0mm,适用于较大热输入(60kJ/cm)条件的多丝(4-6丝)双面埋弧焊接及单丝多道焊接。双面埋弧焊可以满足板厚30.8mm的K65管线钢,单丝多道焊接则可以满足中厚板(厚度达到36-60mm)需求(图4)。

3.2 Mn、Ni、Mo元素对焊缝金属组织和性能影响机制

Mo元素的适量增加,可以抑制焊缝金属先共析晶界铁素体及侧板条铁素体生成,且晶粒细化作用显著。Mn与Ni含量的复合增加会显著提高焊缝金属低温韧性,细化针状铁素体。但Mn、Ni含量配比不当,会越过马氏体生成线(Ms线),导致马氏体产生而削弱低温韧性。单增加Ni含量会改变协变相变产物晶体学packet内贝恩组的分布状况,增强了奥氏体转变的完全性,使得真实转变为M-A的奥氏体含量减少或尺寸减小。而Mn含量的增加还将引起含Ti/Mn/O的复合夹杂物的含量提高,为AF提供更多的形核位置,起到细化晶粒的作用。合理配比Mn、Ni、Mo含量可以有效抑制先共析晶界铁素体的转变,促进针状铁素体的形成,细化有效晶粒尺寸,提高大角晶界密度。确保焊缝金属具有0.2%左右的Mo,可以采用“加Mn减Ni”的方法配比焊缝金属合金含量,以达到高强高韧的性能目标。

3.3厚板多道焊焊缝组织与低温韧性解析及焊后热处理对性能改善研究

厚板焊接及特厚板焊接应用往往需要焊后热处理以消除残余应力,但焊缝金属和热影响区往往经传统的热处理工艺处理后,低温韧性并不稳定,软化现象明显且易出现回火脆性问题。因此,合理设计焊后热处理工艺并对焊后组织明确表征变的尤为重要。

研究发现,传统的回火热处理并不能有效改善焊缝金属低温冲击韧性,而根据焊缝金属成分设计的临界热处理工艺可以显著提高焊缝金属低温冲击韧性以及均匀延伸率(图5)。其主要原因是,M-A回转并形成6%左右稳定的残余奥氏体。其整个组织演变过程如下:经过临界退火处理后,焊缝金属形成以临界铁素体 马氏体/贝氏体及少量M-A的组织,其中铁素体是在等温过程形成的,而贝氏体/马氏体及M-A是在随后冷却过程形成的。此阶段,铁素体中的Mn和Ni将向回转的奥氏体富集,但富集程度不足以使得回转奥氏体稳定到室温,而是在随后冷却过程相变为马氏体/贝氏体及少量M-A。这种退火得到的组织再经过高温回火热处理后,形成了以临界铁素体 回火马氏体/贝氏体 残余奥氏体的多相组织。由于退火阶段使得焊缝组织发生改变,合金元素进行了重新配分,使得其Ac1降低至回火温度以下。而在较高温度进行回火处理时,M-A回转,Mn和Ni再次向回转奥氏体富集,使得回转奥氏体富含较高的奥氏体稳定元素Mn和Ni,进而在冷却过程不发生或部分发生相变,而保留一定含量的回转奥氏体到室温形成残余奥氏体。此外,研究还发现,残余奥氏体的含量与临界回火温度有关。残余奥氏体主要形成于略高于Ac1的回火条件下,温度过高会导致回转奥氏体不稳定,残余奥氏体含量减少。

表2和图6给出母材与相应焊缝金属经过相同临界热处理工艺处理后的力学性能对比。发现,采用Q-IA-T680热处理工艺可同时改善母材和焊缝金属的力学性能,使得二者强度、延伸率以及-40℃冲击功达到基本一致水平。这对实际厚板生产及用户使用过程意义重大。可以根据母材成分及性能匹配相应焊丝,同时可以设计满足母材和焊缝的热处理工艺,为工程应用提供配套使用方案,可以有效解决焊材匹配难题,节约建设成本。

4结论

焊接是整个构件的关键点,其性能优劣决定着整个构件的服役安全性。综合以上研究可得出以下几个重要结论:

1)母材选取:合金元素Ni和Nb的适量添加,可在一定程度上直接或间接改善焊接热影响区的冲击韧性;

2)焊材选取:焊材的合金元素配比对焊缝金属组织和性能有较大影响。Mn、Ni和Mo的合理配比可使焊缝金属获得优异的综合力学性能,提高其服役安全系数;

3)焊接工艺的合理设计:热输入量的选取、一次峰值温度及二次峰值温度的设计需依据实际焊件进行系统设计,匹配出适合母材的最优工艺参数,避免热影响区局部脆化;

4)合理的焊后热处理工艺:依据焊件力学性能要求,设计同时适合母材与焊接接头的热处理工艺,可最大程度保障焊件结构的安全性,节省建设成本。 (尚成嘉 王学林)

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