大線能量焊接技術(shù)的發(fā)展

大線能量焊接技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代末，在船舶、石油、化工、水、橋梁、城市建設(shè)等領(lǐng)域，工程結(jié)構(gòu)日益發(fā)展。例如，大型原油儲(chǔ)水池、大型球罐、大型海上開(kāi)采平臺(tái)、大型管道、大型跨境橋梁等。為提高大型工程結(jié)構(gòu)的焊接效率,保證其使用的安全可靠性,焊接效率高的單面埋弧焊、氣電焊、電渣焊等大線能量焊接技術(shù)相繼被采用,這給傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)度鋼(HSLA鋼)帶來(lái)了新的課題,即焊接粗晶熱影響區(qū)(CoarseGrainHeatAffectedZone簡(jiǎn)稱(chēng)CGHAZ)的強(qiáng)度和韌性變差,且易產(chǎn)生焊接冷裂紋等缺陷。為此,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了大線能量焊接用鋼的研究。上世紀(jì)70年代末至80年代初期,日本幾家鋼廠分別研制成功了焊接線能量可達(dá)50~150kJ/cm的大線能量焊接用鋼,如新日鐵的SPV490Q、日本鋼管的NK-HITEN590E2和NK-HITEN610E2、川崎制鐵的RIVERACE690LPH和RIVERACE710LPH等鋼種,并申請(qǐng)了專(zhuān)利。武漢鋼鐵公司于1996年在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了σs490MPa級(jí)大線能量焊接調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼WH610D2的研制,并成功用于國(guó)產(chǎn)10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐的建造。大線能量焊接時(shí),傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度鋼的CGHAZ強(qiáng)度會(huì)略有提高,但韌性極差,主要原因是奧氏體晶粒的嚴(yán)重長(zhǎng)大以及二次組織由小熱量輸入多層多道焊時(shí)的回火馬氏體+下貝氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w組織,而CGHAZ的韌性是焊接結(jié)構(gòu)中性能最薄弱的環(huán)節(jié)。研究結(jié)果表明,當(dāng)大線能量焊接后的CGHAZ含有一定數(shù)量的針狀鐵素體(AF)時(shí),將具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫沖擊韌性。研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊縫金屬中形成針狀鐵素體(AF)時(shí),焊接接頭抗解理斷裂的能力增強(qiáng),尤其是抗應(yīng)力腐蝕和抗氫脆的能力明顯提高,且AF的含量越高,上述性能就越好。AF是過(guò)冷奧氏體在650~500℃,于奧氏體晶內(nèi)夾雜物上形核并長(zhǎng)大,具有大角度晶界。因此,研究工作的重點(diǎn)集中在使CGHAZ獲得一定數(shù)量的AF,并對(duì)AF的形成機(jī)制進(jìn)行了研究。1配方的韌性大線能量焊接用鋼CGHAZ原奧氏體晶粒大小和二次組織是CGHAZ組織和韌性的兩個(gè)決定性因素。原奧氏體晶粒越細(xì)小,CGHAZ的晶粒也越小,因而CGHAZ的韌性也越好;同時(shí),希望在CGHAZ中得到一定數(shù)量的針狀鐵素體組織,該組織具有較大的應(yīng)變和位錯(cuò)密度,位向雜亂,能較好地阻止裂紋擴(kuò)展,因而使CGHAZ具有較高的韌性和強(qiáng)度。1.1微鋼中tin鋼中的微合金化元素形成納米級(jí)碳或/和氮化物在鋼中彌散分布,阻止奧氏體長(zhǎng)大,從而提高CGHAZ的性能。所形成的化合物熔點(diǎn)越高,這種作用就越明顯。其中,研究Ti處理對(duì)微合金鋼CGHAZ奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響最多。陳茂愛(ài)等研究了Ti對(duì)HSLA鋼焊接粗晶熱影響區(qū)組織及韌性的影響,鋼中彌散分布的TiN質(zhì)點(diǎn)有效地阻止了奧氏體晶粒長(zhǎng)大,從而為通過(guò)二次組織改善粗晶熱影響區(qū)的韌性奠定了基礎(chǔ)。其采用的鋼中含Al量為0.045%,屬于用強(qiáng)脫氧元素Al進(jìn)行脫氧的HSLA鋼,因而在其研究工作中,Ti以TiN形式存在。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)t8/5=120s時(shí)的vTr(27J)略低于t8/5=60s時(shí)的數(shù)值(t8/5:從800℃冷卻到500℃的時(shí)間;vTr(27J):AKV=27J時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度),因?yàn)榇藭r(shí)CGHAZ的奧氏體晶粒長(zhǎng)大幅度不大。還有研究發(fā)現(xiàn),鋼中細(xì)小彌散的TiN質(zhì)點(diǎn)拖曳和釘扎了高溫奧氏體晶界的遷移,TiN顆粒尺寸越小,數(shù)量越多,阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用越強(qiáng)。當(dāng)鋼中Ti/N接近理想化學(xué)配比3.42時(shí),形成的TiN顆粒尺寸相對(duì)最小,數(shù)量最多。研究工作還探討了復(fù)合添加Nb、Ti對(duì)微合金鋼CGHAZ奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響。析出的(Nb、Ti)N比TiN尺寸更細(xì)小,更穩(wěn)定,數(shù)量更多,可進(jìn)一步細(xì)化高溫奧氏體晶粒。但是,Nb對(duì)奧氏體晶粒的細(xì)化作用與鋼中有效的Ti/N比值有關(guān)。1.2組織及晶粒的變化對(duì)mchaz性能的影響焊接熱循環(huán)后,HSLA鋼的CGHAZ將獲得除針狀鐵素體外,還含有晶界鐵素體、珠光體、M-A島的二次組織。這些組織中,AF對(duì)提高CGHAZ的韌性極為有利,而其它的組織都不同程度地使韌性下降。從已有研究成果來(lái)看,主要是研究化學(xué)成分對(duì)二次組織形成的影響,并通過(guò)不同焊接線能量深入探討化學(xué)成分對(duì)二次組織的影響。含Ti微合金鋼的二次組織,由于鋼中彌散分布的TiN質(zhì)點(diǎn)有效地促進(jìn)了針狀鐵素體的形成,從而顯著改善了粗晶熱影響區(qū)的韌性。t8/5=60s時(shí)的組織以上貝氏體為主,而t8/5=120s時(shí)的組織以針狀鐵素體為主,也就是說(shuō),隨著焊接線能量提高,二次組織由以上貝氏體為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬槧铊F素體為主。而且珠光體的形態(tài)由非層片相間轉(zhuǎn)變?yōu)閷悠嚅g,M-A島由條狀變?yōu)閴K狀,數(shù)量減少,因而使韌性得以提高。t8/5=120s時(shí)的vTr(27J)還略低于t8/5=60s時(shí)的數(shù)值,雖然CGHAZ的奧氏體晶粒長(zhǎng)大幅度不大,但組織改善的有利作用大于奧氏體晶粒長(zhǎng)大的有害作用。有學(xué)者研究了V(0、0.05%、0.11%)和Nb(0、0.03%)對(duì)低碳微合金鋼CGHAZ的組織和性能的影響。含0.05%V時(shí),CGHAZ的晶粒最細(xì)小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低,M-A島的尺寸和面積百分?jǐn)?shù)都最小;含0.03%Nb時(shí),M-A島的尺寸和面積百分?jǐn)?shù)都最大,因而CGHAZ性能最差。M-A島是使CGHAZ韌性惡化的最重要的因素。關(guān)于晶界鐵素體、珠光體、M-A島等二次組織的形成機(jī)制,形成了比較一致的認(rèn)識(shí)。晶界鐵素體是CGHAZ在奧氏體化后首先發(fā)生相變的產(chǎn)物,故也稱(chēng)先共析鐵素體,沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布,形成溫度范圍為900~700℃。M-A島是在連續(xù)冷卻過(guò)程中分布在塊狀鐵素體基體上的富碳奧氏體區(qū)連續(xù)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物,常存在于側(cè)板條鐵素體邊界上?；瘜W(xué)成分和冷卻速度是控制上述二次組織的最主要的因素。2氧化物金礦。在焊接法官近年來(lái),日本學(xué)者將鋼中有害夾雜物變性為有益的細(xì)小、彌散分布的孕育劑,從而改變夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,提高鋼材強(qiáng)度和韌性的方法稱(chēng)為氧化物冶金。氧化物冶金引起了相當(dāng)多的研究,因?yàn)樵谖⒘孔冃位驔](méi)有變形的情況下能使晶粒細(xì)化。氧化物冶金技術(shù)最早用于細(xì)化焊接接頭晶粒,因?yàn)楹附覥GHAZ晶粒傾向惡化,而又不能通過(guò)變形使其細(xì)化。目前,雖然關(guān)于針狀鐵素體(AF)的形核機(jī)理論說(shuō)較多,但一致公認(rèn)的是,無(wú)論是鋼板,還是焊縫金屬中,針狀鐵素體是以晶內(nèi)夾雜物為形核核心形成的。2.1缺陷物的產(chǎn)生機(jī)制針狀鐵素體很少直接從夾雜物形核,析出相首先從夾雜物上析出,然后針狀鐵素體從析出相形核。TiN、BN和MnS從Ti2O3或TiO上析出,然后整個(gè)析出相作為鐵素體的形核核心。還有研究工作報(bào)道,MnS在夾雜物上析出,然后VN或V4C3在MnS上析出,該復(fù)合析出物對(duì)鐵素體形核尤為有利。還有報(bào)道說(shuō),不需要借助于夾雜物,TiN本身即可作為針狀鐵素體相變的形核核心。更進(jìn)一步的研究表明,析出相更傾向于從某類(lèi)夾雜物形核。因?yàn)檫@類(lèi)析出相與夾雜物具有良好的共格關(guān)系。有研究報(bào)道,陽(yáng)極空位型夾雜物吸附Mn,使MnS易于在其上析出。如果煉鋼過(guò)程中用Mn、Si、Zr代替Al脫氧時(shí),MnS在夾雜物上析出的現(xiàn)象更易于觀察到。關(guān)于該現(xiàn)象,有人提出了這樣的機(jī)制:液態(tài)時(shí),含Mn的夾雜物對(duì)Mn的溶解度高,冷卻過(guò)程中,MnS在夾雜物表面析出,該MnS就是針狀鐵素體優(yōu)先形核的位置。KohichiYamamoto等人研究了B對(duì)含Ti2O3鋼焊接熱模擬試驗(yàn)后HAZ的組織和韌性的影響。Ti的夾雜物以Ti2O3形式存在,Ti2O3具有陽(yáng)極空位,使MnS和TiN在其上優(yōu)先形核。MnS被吸附到Ti2O3后,就在Ti2O3附近形成了一個(gè)貧Mn區(qū),吸附了TiN和含有貧Mn區(qū)的Ti2O3作為晶內(nèi)鐵素體(IntragranularFerrite簡(jiǎn)稱(chēng)IGF)的形核核心。B偏聚到奧氏體晶界,抑制了晶界鐵素體的形核。Ti2O3和奧氏體基體之間的界面上,鐵素體形核不受B含量的影響,因?yàn)锽被Ti2O3上的陽(yáng)極空位吸附,形成了貧B區(qū),因此,含Ti2O3的鋼中加B,促進(jìn)了細(xì)小的IGF的形成,即使經(jīng)過(guò)大線能量焊接,HAZ仍具有較好的韌性。關(guān)于針狀鐵素體形核時(shí)夾雜物所起的作用,哪類(lèi)夾雜物更有利于作為針狀鐵素體(AF)形核核心,能促使AF形成的夾雜物需要什么特征,目前還不清楚。各種研究成果報(bào)道,某一類(lèi)型的夾雜物才能作為AF的形核核心,細(xì)氧化物夾雜,稀土氧硫化物上析出的硼氧化物,富Al的夾雜物,TiN,都可作為AF的形核核心。Bhatti等認(rèn)為,富Al的夾雜物比富Mn的夾雜更有利于AF形核,因此,化學(xué)成分是控制AF形成的首要因素。然而,Dowling等發(fā)現(xiàn),AF的數(shù)量與氧化物成分及組成沒(méi)有任何關(guān)系。綜上所述,關(guān)于夾雜物上析出相優(yōu)先形核及夾雜物和析出相上針狀鐵素體形成的研究報(bào)道很多,大多數(shù)研究都是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析,定量研究做得很少,研究工作的結(jié)論不盡一致。在該領(lǐng)域的研究還須繼續(xù)進(jìn)行,包括豐富界面能的數(shù)據(jù)及建立氧化物冶金中針狀鐵素體形核的模型。2.2微鋼焊縫金屬酶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)余圣甫等人用SEM和TEM研究了高韌性DW-100型藥芯焊絲焊縫金屬的顯微組織,測(cè)定了焊縫金屬中非金屬夾雜物的尺寸。夾雜物的尺寸分布在最能促進(jìn)針狀鐵素體形核的范圍(0.7~2μm),焊縫金屬中針狀鐵素體達(dá)到90%時(shí),-20℃時(shí)的斷裂韌性特征值δ0.2可達(dá)0.151mm。他們還進(jìn)一步研究了低合金高強(qiáng)度鋼藥芯焊絲焊縫中夾雜物尺寸大小、化學(xué)成分與針狀鐵素體形成的關(guān)系。無(wú)論是酸性還是堿性藥芯焊絲,夾雜物的直徑在0.7~2.0μm之間,有利于促進(jìn)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大。藥芯焊絲焊縫中的夾雜物對(duì)針狀鐵素體形成的影響規(guī)律的研究表明,焊縫金屬中促進(jìn)針狀鐵素體形成和長(zhǎng)大的夾雜物是Ti、Mn、Si、Al、Cu形成的氧硫復(fù)合夾雜,而焊縫金屬中Ni、Mo、Mn的含量和焊接線能量對(duì)非金屬夾雜物的尺寸大小及化學(xué)成分影響很小。夾雜物的直徑在0.3~2.0μm之間才能促進(jìn)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大。具有高能惰性界面的夾雜物能促進(jìn)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大;同時(shí),非金屬夾雜物與母相的線膨脹系數(shù)相差較大,在非金屬夾雜物附近造成很大的應(yīng)變能,也能促進(jìn)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大。張德勤等人對(duì)微合金鋼焊縫金屬中夾雜物的尺寸、化學(xué)成分及其對(duì)針狀鐵素體形成的影響進(jìn)行了研究。夾雜物在焊縫中心最多,在熔合線附近最少,隨著焊接線能量增加,夾雜物尺寸變大,數(shù)量變化不明顯。約90%夾雜物的直徑在0.3~0.6μm之間,在該尺寸范圍內(nèi)的夾雜物才能促進(jìn)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大;夾雜物是多個(gè)物相組成的復(fù)合物,組成夾雜物的物質(zhì)有:MnO2、3MnO·Al2O3·SiO2、TiN、CaO·2Al2O3、θ-Al2O3等。Tae-KyuLEE對(duì)低合金鋼焊縫金屬中夾雜物的大小作了細(xì)致的分析,根據(jù)其是否能作為針狀鐵素體形核核心,將夾雜物分為形核核心和非形核核心兩類(lèi),而每一類(lèi)又細(xì)分為兩種不同的情形。能有效作為形核核心的夾雜物,尺寸范圍為0.2~1.0μm之間。有的學(xué)者就低合金鋼焊縫金屬中夾雜物對(duì)針狀鐵素體形成的影響進(jìn)行了類(lèi)似的研究工作。所選用的實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分不同,得出的最能促進(jìn)針狀鐵素體形核的夾雜物尺寸范圍也有所不同。不管在什么情況下,只有一定尺寸范圍的夾雜物才能作為針狀鐵素體形核核心。2.3工物模板ames和資針狀鐵素體形核機(jī)理都是關(guān)于Ti-B系鋼,主要學(xué)說(shuō)有以下3種:(1)形核夾雜物與基體和針狀鐵素體之間具有良好的共格關(guān)系,從而降低界面能,使針狀鐵素體很容易從析出相上形核。(2)在高應(yīng)變區(qū)的夾雜物上形核。貧Mn區(qū)或/和貧B區(qū)、夾雜物與基體之間熱膨脹系數(shù)不同,造成高應(yīng)變區(qū),應(yīng)變能提供形核能。(3)夾雜物提供的高能惰性表面,針狀鐵素體在夾雜物表面上形核,從而降低形核的勢(shì)壘。早期的研究工作認(rèn)為,夾雜物與AF之間小的錯(cuò)配度將促進(jìn)針狀鐵素體(AF)形核,也就是說(shuō)與AF具有良好共格關(guān)系的夾雜物對(duì)AF形核最有利。甚至有人認(rèn)為,在夾雜物和AF片條之間可能存在取向關(guān)系,并在含V鋼中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。在不同的焊縫金屬中進(jìn)行了類(lèi)似的研究,但沒(méi)有再現(xiàn)AF和夾雜物的位向關(guān)系。直到現(xiàn)在,焊縫金屬中AF與夾雜物的位向關(guān)系仍沒(méi)確立。形核核心與針狀鐵素體(AF)之間界面錯(cuò)配度低,該核心為非均質(zhì)核心,如果AF與奧氏體及夾雜物具有一定的位向關(guān)系,則夾雜物易于作為形核核心。如果形核過(guò)程中形成了低錯(cuò)配底界面,AF和形核核心之間是有一定位向關(guān)系,而與奧氏體基體沒(méi)有位向關(guān)系。但是,在很多研究中發(fā)現(xiàn),由一個(gè)夾雜物可形核長(zhǎng)大成4個(gè)不同位向的AF,這意味著所形成的AF與夾雜物沒(méi)有任何位向關(guān)系。實(shí)際上,從鋼液中形成的夾雜物與奧氏體的位向關(guān)系是隨機(jī)的,所形成的針狀鐵素體與原奧氏體晶粒的位向關(guān)系是有限的,這是由貝氏體轉(zhuǎn)變的特征決定的,這意味著夾雜物與鐵素體的位向關(guān)系是隨機(jī)的,因此,基于低錯(cuò)配度界面的機(jī)制是不成立的。另有研究工作認(rèn)為,奧氏體與夾雜物熱膨脹系數(shù)的差異所導(dǎo)致的熱應(yīng)力能促進(jìn)針狀鐵素體(AF)形核并長(zhǎng)大,該觀點(diǎn)的主要依據(jù)是奧氏體和不同類(lèi)型夾雜物的熱膨脹系數(shù)具有很大的差異。如果該機(jī)制起作用,那么,它將對(duì)所形成AF的淬硬性和隨后的相變產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。然而,該學(xué)說(shuō)被另外的學(xué)者否定,他們計(jì)算了由此產(chǎn)生的應(yīng)變能,該應(yīng)變能遠(yuǎn)小于相變能。除此之外,還有學(xué)者認(rèn)為夾雜物附近的成分起伏對(duì)針狀鐵素體(AF)形成起主要作用。Farrar和Watson最早認(rèn)為,夾雜物附近的微區(qū)化學(xué)成分差異尤其是Mn含量差異,促進(jìn)AF的形成。Mabuchi等利用納米探針成功地在MnS/F基體上發(fā)現(xiàn)了貧Mn區(qū),貧Mn區(qū)是因?yàn)樵诶鋮s過(guò)程中,MnS在(Mn、Si)O夾雜物上析出,并認(rèn)為這是促進(jìn)AF形成的最主要因素。另外一些關(guān)于貧Mn區(qū)的工作是由Shim和Gregg等人進(jìn)行的,他們發(fā)現(xiàn)