eh40船板鋼埋弧焊焊接接頭組織性能試驗分析

eh40船板鋼埋弧焊焊接接頭組織性能試驗分析

隨著我國造船業(yè)的快速發(fā)展，造船廠行業(yè)已轉(zhuǎn)向大型化和輕型化。一般來說，厚船板不能滿足船體的需求。隨著高強度、高質(zhì)量e級和f級船板的應(yīng)用比例的增加。新一代EH40船板鋼屬于低碳、微合金、細晶粒高強度合金鋼。眾所周知,焊接是造船的關(guān)鍵技術(shù),焊接接頭性能的好壞直接影響整個船體的質(zhì)量。為了提高焊接效率,單面埋弧焊(SAW)、氣電焊(EGW)及電渣焊(ESW)等大熱輸入量焊接技術(shù)在各行業(yè)已被逐步采用。大熱輸入量焊接時,峰值溫度升高,高溫停留時間加長,會出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長大,使熱影響區(qū)(HAZ)相對原始母材發(fā)生很大變化,造成HAZ的脆化和軟化。此外,在多層焊熱循環(huán)作用下,HAZ粗晶區(qū)更易出現(xiàn)硬脆組織馬氏體-奧氏體組元(M-A組元)。因此,研究其裂紋敏感性和HAZ的力學(xué)性能,分析船板鋼組織和性能特點,對EH40船板鋼得到廣泛的應(yīng)用無疑具有重要的工程實際意義。1焊接接頭加工試驗用EH40船板鋼的化學(xué)成分見表1。焊接試驗鋼板尺寸為500mm×200mm×40mm,開雙Y形坡口。試驗采用多層多道埋弧焊焊接,焊接材料采用H10Mn2+SJ101,焊絲規(guī)格φ5.0mm,使用引弧板,采用雙面焊接,正面焊完后反面免清根的焊接方法,如圖1所示。焊前預(yù)熱50℃,道間溫度控制在150℃,焊接電流750～800A,電弧電壓30～32V,焊接熱輸入控制為60kJ/cm。焊后對焊接接頭進行拉伸、沖擊和硬度試驗,用掃描電鏡分析沖擊斷口形貌,用光學(xué)顯微鏡對接頭不同區(qū)域進行微觀組織分析,腐蝕液采用3%硝酸酒精。接頭沖擊試驗采用V形缺口,沖擊試驗位置分別為:焊縫,熔合線和距熔合線不同距離L(2mm、3mm、4mm)處,每個位置取3個試樣的試驗結(jié)果求平均值,沖擊試驗溫度為-20℃。2試驗結(jié)果與分析2.1接頭拉伸試驗結(jié)果由于試驗鋼板強度高,也比較厚,于是根據(jù)船級社拉伸試驗規(guī)定,分別沿焊縫的上下表面取樣,試樣厚度25mm,以兩個試樣試驗結(jié)果的算術(shù)平均值作為整個接頭的試驗結(jié)果。拉伸試驗結(jié)果(3組試驗結(jié)果的平均值)見表2。接頭拉伸試驗的斷口均位于母材區(qū),表明整個焊接接頭強度高于母材,沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。拉伸過程中無明顯的屈服平臺,呈現(xiàn)為連續(xù)屈服現(xiàn)象,這與該鋼的母材組織有很大關(guān)系,其基體由多邊形鐵素體、針狀鐵素體和部分珠光體組成,具有高密度的可移動位錯,易于實現(xiàn)多滑移。2.2熔合線位置的斷口形貌從表3沖擊試驗結(jié)果來看,焊縫和熔合區(qū)的沖擊吸收功顯著低于母材;焊接熱影響區(qū)中熔合區(qū)的沖擊值最低(85.2J),該位置沖擊斷口形貌如圖2(a)所示,呈現(xiàn)大面積準(zhǔn)解理斷裂形貌,但沒有出現(xiàn)解理斷裂,且各個小的準(zhǔn)解理區(qū)被纖維區(qū)分開。隨著遠離熔合線距離的增加,沖擊值增加,距熔合線4mm處的沖擊值跟母材接近,該位置沖擊斷口形貌如圖2(b)所示,與熔合線位置相比此處斷口韌窩數(shù)量多,且深度大,說明在沖擊斷裂過程中,裂紋擴展受到了很大的阻礙,故表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。將韌窩處形貌放大,發(fā)現(xiàn)韌窩中心存在塊狀小顆粒,能譜分析測定,主要的化學(xué)成分為O、Si、Ca、Al、Ti、Fe等元素,不同韌窩中心顆粒各元素含量比例有所不同,因此推斷小顆粒為氧化物或復(fù)合型氧化物。在外力作用下,氧化物顆粒處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為裂紋源,其對沖擊韌度(裂紋擴展)的影響有待進一步研究。2.3焊接連接的微觀組織分析2.3.1大量側(cè)板條鐵素體fsp在大熱輸入量焊接時,每道焊接在焊縫熔敷金屬較多,如圖3(a)所示,各道內(nèi)部呈現(xiàn)了明顯的柱狀晶,存在大量有方向性的側(cè)板條鐵素體(FSP)。由于采用多層焊焊接工藝,先焊焊道的一次柱狀晶組織經(jīng)歷后焊焊道的熱輸入,層間發(fā)生奧氏體化,重新發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,柱狀晶轉(zhuǎn)變成為細小的等軸晶,圖3(b)所示,晶界鐵素體(GBF)、塊狀鐵素體(BLF)和少量針狀鐵素體(AF)取代了原有的FSP,改善了焊縫的力學(xué)性能。2.3.2eh40船板鋼的組織一般來說,低合金高強鋼焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材三個區(qū)域中,HAZ是最薄弱環(huán)節(jié)?；贖AZ的組織特征,HAZ可再分為四個區(qū):粗晶區(qū)(CGHAZ),細晶區(qū)(FGHAZ),不完全重結(jié)晶區(qū)(ICHAZ),回火區(qū)(SCHAZ)。在大熱輸入量焊接熱輸入作用下,靠近熔合線的母材重新奧氏體化,發(fā)生新的二次組織轉(zhuǎn)變,母材原有的軋制組織及分布完全改變,圖3(c)為HAZ粗晶區(qū)微觀組織,粗大的奧氏體晶界清晰可見,在奧氏體晶界內(nèi)部,二次轉(zhuǎn)變生成BLF、板條貝氏體(LB)、AF和少量的粒狀貝氏體(GB)組織,圖中小黑點和短黑線為碳化物,而少量的大塊帶棱角的黑色相可能為M-A組元。圖3(c)所示,粗晶區(qū)的奧氏體晶粒尺寸在50μm左右,而普通低碳鋼焊接后奧氏體晶粒在100μm以上。這是由于EH40船板鋼中的Ti、Nb微合金元素與C、N元素形成微小的氮化物和碳化物粒子,如TiN、NbN、TiC等,在焊接熱循環(huán)過程中,細小的第二相粒子能夠釘扎原始奧氏體晶界,有效地阻止原始奧氏體晶粒長大。由于奧氏體粗化現(xiàn)象的有效制止,晶界增多,提高了材料的綜合力學(xué)性能。在CGHAZ并沒有發(fā)現(xiàn)太多的M-A組元,而發(fā)現(xiàn)一些AF,形成的貝氏體也比較細密。據(jù)研究報道,Ti、Nb微合金元素的存在,抑制粗大貝氏體的形成,促進AF析出及M-A組元的分解。M-A組元自身韌性較低,產(chǎn)生應(yīng)力集中,易形成局部脆性區(qū)(LBZ)。AF晶粒細小,發(fā)生一次解理斷裂裂紋的位移很小,裂紋擴展速率小。而且AF的晶界是高能量的大角度晶界,解理時跨越晶界需要消耗大量的能量,使得AF具有很高的抗解理斷裂的能力。因此EH40船板鋼,即使高熱輸入和緩冷條件,其粗晶區(qū)仍具有較好沖擊韌度。細晶區(qū)(圖3d)和部分相變區(qū)(圖3e)中,所得到的組織為鐵素體和珠光體,這兩個區(qū)域相對粗晶區(qū)來說,沒有發(fā)生過熱引起的奧氏體晶粒嚴(yán)重長大現(xiàn)象,也沒有生成貝氏體、M-A組元等脆硬組織,其沖擊性能相對應(yīng)與母材沒有發(fā)生太大的變化。因此焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)是受焊接熱影響最為嚴(yán)重的區(qū)域,也是沖擊性能最差的區(qū)域。2.4試驗結(jié)果的分析垂直切斷焊縫、拋光,在維氏硬度試驗機上對焊接接頭進行3kg載荷維氏硬度測試。圖4中的硬度測試結(jié)果表明,HAZ的最高硬度出現(xiàn)在CGHAZ靠近熔合線處,其值為238HV,最低硬度出現(xiàn)在細晶區(qū),其值為183HV,從試驗結(jié)果來看沒有出現(xiàn)明顯的焊接軟化區(qū),這與拉伸試驗時,斷口位置遠離接頭現(xiàn)象相符。為了進一步分析粗晶區(qū)的顯微(下轉(zhuǎn)第19頁)(上接第17頁)組織,在該區(qū)域作顯微維氏硬度0.1HV試驗,測量的最高硬度值為259HV,遠遠小于350HV,推斷此區(qū)域存在少量M-A組元,出現(xiàn)了板條貝氏體和粒狀貝氏體組織,此結(jié)果跟微觀組織照片結(jié)果相符合。3熱影響區(qū)的相(1)焊接接頭拉伸斷口位置離焊接接頭較遠,表明在熱輸入為60kJ/cm的條件下,沒有出現(xiàn)焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。(2)低溫沖擊試驗表明,熱影響區(qū)中熔合區(qū)沖擊值最低,為韌性斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的混合斷裂。距熔合線距離增加,沖擊吸收功有增加的趨勢,在距熔合線4mm處的沖擊吸收功跟母材接近。(3)微觀組織分析表明,熱影響區(qū)粗晶區(qū)奧氏體晶粒顯著長大,在奧氏體晶界內(nèi)部