朱騰輝，張敏敏，李 達(dá)，羅 濤，任希樂(lè)

（1.四川西冶新材料有限公司，四川成都611730；2.西南交通大學(xué)材料學(xué)院，四川成都610031）

熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)水電用鋼焊縫組織性能的影響

朱騰輝1，張敏敏2，李 達(dá)1，羅 濤1，任希樂(lè)1

（1.四川西冶新材料有限公司，四川成都611730；2.西南交通大學(xué)材料學(xué)院，四川成都610031）

采用三種熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)水電用高強(qiáng)鋼進(jìn)行埋弧焊接，研究不同熱輸入對(duì)焊縫金屬組織、強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性的影響。結(jié)果表明，三種熱輸入下焊縫金屬組織均以粒狀貝氏體為主，并含有少量的板條貝氏體、鐵素體和殘余奧氏體，隨著熱輸入的增加，板條貝氏體減少，而粒狀貝氏體和鐵素體量增加。焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度稍有下降，當(dāng)熱輸入為28.7kJ/cm時(shí)強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為784MPa和702MPa；當(dāng)熱輸入升高為35.2 kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別下降23 MPa和18 MPa，塑性得到改善；當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)，其延伸率達(dá)到峰值，為22.5％，較熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)升高5.5％。而沖擊功則先升后降，三種熱輸入下隨著熱輸入的升高，其沖擊功依次為85 J、106 J和94 J。

800 MPa級(jí)水電用高強(qiáng)鋼；熱輸入；焊縫金屬；顯微組織；力學(xué)性能

0 前言

高強(qiáng)鋼因具有高強(qiáng)度，能承受重載、較大壓力等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壓力鋼管、蝸殼、水輪葉片及其他相關(guān)大型焊接結(jié)構(gòu)件中[1-3]。焊接作為水電設(shè)備生產(chǎn)制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)方法，如何設(shè)計(jì)合理的焊接工藝參數(shù)，將直接制約甚至決定水電設(shè)備的服役性能及安全壽命。焊接熱輸入是影響高強(qiáng)鋼的焊接性能的關(guān)鍵因素，優(yōu)化焊接熱輸入，可以顯著降低高強(qiáng)鋼焊接的各種缺陷并提高其焊接性能，降低因高強(qiáng)鋼水電構(gòu)件失效而產(chǎn)生的各種故障。而高強(qiáng)鋼焊縫作為焊接接頭的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定了焊接接頭性能的好壞，關(guān)系到焊接接頭在服役期間的安全性及穩(wěn)定性，如何優(yōu)化和提高焊縫質(zhì)量是高強(qiáng)鋼焊接亟待解決的問(wèn)題[4-5]。

目前對(duì)σ0.2≥800 MPa的高強(qiáng)鋼焊縫的研究多集中于工程機(jī)械、海軍艦船、汽車制造等領(lǐng)域。而針對(duì)水電用高強(qiáng)鋼焊縫的研究，國(guó)內(nèi)外卻鮮有報(bào)道。Wang J F等人[6]采用不同的熱輸入對(duì)汽車用DP1000鋼進(jìn)行激光焊接，研究了熱輸入對(duì)DP1000鋼對(duì)焊縫組織及性能的影響，結(jié)果表明隨著熱輸入的降低，焊縫寬度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而力學(xué)性能卻逐漸上升，焊縫金屬對(duì)塑性的貢獻(xiàn)較小。安同邦等人[7]研究了在不同熱輸入下工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼焊縫組織及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加焊縫組織中貝氏體板條粗化，馬氏體板條減少，而粒狀貝氏體逐漸增多，部分膜狀殘余奧氏體向塊狀轉(zhuǎn)變，焊縫金屬?zèng)_擊韌度和硬度、接頭強(qiáng)度逐漸降低。Sadeghian M等人[8]研究了X65管道用高強(qiáng)鋼和超級(jí)雙相不銹鋼異種金屬焊縫在不同熱輸入下的組織及性能，認(rèn)為隨著熱輸入的增加焊縫中鐵素體含量下降，未發(fā)現(xiàn)有害相，沖擊試驗(yàn)表明在較低熱輸入時(shí)其塑性較差，在較高的熱輸入時(shí)強(qiáng)度比基體金屬更高。

隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高，淬透性增大，焊接難度提高。如何合理地調(diào)控焊縫組織及性能，避免有害相的產(chǎn)生及性能的惡化是亟待解決的問(wèn)題。焊縫組織及性能的影響因素是多方面的，當(dāng)母材和焊接工藝確定后，焊接熱輸入成為關(guān)鍵因素。試驗(yàn)采用28.7 kJ/cm、32.3 kJ/cm、35.2 kJ/cm三種不同的熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)水電用B780CF高強(qiáng)鋼進(jìn)行埋弧焊接，研究不同熱輸入對(duì)實(shí)際焊縫組織及性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼板為國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的BF780CF水電用高強(qiáng)鋼板，母材規(guī)格400 mm×150 mm×25 mm。采用ESAB Aristo 1000AC/DC埋弧焊機(jī)，試驗(yàn)焊絲采用西冶新材料有限公司生產(chǎn)的XY-S80A實(shí)心焊絲，焊絲直徑4 mm，配XY-AF80SD焊劑（焊前300℃×1 h烘干）。母材及焊縫熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。其中施焊熔敷金屬的熱輸入為31 kJ/cm。

表1 母材及熔敷金屬的主要化學(xué)成分Table 1Chemical compositions of base metal and welding seam ％

表2 母材及熔敷金屬的力學(xué)性能Table 2Mechanical properties of base metal and welding seam

分別采用28.7 kJ/cm、32.3 kJ/cm、35.2 kJ/cm三種不同的熱輸入進(jìn)行施焊，試板坡口尺寸如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 試板坡口尺寸Fig.1Groove size of the test plate

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3Welding parameters

埋弧焊試驗(yàn)完成后，測(cè)定焊縫的微觀組織及力學(xué)性能，按照GB/T 2650-2008、GB/T 229-2008等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫（-40℃）KV2沖擊性能試驗(yàn)，按照GB/T 2652-2008、GB/T228-2008等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熔敷金屬拉伸性能試驗(yàn)。采用Axiovert 200MAT型光學(xué)顯微鏡觀察焊縫熔敷金屬微觀組織，使用JSM-7610F場(chǎng)發(fā)射式掃描電子顯微鏡觀察焊縫拉伸和沖擊斷口形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 熱輸入對(duì)焊縫熔敷金屬組織的影響

不同熱輸入下焊縫金屬金相組織如圖2所示。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)，焊縫組織主要為粒狀貝氏體，并伴生有較多的板條貝氏體。當(dāng)熱輸入達(dá)到32.3 kJ/cm時(shí)，原來(lái)較為可觀的板條貝氏體幾近消失，焊縫金相組織幾乎完全是由粒狀貝氏體組成的單相組織。隨著熱輸入的進(jìn)一步提高，當(dāng)熱輸入達(dá)到35.2 kJ/cm時(shí)，先共析鐵素體比例明顯增加，主要以塊狀形式存在，形成主要由塊狀鐵素體和粒狀貝氏體組成的復(fù)相組織。究其原因，隨著熱輸入的增加，冷卻時(shí)間t8/5和高溫停留時(shí)間均出現(xiàn)不同程度的延長(zhǎng)，冷卻速度減緩，隨著冷卻速度的降低，冷卻曲線右移，冷卻曲線與C曲線相交于不同的相轉(zhuǎn)變區(qū)間。此外，合金元素的含量及C的擴(kuò)散可以顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響相轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。熱輸入較小時(shí)，冷卻時(shí)間較短，在連續(xù)冷卻條件下，原奧氏體中C元素來(lái)不及擴(kuò)散、聚集，以過(guò)飽和的形式存在于奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，降低了奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，從而在低溫區(qū)間發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著熱輸入的增加，Mn、Ni和Mo等奧氏體穩(wěn)定化元素受到一定程度的燒損，導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性下降，促進(jìn)組織轉(zhuǎn)變向高溫區(qū)轉(zhuǎn)移。結(jié)合CCT圖可見(jiàn)，隨著奧氏體穩(wěn)定化合金元素的燒損及C元素的充分?jǐn)U散造成C曲線左移，冷卻曲線與C曲線的交點(diǎn)逐漸向高溫區(qū)轉(zhuǎn)移[4-5]。當(dāng)熱輸入為28 kJ/cm時(shí)，冷卻速度較快，奧氏體穩(wěn)定性較高，冷卻曲線經(jīng)過(guò)粒狀貝氏體和板條貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間，形成粒狀貝氏體和板條貝氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；隨著熱輸入的增加，冷卻曲線右移，當(dāng)熱輸入為32.3kJ/cm時(shí)，奧氏體穩(wěn)定性下降，冷卻曲線幾乎完全進(jìn)入粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間，形成較為單一的粒狀貝氏體組織；熱輸入達(dá)到35.2 kJ/cm時(shí)，奧氏體溫度性進(jìn)一步下降，冷卻曲線進(jìn)一步右移，進(jìn)入鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)間，形成鐵素體和粒狀貝氏體的復(fù)相組織。

圖2 不同熱輸入下焊縫下焊縫金屬的微觀組織Fig.2Microstructure ofthe weld metal under different heat inputs

2.2 熱輸入對(duì)焊縫熔敷金屬塑性的影響

不同熱輸入對(duì)焊縫金屬伸長(zhǎng)率的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著熱輸入的提高，焊縫金屬的伸長(zhǎng)率呈不斷上升的趨勢(shì)。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)，塑性較低，伸長(zhǎng)率僅為17％；當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬的伸長(zhǎng)率最高，達(dá)22.5％。

圖3 不同熱輸入下焊縫金屬的伸長(zhǎng)率Fig.3Elongation of the weld metal underdifferent heat inputs

不同熱輸入時(shí)焊縫金屬拉伸斷口掃描形貌如圖4所示。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm和32.3 kJ/cm時(shí)，斷口形貌以韌窩為主，并伴有極少量的小解理刻面；當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)，其拉伸斷口形貌幾乎全部由尺寸較大的韌窩組成，表現(xiàn)為典型的韌窩斷裂形貌特征。韌窩中可以看到尺寸較大的球形夾雜，為韌窩萌發(fā)的核心，與前兩者相比韌窩尺寸和均勻性提高明顯，有利于塑性的改善。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)塑性較差，很大程度上與組織中存在較多的板條貝氏體有關(guān)，板條貝氏體形成溫度較低，鐵素體條中含有大量的高密度位錯(cuò)，限制了位錯(cuò)滑移，惡化了位錯(cuò)滑移條件，此外板條束中的鐵素體板條很細(xì)而且呈小角度界面、平行排列，同時(shí)數(shù)量較多的M/A氏體組織分布于鐵素體板條內(nèi)[9]，惡化了位錯(cuò)滑移條件。與之相比，粒狀貝氏體則由細(xì)小的鐵素體及無(wú)序彌散分布之上的M/A氏體小島組成，板條內(nèi)部位錯(cuò)密度降低，有利于位錯(cuò)的滑移，且鐵素體亞結(jié)構(gòu)近似等軸狀，彌散分布的M/A氏體小島數(shù)量較少，從而提高了塑性[9-10]。而當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)主要是由鐵素體和粒狀貝氏體組成的復(fù)相組織，由于有具有較高塑性的鐵素體的引入，在裂紋萌發(fā)過(guò)程中，強(qiáng)度較低的鐵素體在裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)的作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，減少了應(yīng)力集中，此外相關(guān)文獻(xiàn)表明[11]，除鐵素體本身的塑性好，增加了材料延性外，鐵素體還增加了貝氏體塑性變形的延展范圍，當(dāng)鐵素體體積分?jǐn)?shù)小于0.5時(shí)，貝氏體/鐵素體共同塑性變形率隨鐵素體的比例呈線性上升。

圖4 不同熱輸入下焊縫金屬的拉伸斷口形貌Fig.4Fractograph of tensile specimens of the weld metal under different heat inputs

2.3 熱輸入對(duì)焊縫熔敷金屬?gòu)?qiáng)度的影響

不同熱輸入下焊縫金屬的強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可知，隨著熱輸入的提高，焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為784MPa和702MPa；在熱輸入為35.2kJ/cm時(shí)，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降至761 MPa和684 MPa。鋼強(qiáng)度的提高是固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果，在焊接過(guò)程中Mo、Ni、Cr等合金元素隨著熱輸入的增加燒損程度不斷加劇，固溶到焊縫金屬中的合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈來(lái)愈少，固溶強(qiáng)化效果降低。文獻(xiàn)[12-13]表明，隨著Mo含量的減少，焊縫金屬中具有彌散強(qiáng)化作用的M/A氏體小島含量降低，此外固溶在不含碳晶胞中的Cr、Mo具有很大的活動(dòng)能力，在晶體內(nèi)自由遷移，并與晶體內(nèi)存在的高密度位錯(cuò)充分結(jié)合，形成彌散分布、細(xì)小的富Mo區(qū)域。形核率為[14]

圖5 不同熱輸入下焊縫金屬的強(qiáng)度Fig.5Strength of theweld metal underdifferent heatinputs

式中J為形核率；σ為比表面能；d0為尺寸特征參數(shù)；c為環(huán)境相基本單位；wc為臨界形核功；kB為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

由式（1）可知，當(dāng)熱輸入較小時(shí)，冷卻速度較快，存在較大的形核率，此條件下形成的貝氏體板條尺寸細(xì)小，呈“交織狀”的板條分布，有較大抗塑性變形的能力，同時(shí)板條貝氏體為較低溫產(chǎn)物，其鐵素體板條中存在大量的晶格畸變和高密度位錯(cuò)，加之較低溫形成的彌散分布的M/A小島更為細(xì)小，綜合作用更有益于提高強(qiáng)度。隨著熱輸入的增加，形成的粒狀貝氏體中鐵素體基體較板條貝氏體鐵素體粗大，且晶格畸變和位錯(cuò)密度降低，同時(shí)彌散分布于鐵素體基體上的M/A小島變粗、變少，導(dǎo)致其強(qiáng)度低于板條貝氏體。相關(guān)研究表明[11]，抗拉強(qiáng)度與軟相和硬相的強(qiáng)度極限和體積分?jǐn)?shù)有關(guān)且滿足

式中f為軟相的體積分?jǐn)?shù)；RmA和RmB分別為軟相和硬相的強(qiáng)度極限。

由前文可知，除基體相粒狀貝氏體外，在熱輸入為28.7 kJ/cm和35.2 kJ/cm時(shí)主要的第二相分別為板條貝氏體和塊狀鐵素體，塊狀鐵素體強(qiáng)度顯然低于板條貝氏體。而幾乎完全由粒狀貝氏體組成的單相組織強(qiáng)度低于粒狀貝氏體和板條貝氏體組成的復(fù)相組織。

2.4 熱輸入對(duì)焊縫熔敷金屬?zèng)_擊韌性的影響

不同熱輸入對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊功的影響如圖6所示。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬-40℃沖擊功僅為85 J，隨著熱輸入的增加，焊縫金屬的沖擊功呈先增后減的趨勢(shì)；在熱輸入為32.3 kJ/cm時(shí)達(dá)到峰值106 J，隨后減少；當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)為94 J。

圖6 不同熱輸入下焊縫金屬的沖擊功Fig.6Impact absorption energy of the weld metal under different heat inputs

不同熱輸入時(shí)焊縫金屬?zèng)_擊斷口掃描形貌如圖7所示，可見(jiàn)三者斷口均呈準(zhǔn)解理斷裂與韌窩斷裂共存的情況，在準(zhǔn)解理斷裂面上分布著一定量的韌窩及由韌窩組成的延性撕裂棱，解理斷面具有單元解理小刻面和微裂紋，并呈無(wú)規(guī)則趨向。比較三者可知，當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm時(shí)，斷裂模式以準(zhǔn)解理斷裂為主；當(dāng)熱輸入為32.3 kJ/cm時(shí)，斷裂模式以韌窩斷裂為主；而在熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)，韌窩斷裂和準(zhǔn)解理斷裂各參半。

圖7 不同熱輸入下焊縫金屬的沖擊斷口形貌Fig.7Impact fractograph of the weld metal under different heat inputs

鋼的韌性大小顯然與組織組成有密切關(guān)系，特別是由異相組成的組織對(duì)鋼的韌性有較大影響。異種相之間由于有硬相和軟相的區(qū)別，兩相之間變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力容易在相界面集中，從而形成斷裂時(shí)的微孔、微裂紋萌生源和裂紋低能量擴(kuò)散通道，裂紋容易沿兩相界面?zhèn)鞑?，抗裂紋擴(kuò)展能力較差[15]。因此當(dāng)熱輸入為32.3 kJ/cm時(shí)，由較為一致的相組成的組織其沖擊韌性最高，而造成其余兩者沖擊韌性差異的原因與第二相有關(guān)，板條貝氏體形成溫度較低，板條束中的鐵素體板條很細(xì)且呈小角度界面，裂紋經(jīng)過(guò)小角度晶界時(shí)不宜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋擴(kuò)展路徑較平直，從而使得裂紋較為容易穿過(guò)，加之板條貝氏體鋼板中的M/A島顆粒排列趨于直線，容易成為裂紋擴(kuò)展的路徑而導(dǎo)致鋼的韌性降低[9]。鐵素體具有較高的塑性，由于鐵素體的引入，在裂紋萌發(fā)過(guò)程中強(qiáng)度較低的鐵素體在裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)的作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，減少了應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高了沖擊韌性。

3 結(jié)論

（1）三種不同熱輸入下的焊縫金屬組織均以粒狀貝氏體為主，并含有少量的板條貝氏體、鐵素體和殘余奧氏體，隨著熱輸入的增加，板條貝氏體減少，粒狀貝氏體和鐵素體含量增加。

（2）隨著熱輸入的增加，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度逐漸下降，當(dāng)熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別低至761MPa和684MPa，比熱輸入為28.7kJ/cm時(shí)分別下降了23 MPa和18 MPa。

（3）隨著熱輸入的增加，焊縫金屬?zèng)_擊韌性呈先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)熱輸入為32.3 kJ/cm時(shí)沖擊韌性達(dá)到峰值為106 J，焊縫金屬的塑性隨熱輸入的增加而逐漸上升。當(dāng)熱輸入為28.7 kJ/cm其延伸率處于最低為17％，較熱輸入為35.2 kJ/cm時(shí)少5.5％。

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Effects of different heat input on microstructure and properties of welding seam in 800 MPa Grade high strength steel for hydropower

ZHU Tenghui1，ZHANG Minmin2，LI Da1，LUO Tao1，REN Xile1
（1.Sichuan Xiye New Material Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China；2.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Submerged arc welding of 800 MPa high strength low-alloy steel(HSLA)for hydropower was conducted with different welding heat inputs.The effects of welding heat input on the microstructure，strength，plastic and impact toughness of the welding metal were systematically investigated.The results reveal that the microstructures of welding metal with different welding heat input are mainly composed of granular bainite，as well as a small amount of lath bainite，ferrite and retained austenite.The amount of the granular bainite and ferrite increases while the one of lath bainite decreases with the increase of heat input.Besides，the yield and tensile strength of the weld metal is reduced slightly by increasing the heat input.The tensile and yield strength of the weld metal can reach 784 MPa and 702 MPa respectively when the heat input is 28.7 kJ/cm.However，the yield and tensile strength are reduced by 23 MPa and 18 MPa respectively when the heat input is 35.2 kJ/cm.Meanwhile，the elongation of the welding metal can reach a maximum of 22.5％，which increased by 5.5％compared with the ones under the heat input of 28.7 kJ/cm.The impact toughness of the welding metal increases firstly and then decreases with the increase of heat input.The value of the impact toughness for different welding metal was 85 J、106 J and 94 J respectively.

800 MPa HSLA steel for hydropower；heat input；welding metal；microstructure；mechanical property

TG44

A

1001－2303（2017）01－0068-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.13

獻(xiàn)

朱騰輝，張敏敏，李達(dá)，等.熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)水電用鋼焊縫組織性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：68-73.

2015-12-30；

2016-04-29

朱騰輝（1972—），男，四川自貢人，碩士，主要從事特種焊接材料及焊接工藝的研究工作。