D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.08.019 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2009 含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 段贵生1,2)陈伟庆)孙斌2) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)安阳钢铁集团公司技术中心，安阳455004 摘要利用Gleeble热模拟机对含硼低合金高强度钢板进行不同焊接工艺下的热模拟实验，研究了焊接热影响区(HAZ)的 过热区显微组织、韧度及其变化规律。结果表明：钢板过热区冲击韧度随冷却时间t83的增大而显著降低：当83小于67s时， 过热区冲击韧度较高，相应过热区组织为板条马氏体或板条马氏体十贝氏体，晶粒较细小.800MPa级低碳贝氏体钢板焊接 工艺实验结果表明，焊接热输入量为0.96~2.11kJmm-1,焊道间温度为150~200℃和焊后热处理，焊接接头焊缝金属和焊 接热影响区的冲击韧度保持较高水平，说明钢板对焊接工艺有较强的适应性· 关键词低合金高强度钢；硼：焊接热影响区：显微组织：冲击韧度 分类号TG142.33 Impact toughness in the welding heat affected zone of HSLA steel with boron DUAN Gui-sheng2).CHEN Wei-qing).SUN Bin2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Technology Center,Anyang Iron and Steel Co-Ltd-,Anyang 455004.China ABSTRACI The microstructure and toughness in the welding heat affected zone(HAZ)of boron containing high"strength low-alloy (HSLA)steel plates were investigated by means of thermal simulation with a Gleeble thermal simulator.The results show that the toughness in the overheated zone decreases significantly with the increase of cooling time t8/3.When t8/3 below 67 s.the impact toughness in the overheated zone is higher,the structure is lath martensite or lath martensite+bainite,and the grain is finer.Since the impact toughness in the HAZ and weld joint of 800 MPa grade low carbon bainitic steel is higher,the welding process which are 0.96-2.11kJmmheat input,150-200C interbead temperature and heat treatment after welding has a high adaptability to the low carbon bainite steel. KEY WORDS high-strength low-alloy steel:boron:heat affected zone (HAZ):microstructure;impact toughness 高级别低合金高强度(HSLA)钢板的成分一般 织等措施改善韧度， 采用低碳和B Mo-Cr-Nb-V一Ti复合微合金化设 本文针对800MPa级含B低碳贝氏体钢，采用 计思想，并结合TMCP工艺，轧态钢板的微观组织 焊接热模拟实验、冲击实验和金相检验等对钢板 控制含有一定比例贝氏体组织，主要用于工程机械 HAZ的组织转变、冲击韧度和接头性能等进行了实 行业，焊接过程对低碳贝氏体HSLA钢板的焊接热 验研究，测定了钢板HAZ不同部位的冲击韧度和显 影响区(HAZ)韧度有重要影响，钢板HAZ韧度下降 微组织的变化，对其作用机理进行了探讨，得到了低 的原因为]：(1)焊接过程中奥氏体晶粒粗大化 碳贝氏体钢焊接热影响区显微组织和性能关系的基 使冷却后组织发生脆化；(2)伴随MA组元沿原奥 本数据，对了解低碳贝氏体钢的焊接性和安全使用 氏体边界的析出，其数量、尺寸和形态发生变化，分 性能均具有重要意义， 布由晶界向晶内延伸，引起晶粒内组织脆化：（③）钢 中杂质元素引起的脆化，为改善钢板HAZ韧度，常 1实验材料和方法 采用加入微合金元素，通过晶粒细化和控制HAZ组 实验钢种采用Mn一MoCr-B系低碳贝氏体 收稿日期：2008-11-03 作者简介：段贵生(1966一)，男，博士研究生，高级工程师：陈伟庆(1951一)，男，教授，博士生导师，E-mail:w qchen-ustb@163.com
含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 段贵生12） 陈伟庆1） 孙 斌2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 安阳钢铁集团公司技术中心安阳455004 摘 要 利用 Gleeble 热模拟机对含硼低合金高强度钢板进行不同焊接工艺下的热模拟实验研究了焊接热影响区（HAZ）的 过热区显微组织、韧度及其变化规律．结果表明：钢板过热区冲击韧度随冷却时间 t8／3的增大而显著降低；当 t8／3小于67s 时 过热区冲击韧度较高相应过热区组织为板条马氏体或板条马氏体＋贝氏体晶粒较细小．800MPa 级低碳贝氏体钢板焊接 工艺实验结果表明焊接热输入量为0∙96～2∙11kJ·mm －1、焊道间温度为150～200℃和焊后热处理焊接接头焊缝金属和焊 接热影响区的冲击韧度保持较高水平说明钢板对焊接工艺有较强的适应性． 关键词 低合金高强度钢；硼；焊接热影响区；显微组织；冲击韧度 分类号 TG142∙33 Impact toughness in the welding heat affected zone of HSLA steel with boron DUA N Gu-i sheng 12）CHEN We-i qing 1）SUN Bin 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Technology CenterAnyang Iron and Steel Co．Ltd．Anyang455004China ABSTRACT T he microstructure and toughness in the welding heat affected zone （HAZ） of boron containing high-strength low-alloy （HSLA） steel plates were investigated by means of thermal simulation with a Gleeble thermal simulator．T he results show that the toughness in the overheated zone decreases significantly with the increase of cooling time t8／3．When t8／3 below 67sthe impact toughness in the overheated zone is higherthe structure is lath martensite or lath martensite ＋ bainiteand the grain is finer．Since the impact toughness in the HAZ and weld joint of 800MPa grade low carbon bainitic steel is higherthe welding process which are 0∙96－2∙11kJ·mm －1 heat input150－200℃ interbead temperature and heat treatment after welding has a high adaptability to the low carbon bainite steel． KEY WORDS high-strength low-alloy steel；boron；heat affected zone （HAZ）；microstructure；impact toughness 收稿日期：2008-11-03 作者简介：段贵生（1966－）男博士研究生高级工程师；陈伟庆（1951－）男教授博士生导师E-mail：wqchen．ustb＠163．com 高级别低合金高强度（HSLA）钢板的成分一般 采用低碳和 B－Mo－Cr－Nb－V－Ti 复合微合金化设 计思想并结合 T MCP 工艺轧态钢板的微观组织 控制含有一定比例贝氏体组织主要用于工程机械 行业．焊接过程对低碳贝氏体 HSLA 钢板的焊接热 影响区（HAZ）韧度有重要影响钢板 HAZ 韧度下降 的原因为［1－6］：（1） 焊接过程中奥氏体晶粒粗大化 使冷却后组织发生脆化；（2） 伴随 MA 组元沿原奥 氏体边界的析出其数量、尺寸和形态发生变化分 布由晶界向晶内延伸引起晶粒内组织脆化；（3） 钢 中杂质元素引起的脆化．为改善钢板 HAZ 韧度常 采用加入微合金元素通过晶粒细化和控制 HAZ 组 织等措施改善韧度． 本文针对800MPa 级含 B 低碳贝氏体钢采用 焊接热模拟实验、冲击实验和金相检验等对钢板 HAZ 的组织转变、冲击韧度和接头性能等进行了实 验研究测定了钢板 HAZ 不同部位的冲击韧度和显 微组织的变化对其作用机理进行了探讨得到了低 碳贝氏体钢焊接热影响区显微组织和性能关系的基 本数据对了解低碳贝氏体钢的焊接性和安全使用 性能均具有重要意义． 1 实验材料和方法 实验钢种采用 Mn－Mo－Cr－B 系低碳贝氏体 第31卷 第8期 2009年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．8 Aug．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．08．019
.996 北京科技大学学报 第31卷 钢.实验用钢板的基本化学成分（质量分数）为：C, 表1所示.利用热膨胀仪测定钢板试样冷却过程相 0.07%;Si,0.23%;Mn,1.64%;Al,0.029%; 变点，利用Gleeble热模拟试验机研究在不同焊接热 P,0.012%;S,0.003%;以及适量Nb、V、Ti、Mo、 循环条件下钢板热影响区的冲击韧度.采用80% Cr和B等微合金元素.碳当量Cm≤0.48%，焊接 Ar十20%C02气体保护焊进行不同焊接工艺条件下 冷裂纹敏感指数P≤0.25%，其轧态性能指标如 对接接头焊接实验，对焊接接头性能和微观组织进 表1实验钢板的力学性能 Table 1 Mechanical properties of experimental plates 钢级 厚度规格/mm 屈服强度，R/MPa 抗拉强度，Rm/MPa 延伸率，A/% 一20℃冲击功，Aw/小 800 MPa 25 870 940 13.0 236,234,233/234 行了测定和分析 和研究.热膨胀试样(3.5mm×10mm)取自钢板 2实验结果与分析 的1/4厚度处.实验按GB5056《钢的临界点测定方 法》进行，测定钢板临界点为：Ac1718℃，Ac3887 2.1焊接热影响区组织转变 ℃，Ms420℃.焊接CCT图测定按GB5057《钢的连 焊接热影响区CCT图可预测钢在热影响区的 续冷却转变曲线图的测定方法》进行，实验得到不同 组织、性能和淬硬倾向☑.采用Formaster-D型全自 冷却条件下钢板模拟热影响区过热区的微观组织和 动快速膨胀仪，对实验钢板的临界点及不同焊接热 硬度(HV5)如图1所示，钢板焊接CCT曲线如图2 循环条件下的HAZ过热区组织转变规律进行测定 所示 400 100 (a) (b) 出 80 300 60 200 40 20 100 1 10 109 102 10 10 tav/s s 图1不同冷却条件下钢板模拟热影响区过热区的微观组织和硬度.(a)硬度(HVs):(化)贝氏体组织面积比 Fig-1 Hardness and microstructure at the weld overheated zone of the steel plates at different cooling rates:(a)microhardness:(b)bainitic area ratio 1000 出现铁素体的临界冷却时间为590s,出现珠光体的 A887℃ 900 临界冷却时间为1200s·当t8/3≤5.5s时，HAZ过 800 4718T 热区组织为100%马氏体，硬度HV5接近350.当 700 5.5s1200s以后，过热区 时间/s 组织为贝氏体十少量铁素体十少量珠光体。t8/3≤ 图2实验钢板焊接CCT曲线 86s时，HA☑过热区存在一定量马氏体组织，说明钢 Fig.2 CCT curves of the tested steel plates 板焊接HAZ不可避免地产生淬硬倾向，对冷裂纹有 一定敏感性， 从图1、图2可知：钢板出现贝氏体的临界冷却 2.2焊接热影响区冲击韧度 时间为5.5s,发生马氏体转变的临界冷却时间为86s, 根据对钢板相变点的测定结果，选择峰值温度
钢．实验用钢板的基本化学成分（质量分数）为：C 0∙07％；Si0∙23％；Mn1∙64％；Al0∙029％； P0∙012％；S0∙003％；以及适量 Nb、V、Ti、Mo、 Cr 和 B 等微合金元素．碳当量 Ceq≤0∙48％焊接 冷裂纹敏感指数 Pcm≤0∙25％其轧态性能指标如 表1所示．利用热膨胀仪测定钢板试样冷却过程相 变点利用 Gleeble 热模拟试验机研究在不同焊接热 循环条件下钢板热影响区的冲击韧度．采用80％ Ar＋20％CO2 气体保护焊进行不同焊接工艺条件下 对接接头焊接实验对焊接接头性能和微观组织进 表1 实验钢板的力学性能 Table1 Mechanical properties of experimental plates 钢级 厚度规格／mm 屈服强度Re／l MPa 抗拉强度Rm／MPa 延伸率A／％ －20℃冲击功A kV／J 800MPa 25 870 940 13∙0 236234233／234 行了测定和分析． 2 实验结果与分析 2∙1 焊接热影响区组织转变 焊接热影响区 CCT 图可预测钢在热影响区的 组织、性能和淬硬倾向［7］．采用 Formaster-D 型全自 动快速膨胀仪对实验钢板的临界点及不同焊接热 循环条件下的 HAZ 过热区组织转变规律进行测定 和研究．热膨胀试样（●3∙5mm×10mm）取自钢板 的1／4厚度处．实验按 GB5056《钢的临界点测定方 法》进行测定钢板临界点为：Ac1718℃Ac3887 ℃Ms420℃．焊接 CCT 图测定按 GB5057《钢的连 续冷却转变曲线图的测定方法》进行实验得到不同 冷却条件下钢板模拟热影响区过热区的微观组织和 硬度（HV5）如图1所示钢板焊接 CCT 曲线如图2 所示． 图1 不同冷却条件下钢板模拟热影响区过热区的微观组织和硬度．（a） 硬度（HV5）；（b） 贝氏体组织面积比 Fig．1 Hardness and microstructure at the weld overheated zone of the steel plates at different cooling rates：（a） microhardness；（b） bainitic area ratio 图2 实验钢板焊接 CCT 曲线 Fig．2 CCT curves of the tested steel plates 从图1、图2可知：钢板出现贝氏体的临界冷却 时间为5∙5s发生马氏体转变的临界冷却时间为86s 出现铁素体的临界冷却时间为590s出现珠光体的 临界冷却时间为1200s．当 t8／3≤5∙5s 时HAZ 过 热区组织为100％马氏体硬度 HV5 接近350．当 5∙5s＜t8／3≤86s 时HAZ 过热区组织为马氏体＋ 贝氏体混合组织；随 t8／3增加马氏体组织减少贝 氏体组织增加硬度逐渐降低HV5 由340降低到 270以下．当86s＜ t8／3≤590s 时过热区组织为 100％贝氏体HV5 降低到235左右．590s＜ t8／3≤ 1200s过热区除贝氏体外开始出现少量铁素体硬 度 HV5 降低到230左右．t8／3＞1200s 以后过热区 组织为贝氏体＋少量铁素体＋少量珠光体．t8／3≤ 86s 时HAZ 过热区存在一定量马氏体组织说明钢 板焊接 HAZ 不可避免地产生淬硬倾向对冷裂纹有 一定敏感性． 2∙2 焊接热影响区冲击韧度 根据对钢板相变点的测定结果选择峰值温度 ·996· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第8期 段贵生等：含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 .997 (Tm)1320,937,800℃分别代表热影响区中过热 一20℃V型冲击实验.不同t83冷却条件下钢板 区、正火区及不完全相变区[8]，升温速率为150℃· HAZ过热区、正火区及不完全相变区冲击韧度变化 s1,峰温停留时间为2s;试件经热模拟后，进行 情况如图3所示 250 300 80 (b) (e) 200外 60 200 150 100 40 100 50 20 50 100 150 200 70 0 110 70 0 110 tu/s s 图3钢板热影响区冲击韧度变化曲线，(a)过热区：(b)正火区：(c)不完全相变区 Fig.3 Impact toughness curves of the experimental steel plates at different zones:(a)overheated zone;(b)normalized zone:(c)part phase change zone 从图3可以看出：焊接冷却速度对HAZ过热区t8/3大于83s,过热区韧度显著降低.，冲击韧度与模 韧度有较大影响.当t83小于67s时，过热区韧度 拟HAZ显微组织变化密切相关，不同t8/3冷却条件 总体水平较高，一20℃时Ak,在200J以上；而当 下，钢板HAZ过热区典型组织如图4所示， 30m 30μm 人 30μm 图4不同冷却条件下钢板HAZ过热区组织照片，(a)t8/3=17s:(b)t8/s=33s:(c)t8/s=133s Fig-4 Microstructures of the experimental steel plates under different cooling conditions:(a)t8/3-17s:(b)t8/3-33s:(c)t8/3-133s 由金相组织检验结果可知：t8/3在67s以下时， 一20℃AKw仅有50J左右：热影响区最脆区位于峰 过热区为板条马氏体或板条马氏体十下贝氏体混合 值加热温度800℃左右，该区域介于Ac1和Ac3之 组织，晶粒较细小；当t8/3大于83s时，焊接过热区 间的不完全相变区， 组织以粒状贝氏体为主，形成上贝氏体十粒状贝氏 峰值温度Tm从1320℃至800℃变化，937℃ 体混合组织，晶粒较粗大，上贝氏体板条间结晶方 区域冲击韧度最高，谷底在峰值温度800℃附近区 向位相差很小，板条几乎平行生长，形成粗大的上贝 域，峰值温度直接影响奥氏体晶粒度和均质化、碳 氏体板条束，解理裂纹在上贝氏体板条组织中可连 化物的溶解及冷却时的组织转变，焊接线能量越大， 续贯穿，对应较低的解理断裂阻力，使冲击韧度明显 800~300℃冷却时间越长，越容易使HAZ韧度恶 下降1]，为提高钢板焊接过热区韧度，应控制较快 化，实验表明，钢t8/3应该控制在67s以内，对应的 的焊接冷却速度，过热区生成碳分布较均匀的奥氏 焊接线能量小于等于2kJmm1. 体，冷却后转变成低碳板条马氏体，选择合理的焊 2.3焊接工艺对焊接接头力学性能的影响 接热输入量，并控制焊道间温度，使t8/3控制在83s 采用1.2mmHS80焊丝、80%Ar+20%C02 以下，HAZ过热区获得以低碳板条马氏体为主的 气体保护焊进行不同焊接热输入量及不同焊道间温 组织， 度的对接接头焊接实验，对焊接接头的力学性能和 Tm为937℃左右时，奥氏体化晶粒来不及长 微观组织进行了测定和分析，钢板试样尺寸为25 大，冷却后转变为较细小的板条马氏体十粒状贝氏 mm×150mm×300mm,采用X坡口形式.不同焊 体组织，t8/3对钢板HAZ正火区韧度影响不大，该区 接热输入量及不同焊道间温度焊接条件如表2所 域韧度水平较高，钢板HA忆不完全相变区为不均 示，其中焊缝金属冲击缺口开在焊缝中心，热影响 匀贝氏体和少量铁素体混合组织，韧度较低，该区域 区冲击缺口开在熔合线外1mm
（ T m）1320937800℃分别代表热影响区中过热 区、正火区及不完全相变区［8］升温速率为150℃· s －1峰温停留时间为2s；试件经热模拟后进行 －20℃ V 型冲击实验．不同 t8／3冷却条件下钢板 HAZ 过热区、正火区及不完全相变区冲击韧度变化 情况如图3所示． 图3 钢板热影响区冲击韧度变化曲线．（a） 过热区；（b） 正火区；（c） 不完全相变区 Fig．3 Impact toughness curves of the experimental steel plates at different zones：（a） overheated zone；（b） normalized zone；（c） part phase change zone 从图3可以看出：焊接冷却速度对 HAZ 过热区 韧度有较大影响［9］．当 t8／3小于67s 时过热区韧度 总体水平较高－20℃时 Akv 在200J 以上；而当 t8／3大于83s过热区韧度显著降低．冲击韧度与模 拟 HAZ 显微组织变化密切相关．不同 t8／3冷却条件 下钢板 HAZ 过热区典型组织如图4所示． 图4 不同冷却条件下钢板 HAZ 过热区组织照片．（a） t8／3＝17s；（b） t8／3＝33s；（c） t8／3＝133s Fig．4 Microstructures of the experimental steel plates under different cooling conditions：（a） t8／3＝17s；（b） t8／3＝33s；（c） t8／3＝133s 由金相组织检验结果可知：t8／3在67s 以下时 过热区为板条马氏体或板条马氏体＋下贝氏体混合 组织晶粒较细小；当 t8／3大于83s 时焊接过热区 组织以粒状贝氏体为主形成上贝氏体＋粒状贝氏 体混合组织晶粒较粗大．上贝氏体板条间结晶方 向位相差很小板条几乎平行生长形成粗大的上贝 氏体板条束．解理裂纹在上贝氏体板条组织中可连 续贯穿对应较低的解理断裂阻力使冲击韧度明显 下降［10］．为提高钢板焊接过热区韧度应控制较快 的焊接冷却速度过热区生成碳分布较均匀的奥氏 体冷却后转变成低碳板条马氏体．选择合理的焊 接热输入量并控制焊道间温度使 t8／3控制在83s 以下HAZ 过热区获得以低碳板条马氏体为主的 组织． T m 为937℃左右时奥氏体化晶粒来不及长 大冷却后转变为较细小的板条马氏体＋粒状贝氏 体组织t8／3对钢板 HAZ 正火区韧度影响不大该区 域韧度水平较高．钢板 HAZ 不完全相变区为不均 匀贝氏体和少量铁素体混合组织韧度较低该区域 －20℃ A KV仅有50J 左右；热影响区最脆区位于峰 值加热温度800℃左右该区域介于 Ac1 和 Ac3 之 间的不完全相变区． 峰值温度 T m 从1320℃至800℃变化937℃ 区域冲击韧度最高谷底在峰值温度800℃附近区 域．峰值温度直接影响奥氏体晶粒度和均质化、碳 化物的溶解及冷却时的组织转变焊接线能量越大 800～300℃冷却时间越长越容易使 HAZ 韧度恶 化．实验表明钢 t8／3应该控制在67s 以内对应的 焊接线能量小于等于2kJ·mm －1． 2∙3 焊接工艺对焊接接头力学性能的影响 采用●1∙2mm HS－80焊丝、80％Ar＋20％CO2 气体保护焊进行不同焊接热输入量及不同焊道间温 度的对接接头焊接实验对焊接接头的力学性能和 微观组织进行了测定和分析．钢板试样尺寸为25 mm×150mm×300mm采用 X 坡口形式．不同焊 接热输入量及不同焊道间温度焊接条件如表2所 示．其中焊缝金属冲击缺口开在焊缝中心热影响 区冲击缺口开在熔合线外1mm． 第8期 段贵生等： 含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 ·997·
.998 北京科技大学学报 第31卷 表2试板焊接条件 Table 2 Welding conditions of the experimental steel plates 焊接速度/ 热输入量/ 序号 焊接电流/A 电弧电压/W (mm'min1) 预热温度/心 道间温度/℃ (kJ'mm1) 1 230 25 360 100 150 0.96 2 270 30 330 100 150 1.47 3 320 33 300 100 150 2.11 4 270 30 330 100 100 1.47 270 30 330 100 200 1.47 6 270 30 330 100 250 1.47 (1)焊接热输入量的影响，三种热输入量焊接 输入量焊缝金属的冲击韧度较高；而当热输入量达 条件下，钢板焊缝金属拉伸及焊接接头低温冲击检 到2.11kJmm-1时，焊缝金属-20℃AKv有一定 测结果如图5所示，可以看出：随热输入量增加，焊 幅度降低.热输入量为0.96~2.11kJmm-1,HAZ 缝金属强度有所降低，但变化幅度不大，热输入量 区一20℃AKw冲击功保持在较高水平 变化对焊缝金属的冲击性能影响较大，采用中等热 (2)焊道间温度的影响，三种焊道间温度的焊 1000 300 (a) (b) ◆一抗拉强度量一屈服强度 ◆一焊缝一热影响区 900 200 800 100 700 1.0 1.5 2.0 2.5 1.0 1.52.0 2.5 焊接热输人量kJmm 焊接热输人量/kJmm) 图5热输入量对焊接接头强度和冲击韧度的影响.(a)屈服强度和抗拉强度：()一20℃冲击韧度 Fig.5 Influence of heat input on the strength and impact toughness of welded joints:(a)yield strength and tensile strength:(b)-20C impact toughness 接条件下，钢板焊接接头焊缝金属拉伸及焊接接头 (3)焊后热处理工艺的影响.采用上述规范焊 低温冲击实验结果如图6所示，从图中可以看出： 接钢板对接接头，焊后分别进行250℃保温2h炉 随焊道间温度升高，抗拉强度和屈服强度有一定程 冷、480℃保温2h及580℃保温2h炉冷至315℃空 度的降低.对于焊缝金属，焊道间温度在150~200 冷三种不同参数的焊后热处理，三种焊后热处理条 ℃时韧度较高；对于HAZ,焊道间温度在150℃时 件下的焊接接头力学性能如图7所示，焊后热处理 韧度较高，在较高或较低的焊道间温度条件下，HA☑ 对焊接接头焊缝金属的拉伸性能影响不明显，焊后 韧度有一定程鹰下降· 采用250℃保温2h消氢处理，焊缝金属的冲击韧度 (a) ◆一抗拉强度 量一屈服强度 ◆一焊缝 量一热影响区 900 200 800 100 700 600 0 100 150 200 250 100 150 200 250 道间温度/℃ 道间温度℃ 图6焊道间温度对焊接接头强度和冲击韧度的影响·(a)屈服强度和抗拉强度：(b)一20℃冲击韧度 Fig.6 Influence of inter-bead temperature on the strength and impact toughness of welded joints:(a)yield strength and tensile strength; (b)-20C impact toughness
表2 试板焊接条件 Table2 Welding conditions of the experimental steel plates 序号 焊接电流／A 电弧电压／V 焊接速度／ （mm·min －1） 预热温度／℃ 道间温度／℃ 热输入量／ （kJ·mm －1） 1 230 25 360 100 150 0∙96 2 270 30 330 100 150 1∙47 3 320 33 300 100 150 2∙11 4 270 30 330 100 100 1∙47 5 270 30 330 100 200 1∙47 6 270 30 330 100 250 1∙47 （1） 焊接热输入量的影响．三种热输入量焊接 条件下钢板焊缝金属拉伸及焊接接头低温冲击检 测结果如图5所示．可以看出：随热输入量增加焊 缝金属强度有所降低但变化幅度不大．热输入量 变化对焊缝金属的冲击性能影响较大采用中等热 输入量焊缝金属的冲击韧度较高；而当热输入量达 到2∙11kJ·mm －1时焊缝金属－20℃ A KV有一定 幅度降低．热输入量为0∙96～2∙11kJ·mm －1HAZ 区－20℃ A KV冲击功保持在较高水平． （2） 焊道间温度的影响．三种焊道间温度的焊 图5 热输入量对焊接接头强度和冲击韧度的影响．（a） 屈服强度和抗拉强度；（b） －20℃冲击韧度 Fig．5 Influence of heat input on the strength and impact toughness of welded joints：（a） yield strength and tensile strength；（b） －20℃ impact toughness 图6 焊道间温度对焊接接头强度和冲击韧度的影响．（a） 屈服强度和抗拉强度；（b） －20℃冲击韧度 Fig．6 Influence of inter-bead temperature on the strength and impact toughness of welded joints：（a） yield strength and tensile strength； （b） －20℃ impact toughness 接条件下钢板焊接接头焊缝金属拉伸及焊接接头 低温冲击实验结果如图6所示．从图中可以看出： 随焊道间温度升高抗拉强度和屈服强度有一定程 度的降低．对于焊缝金属焊道间温度在150～200 ℃时韧度较高；对于 HAZ焊道间温度在150℃时 韧度较高在较高或较低的焊道间温度条件下HAZ 韧度有一定程度下降． （3） 焊后热处理工艺的影响．采用上述规范焊 接钢板对接接头焊后分别进行250℃保温2h 炉 冷、480℃保温2h 及580℃保温2h 炉冷至315℃空 冷三种不同参数的焊后热处理．三种焊后热处理条 件下的焊接接头力学性能如图7所示．焊后热处理 对焊接接头焊缝金属的拉伸性能影响不明显．焊后 采用250℃保温2h 消氢处理焊缝金属的冲击韧度 ·998· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第8期 段贵生等：含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 .999 较高；采用480℃及580℃保温2h处理，焊缝金属 热处理对热影响区冲击韧度的影响不大，以上结果 的冲击韧度有较大幅度降低；与焊缝金属不同，焊后 表明，钢板对焊后热处理有较强的适应性 1000 300 (a) (b) ·一抗拉强度量一屈服强度 ·一焊缝 。一热影响区 900 200 800 100 700 60 200 300 400500 600 200 300 400 500 600 热处理温度/℃ 热处理温度/℃ 图7焊后热处理对焊接接头强度和冲击韧度的影响.(a)屈服强度和抗拉强度：(b)一20℃冲击韧度 Fig.7 Influence of heat treatment after welding on the strength and impact toughness of welded joints:(a)yield strength and tensile strength: (b)-20C impact toughness 3焊接接头综合性能评价 析，减少了S、P在晶界偏聚浓度，可强化晶界；微量 B同时可降低奥氏体中碳的扩散，有利于冷却时低 采用与上述实验同批次25mm厚钢板和表2 碳马氏体的形成，提高了钢板HA☑冲击韧度；但过 中2工艺进行对接接头焊接实验，焊后进行250℃ 高的B含量会产生BC沉淀而导致脆化，(4)MA组 保温2h消氢处理，分别对焊接接头的拉伸性能、冲 元是引起高强度钢HAZ脆化的重要因素，通过选 击性能及硬度进行检验·焊接接头熔合情况良好， 择合理的焊接热输入和焊道间温度等工艺参数，控 无宏观焊接缺陷；焊接接头拉伸断于焊缝，屈服强度 制HAZ中MA组元的数量、尺寸和形态，可减少晶 和抗拉强度分别为735MPa和845MPa;焊缝金属 粒内脆化组织的影响， 及焊接热影响区平均冲击功一20℃AKv分别达到 根据2.2节HA☑冲击韧度热模拟实验结果，钢 178J和175J,-40℃Akw分别达到83J和187J;焊 板实际焊接采用焊接线能量≤2kJmm,对应t83 接接头的硬度(HV1o)分布比较均匀（图8），没有出 在67s以内，可观察到HA☑粗晶区组织形态为板条 现明显的硬化和软化现象.焊接HAZ的冲击韧度 马氏体十下贝氏体混合组织，板条马氏体中含碳量 保持较高水平，表明钢板对焊接工艺规范有较强的 较低，且碳化物分布均匀；铁素体板条明显清晰、细 适应性 密平直，存在大量不均匀分布位错，对粗晶区韧度具 350 有积极的影响，下贝氏体中铁素体针束细小且均匀 300 分布，在铁素体内沉淀析出细小、多量和弥散的碳化 盖250 物，并且位错密度高，也属于一种韧性相，对粗晶区 叶 热影响区 焊缝 热影响区 韧度有较大贡献。随着焊接热输入进一步增大，一 方面晶粒粗化比较明显，另一方面粗晶区中板条马 150 氏体由上贝氏体十粒状贝氏体混合组织所代替， 1000-=i005101520 MA组元的数量、尺寸、形态和分布发生变化·首先 距焊缝中心距离mm 是MA组元尺寸增大，形态由细短条状转变为长条 图8焊接接头硬度(HV1o)分布（距表面1/4板厚处） 状或块状；其次是分布由晶界向晶内延伸，数量也随 Fig-8 Welded joints'hardness of the experimental steel plates(1/4 之增加.MA组元尺寸越粗大，数量越多，对韧性的 plate thickness) 损害程度越大，这是造成粗晶区韧度下降的根本原 因 8O0MPa级低碳贝氏体钢板HAZ保持较高冲 击韧度的原因如下L4,8]:(1)低碳板条状马氏体具 4结论 有位错亚结构，裂纹扩展阻力大，韧度较好，(2)加 入Nb、Ti、A1等细化晶粒元素，有效地阻止了晶粒 (I)钢板焊接CCT图测试结果表明：当t8/3≤ 的长大；少量钛形成的TN能抑制奥氏体晶粒边界 5.5s时，HAZ过热区组织为100%马氏体，硬度 运动，但同时应避免较多T产生沉淀强化而对冲击 HV5接近350；5.5s<t8/3≤86s时，HAZ过热区组 韧度造成不利影响，(3)加微量B在晶界优先偏 织为马氏体十贝氏体混合组织，HV5由340逐渐下
较高；采用480℃及580℃保温2h 处理焊缝金属 的冲击韧度有较大幅度降低；与焊缝金属不同焊后 热处理对热影响区冲击韧度的影响不大．以上结果 表明钢板对焊后热处理有较强的适应性． 图7 焊后热处理对焊接接头强度和冲击韧度的影响．（a） 屈服强度和抗拉强度；（b） －20℃冲击韧度 Fig．7 Influence of heat treatment after welding on the strength and impact toughness of welded joints：（a） yield strength and tensile strength； （b） －20℃ impact toughness 3 焊接接头综合性能评价 采用与上述实验同批次25mm 厚钢板和表2 中2＃工艺进行对接接头焊接实验焊后进行250℃ 保温2h 消氢处理分别对焊接接头的拉伸性能、冲 击性能及硬度进行检验．焊接接头熔合情况良好 无宏观焊接缺陷；焊接接头拉伸断于焊缝屈服强度 和抗拉强度分别为735MPa 和845MPa；焊缝金属 及焊接热影响区平均冲击功－20℃ A KV分别达到 178J 和175J－40℃ A KV分别达到83J 和187J；焊 接接头的硬度（HV10）分布比较均匀（图8）没有出 现明显的硬化和软化现象．焊接 HAZ 的冲击韧度 保持较高水平表明钢板对焊接工艺规范有较强的 适应性． 图8 焊接接头硬度（HV10）分布（距表面1／4板厚处） Fig．8 Welded joints’hardness of the experimental steel plates（1／4 plate thickness） 800MPa 级低碳贝氏体钢板 HAZ 保持较高冲 击韧度的原因如下［148］：（1）低碳板条状马氏体具 有位错亚结构裂纹扩展阻力大韧度较好．（2）加 入 Nb、Ti、Al 等细化晶粒元素有效地阻止了晶粒 的长大；少量钛形成的 TiN 能抑制奥氏体晶粒边界 运动但同时应避免较多 Ti 产生沉淀强化而对冲击 韧度造成不利影响．（3） 加微量 B 在晶界优先偏 析减少了 S、P 在晶界偏聚浓度可强化晶界；微量 B 同时可降低奥氏体中碳的扩散有利于冷却时低 碳马氏体的形成提高了钢板 HAZ 冲击韧度；但过 高的 B 含量会产生 BC 沉淀而导致脆化．（4）MA 组 元是引起高强度钢 HAZ 脆化的重要因素．通过选 择合理的焊接热输入和焊道间温度等工艺参数控 制 HAZ 中 MA 组元的数量、尺寸和形态可减少晶 粒内脆化组织的影响． 根据2∙2节 HAZ 冲击韧度热模拟实验结果钢 板实际焊接采用焊接线能量≤2kJ·mm －1对应 t8／3 在67s 以内可观察到 HAZ 粗晶区组织形态为板条 马氏体＋下贝氏体混合组织．板条马氏体中含碳量 较低且碳化物分布均匀；铁素体板条明显清晰、细 密平直存在大量不均匀分布位错对粗晶区韧度具 有积极的影响．下贝氏体中铁素体针束细小且均匀 分布在铁素体内沉淀析出细小、多量和弥散的碳化 物并且位错密度高也属于一种韧性相对粗晶区 韧度有较大贡献．随着焊接热输入进一步增大一 方面晶粒粗化比较明显另一方面粗晶区中板条马 氏体由上贝氏体＋粒状贝氏体混合组织所代替 MA 组元的数量、尺寸、形态和分布发生变化．首先 是 MA 组元尺寸增大形态由细短条状转变为长条 状或块状；其次是分布由晶界向晶内延伸数量也随 之增加．MA 组元尺寸越粗大数量越多对韧性的 损害程度越大这是造成粗晶区韧度下降的根本原 因． 4 结论 （1） 钢板焊接 CCT 图测试结果表明：当 t8／3≤ 5∙5s 时HAZ 过热区组织为100％马氏体硬度 HV5 接近350；5∙5s＜ t8／3≤86s 时HAZ 过热区组 织为马氏体＋贝氏体混合组织HV5 由340逐渐下 第8期 段贵生等： 含硼低合金高强度钢焊接热影响区冲击韧度 ·999·
,1000 北京科技大学学报 第31卷 降到270以下；当t8/3>86s后，过热区组织以贝氏 [3]Kocak M.Recent developments in fracture testing and assessment 体组织为主，HV5降低到235左右：t8/3≤86s时， of structural weldments /International Workshop on Recent HAZ过热区存在一定量马氏体组织，说明钢板焊接 Trends in Welding.Bangalore.1995:57 [4]Jun HJ.Kanga JS.Seo D H.et al.Effects of deformation and HAZ不可避免地产生淬硬倾向，对焊接HAZ冷裂 boron on microstructure and continuous cooling transformation in 纹有一定敏感性， low carbon HSLA steels.Mater Sci Eng A.2006.422(1/2): (2)钢板焊接热影响区韧度模拟结果表明：当 157 t8/3小于67s时，过热区为板条马氏体或板条马氏体十 [5]Wang S Y,Wang C Y,Zhao DL.Effect of double boron impuri 贝氏体混合组织，冲击韧度较高，当t8/3大于83s即 ties on the ciron grain boundary cohesion.J Alloys Compd. 2004,368(1/2):308 焊接线能量较大时，形成上贝氏体十少量粒状贝氏 [6]Ahmed S,Titchmarsh J M.Kilburn M R,et al.Examination of 体混合组织，使冲击韧度明显下降，焊接线能量越 the influence of boron on the microst ructure and properties of low 大，800~300℃冷却时间越长，越容易使HAZ韧度 C ferrites steels using NanoSIMS and TEM.Appl Surf Sci, 恶化；钢板t8/3应该控制在67s以内，对应的焊接线 2006,252(19):7062 能量≤2kJmm-1. [7]Li Y J.Wang J.Liu P.Welding of Low Alloys Steels.Beijing: Chemical Industry Press.2005:136 (3)800MPa级低碳贝氏体钢板焊接工艺实验 (李亚江，王娟，刘鹏低合金钢焊接，北京：化学工业出版社， 结果表明：焊接热输入量为0.96~2.11kJmm、 2005:136) 焊道间温度为150~200℃和焊后热处理对钢板焊 [8]XuZZ.Welding of New Type Microalloys Steels.Beijing:Me- 接接头焊缝金属和焊接热影响区的性能影响不大； chanical Industry Press.2004:48 (许祖泽.新型微合金钢的焊接.北京：机械工业出版社，2004： 在上述焊接条件范围，焊接接头的冲击韧度保持较 48) 高水平，表明钢板对焊接工艺规范有较强的适应性 [9]Jiao W.Zhang X H.Tan C Y.Study of toughness of HAZ of 14 MnNbq steels welding-Railway Sci China.2001.22(5):85 参考文献 (焦伟，张显辉，谭长瑛.14 MnNbq钢焊接热影响区韧性研究， [1]Wang X M.Yang W.Study of toughness of HAZ of ultra-low 中国铁道科学，2001,22(5)：85) carbon bainitic steel.J Iron Steel Res.2000.12(1):47 [10]Zhao L,Zhang X D.Chen WZ.Study of toughness of HAZ of (王学敏，杨善武·超低碳贝氏体钢焊接热影响区冲击韧度的研 800 MPa grade low alloys steels.Acta Metall Sin.2005(4): 究.钢铁研究学报，2000,12(1)：47) 392 [2]Edmonds D V,Cehrane R C.Structure properties relationship in (赵琳，张旭东，陈武柱，8O0MPa低合金钢焊接热影响区韧 bainitic steels.Metall Trans A,1990.21(6):1527 性的研究，金属学报，2005(4)：392)
降到270以下；当 t8／3＞86s 后过热区组织以贝氏 体组织为主HV5 降低到235左右．t8／3≤86s 时 HAZ 过热区存在一定量马氏体组织说明钢板焊接 HAZ 不可避免地产生淬硬倾向对焊接 HAZ 冷裂 纹有一定敏感性． （2） 钢板焊接热影响区韧度模拟结果表明：当 t8／3小于67s 时过热区为板条马氏体或板条马氏体＋ 贝氏体混合组织冲击韧度较高．当 t8／3大于83s 即 焊接线能量较大时形成上贝氏体＋少量粒状贝氏 体混合组织使冲击韧度明显下降．焊接线能量越 大800～300℃冷却时间越长越容易使 HAZ 韧度 恶化；钢板 t8／3应该控制在67s 以内对应的焊接线 能量≤2kJ·mm －1． （3）800MPa 级低碳贝氏体钢板焊接工艺实验 结果表明：焊接热输入量为0∙96～2∙11kJ·mm －1、 焊道间温度为150～200℃和焊后热处理对钢板焊 接接头焊缝金属和焊接热影响区的性能影响不大； 在上述焊接条件范围焊接接头的冲击韧度保持较 高水平表明钢板对焊接工艺规范有较强的适应性． 参 考 文 献 ［1］ Wang X MYang S W．Study of toughness of HAZ of ultra-low carbon bainitic steel．J Iron Steel Res200012（1）：47 （王学敏杨善武．超低碳贝氏体钢焊接热影响区冲击韧度的研 究．钢铁研究学报200012（1）：47） ［2］ Edmonds D VCehrane R C．Structure-properties relationship in bainitic steels．Metall T rans A199021（6）：1527 ［3］ Kocak M．Recent developments in fracture testing and assessment of structural weldments ∥ International Workshop on Recent T rends in WeldingBangalore1995：57 ［4］ Jun H JKanga J SSeo D Het al．Effects of deformation and boron on microstructure and continuous cooling transformation in low carbon HSLA steels． Mater Sci Eng A2006422（1／2）： 157 ［5］ Wang S YWang C YZhao D L．Effect of double boron impurities on the α-iron grain boundary cohesion． J Alloys Compd 2004368（1／2）：308 ［6］ Ahmed STitchmarsh J MKilburn M Ret al．Examination of the influence of boron on the microstructure and properties of low C ferrites steels using NanoSIMS and TEM． Appl Surf Sci 2006252（19）：7062 ［7］ Li Y JWang JLiu P．Welding of Low Alloys Steels．Beijing： Chemical Industry Press2005：136 （李亚江王娟刘鹏．低合金钢焊接．北京：化学工业出版社 2005：136） ［8］ Xu Z Z．Welding of New Type Microalloys Steels．Beijing：Mechanical Industry Press2004：48 （许祖泽．新型微合金钢的焊接．北京：机械工业出版社2004： 48） ［9］ Jiao WZhang X HTan C Y．Study of toughness of HAZ of 14MnNbq steels welding．Railway Sci China200122（5）：85 （焦伟张显辉谭长瑛．14MnNbq 钢焊接热影响区韧性研究． 中国铁道科学200122（5）：85） ［10］ Zhao LZhang X DChen W Z．Study of toughness of HAZ of 800MPa grade low alloys steels．Acta Metall Sin2005（4）： 392 （赵琳张旭东陈武柱．800MPa 低合金钢焊接热影响区韧 性的研究．金属学报2005（4）：392） ·1000· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷