刘洪波等：大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能 1477 (a)H30 (b)H60 AF AF GBF AF AF AF FSP 图2H30和H60试制钢HAZ显微组织(AF:针状铁素体，GBF:品界铁素体，FSP:侧板条铁素体).(a)H30:(b)H60 Fig.2 Microstructure of the HAZ in H30 and H60 tested steels (AF:acicular ferrite,GBF:grain boundary ferrite,FSP:ferrite side plate):(a)H30; (b)H60 AF的生成会使H30试制钢表现出更高的韧性 行-40℃冲击性能检测，取样位置分别为焊缝 同样的，在图2(b)所示的H60试制钢HAZ显 (WM)、熔合线(FL)、熔合线+1mm(FL+1)、熔合 微组织中出现了大量的AF,伴有少量的GBF和侧 线+2mm(FL+2)、熔合线+5mm(FL+5)和熔合 板条铁素体(FSP).在热模拟过程中，在相同线能 线+7mm(FL+7),其中，FL和FL+1~FL+7等位置 量输入下，试样从800℃降低至500℃所需时间 均属于焊接接头热影响区 (t8/5时间)会随着模拟钢板厚度的增加而显著降 H30试制钢焊接接头表面和根部各个位置在 低，即H60试制钢在该温度区间的冷却速率更大， -40℃下冲击吸收功检测结果如图4所示.在图 较高的冷却速率会在晶界上产生较高的激活能， 中可以看出，H30表面WM处的-40℃冲击吸收 优先促进GBF和FSP的形成，这与李远远等B0的 功值在70~88J之间，平均值为78J:焊接接头表 研究结果是一致的. 面热影响区各位置处的冲击吸收功平均值均在 图3显示为H30试制钢HAZ中夹杂物与显微 137J以上；H30根部WM处的冲击吸收功值在 组织关系图.在图3(a)、(b)中可以明显看出， 58~82J之间，平均值为74J,焊接接头根部热影 H30试制钢HAZ析出夹杂物P1和P2诱导析出大 响区各位置处的冲击吸收功平均值均在115J以 量的针状铁素体(AF)组织.从图3(c)、(d)所示 上.图5为H60试制钢焊接接头表面和根部各个 P1和P2夹杂物的线扫描和面扫描结果上来看， 位置在-40℃下冲击吸收功检测结果，H60表面处 P1为CaO-Al2O3-TiO,-MnS夹杂，P2为CaO-Mg0- 的-40℃冲击吸收功值在91~133J之间，平均值 Al2O3-TiO,-MnS夹杂.两类夹杂物的共同特点是 为108J:焊接接头表面热影响区各位置处的冲击 CaO-(MgO)-Al2O3-TiO,夹杂为核心，MnS在夹杂 吸收功平均值都在181J以上；H60根部WM处的 在其表面附着析出.舒玮等B采用Auger电子能 冲击吸收功值在50~122J之间，平均值为91J,焊 谱测定了焊接热影响区中TiO,-MnS类夹杂物的 接接头根部热影响区各位置处的平均值均在75J Mn元素分布图，发现外围包裹的MnS区域内Mn 以上.以上结果表明，H30和H60试制钢焊接接头 含量最高，进入核心TiO区域后，Mn含量急剧下 表面和根部的焊缝和焊接热影响区有着优良的冲 降.Shim等B四和Mabuchi等B]研究称当奥氏体中 击性能 Mn含量较低时，奥氏体转变为铁素体的转变温度 3结论 相应升高，相变驱动力增加.Zhuo等B研究发现 TiO,-MnS型复合夹杂物在高温下依然能够保持 (1)河钢针对冶炼、轧制流程进行了优化改 稳定，经过焊接热循环后，该类夹杂物并未发生溶 进，采用ITFFP技术成功试制生产出大线能量焊 解，可以在相变过程中诱导析出针状铁素体.在本 接用钢，30mm和60mm厚度规格试制钢基体力 研究中，H30试制钢HAZ中形成的CaO(-MgO) 学性能均满足EH420海洋工程国家标准要求 Al2O,-TiOx-MnS夹杂物在HAZ可以有效地诱导 (2)在经过200kJcm焊接热模拟后，试制钢 析出针状铁素体析出.显著提高钢材的冲击韧性. HAZ显微组织中出现了大量的AF,同时还伴有少 2.3气电立焊试验 量的GBF和FSP,钢中形成的CaO(-MgO厂AlO, 将H30和H60试制钢板在气电立焊试验后进 TiO,-MnS夹杂物在HAZ可以有效地诱导析出针AF 的生成会使 H30 试制钢表现出更高的韧性. 同样的，在图 2（b）所示的 H60 试制钢 HAZ 显 微组织中出现了大量的 AF，伴有少量的 GBF 和侧 板条铁素体（FSP）. 在热模拟过程中，在相同线能 量输入下，试样从 800 ℃ 降低至 500 ℃ 所需时间 （t8/5 时间）会随着模拟钢板厚度的增加而显著降 低，即 H60 试制钢在该温度区间的冷却速率更大， 较高的冷却速率会在晶界上产生较高的激活能， 优先促进 GBF 和 FSP 的形成，这与李远远等[30] 的 研究结果是一致的. 图 3 显示为 H30 试制钢 HAZ 中夹杂物与显微 组织关系图. 在图 3（ a） 、 （ b）中可以明显看出， H30 试制钢 HAZ 析出夹杂物 P1 和 P2 诱导析出大 量的针状铁素体（AF）组织. 从图 3（c）、（d）所示 P1 和 P2 夹杂物的线扫描和面扫描结果上来看， P1 为CaO−Al2O3−TiOx−MnS 夹杂，P2 为CaO−MgO− Al2O3−TiOx−MnS 夹杂. 两类夹杂物的共同特点是 CaO−(MgO)−Al2O3−TiOx 夹杂为核心，MnS 在夹杂 在其表面附着析出. 舒玮等[31] 采用 Auger 电子能 谱测定了焊接热影响区中 TiOx−MnS 类夹杂物的 Mn 元素分布图，发现外围包裹的 MnS 区域内 Mn 含量最高，进入核心 TiOx 区域后，Mn 含量急剧下 降. Shim 等[32] 和 Mabuchi 等[33] 研究称当奥氏体中 Mn 含量较低时，奥氏体转变为铁素体的转变温度 相应升高，相变驱动力增加. Zhuo 等[34] 研究发现 TiOx−MnS 型复合夹杂物在高温下依然能够保持 稳定，经过焊接热循环后，该类夹杂物并未发生溶 解，可以在相变过程中诱导析出针状铁素体. 在本 研究中，H30 试制钢 HAZ 中形成的 CaO(−MgO)− Al2O3−TiOx−MnS 夹杂物在 HAZ 可以有效地诱导 析出针状铁素体析出，显著提高钢材的冲击韧性. 2.3    气电立焊试验 将 H30 和 H60 试制钢板在气电立焊试验后进 行−40 ℃ 冲击性能检测 ，取样位置分别为焊缝 （WM）、熔合线（FL）、熔合线+1 mm（FL+1）、熔合 线 +2  mm（ FL+2） 、熔合线 +5  mm（ FL+5）和熔合 线+7 mm（FL+7），其中，FL 和 FL+1～FL+7 等位置 均属于焊接接头热影响区. H30 试制钢焊接接头表面和根部各个位置在 −40 ℃ 下冲击吸收功检测结果如图 4 所示. 在图 中可以看出，H30 表面 WM 处的−40 ℃ 冲击吸收 功值在 70～88 J 之间，平均值为 78 J；焊接接头表 面热影响区各位置处的冲击吸收功平均值均在 137 J 以上 ； H30 根部 WM 处的冲击吸收功值在 58～82 J 之间，平均值为 74 J，焊接接头根部热影 响区各位置处的冲击吸收功平均值均在 115 J 以 上. 图 5 为 H60 试制钢焊接接头表面和根部各个 位置在−40 ℃ 下冲击吸收功检测结果，H60 表面处 的−40 ℃ 冲击吸收功值在 91～133 J 之间，平均值 为 108 J；焊接接头表面热影响区各位置处的冲击 吸收功平均值都在 181 J 以上；H60 根部 WM 处的 冲击吸收功值在 50～122 J 之间，平均值为 91 J，焊 接接头根部热影响区各位置处的平均值均在 75 J 以上. 以上结果表明，H30 和 H60 试制钢焊接接头 表面和根部的焊缝和焊接热影响区有着优良的冲 击性能. 3    结论 （1）河钢针对冶炼、轧制流程进行了优化改 进，采用 ITFFP 技术成功试制生产出大线能量焊 接用钢，30 mm 和 60 mm 厚度规格试制钢基体力 学性能均满足 EH420 海洋工程国家标准要求. （2）在经过 200 kJ·cm−1 焊接热模拟后，试制钢 HAZ 显微组织中出现了大量的 AF，同时还伴有少 量的 GBF 和 FSP，钢中形成的 CaO(−MgO)−Al2O3− TiOx−MnS 夹杂物在 HAZ 可以有效地诱导析出针 (a) H30 AF AF AF AF AF AF GBF GBF AF AF AF AF GBF FSP (b) H60 50 μm 50 μm 图 2    H30 和 H60 试制钢 HAZ 显微组织（AF：针状铁素体，GBF：晶界铁素体，FSP：侧板条铁素体）. （a）H30；（b）H60 Fig.2     Microstructure  of  the  HAZ  in  H30  and  H60  tested  steels  (AF:  acicular  ferrite,  GBF:  grain  boundary  ferrite,  FSP:  ferrite  side  plate):  (a)  H30; (b) H60 刘洪波等： 大线能量焊接用 EH420 海工钢生产工艺及焊接性能 · 1477 ·