·644· 工程科学学报，第39卷，第5期 到了690MPa级甚至更高.虽然应用更高强度的钢材 0.4 在理论上具有减少用量，减轻结构自重，降低综合建造 成本等优势，但是钢材用量减少的同时也必然意味着 Ⅱ区（一定条件下 0.3 焊接可不冷裂) 要对钢结构的设计和施工提出更为严苛的要求，以保 Ⅲ区 证其服役寿命和服役安全.焊接作为钢铁材料应用的 1950:50级别 (高冷裂敏感性) 关键技术，直接决定了钢铁产品能否可以安全可靠地 0.2 应用于工程结构的建造.虽然长期以来科技工作者针 1960:50级别 高屈服强度：80级钢 对钢铁材料的焊接工艺及性能进行了大量的研究，但 I区（冷裂纹 是随着钢铁材料自身的发展和强度的提升，材料成分 不敏感， ○1980：80级别 100级高强度低合金钢 和微观组织设计都发生了变化，结构的设计和施工方 1980:100级别 超低碳贝氏体钢 案也会随之有所改变，所以仍然暴露出来不少新的问 0.3 0.4 0.50.60.7 1.0 题，其中焊接热影响区(heat affected zone,HAZ)的韧 碳当量/% 性问题尤为突出.本文旨在对一些现有焊接热影响区 图1热彩响区冷裂纹敏感性及1950一1990年不同级别钢的发 的相关研究结果进行总结，探讨母材的成分、第二相及 展变化情况山 焊接工艺等因素对热影响区微观组织和性能的影响， Fig.I Cold cracking sensitivity of heat-affected zone and the devel- 为低温条件服役大型钢结构的焊接性能提升提供一些 opment of different grades of steel from 1950 to1990] 设计思路 续变化的区域[6-)]，从焊缝/熔合线到母材所经历的最 高温度连续递减，按组织特征可以将焊接热影响区分 1焊接热影响区显微组织与韧性 为粗晶热影响区(coarse grained heat affected zone, 通常对低合金钢焊接的认识更多地是考虑控制成 CGHAZ)、细晶热影响区(fine grained HAZ,FGHAZ) 分以降低母材的焊接冷裂纹敏感性，低合金高强度钢 和临界热影响区(inter-.critically reheated HAZ, 焊接后热影响区冷裂纹的敏感性和钢中碳含量以及计 ICHAZ)等，图2给出了一种典型的管线钢的焊接热影 算的碳当量有着密切的关系[口，按冷裂纹敏感性可将 响区组织分布特征及其形成所经历的热循环过程. 钢的成分分成三个区域，如图1所示.当钢中的碳含 在碳含量或者碳当量较高的合金体系中，母材的 量较低时，即位于区域I时，碳当量的影响并不明显， 淬透性较强，热影响区粗晶区容易产生马氏体，从而导 即使碳当量较高时，钢材仍具有优良的焊接性能.由 致韧性下降，因此粗晶区易成为单道次焊接热影响区 此可见，大幅度降低钢的碳含量是解决焊接冷裂纹的 的薄弱环节2-.而对低碳低合金钢而言，在热输入量 有效途径，也正是由于这一理论的指引，低/超低碳贝 较低的情况下粗晶区组织主要为针状铁素体、粒状贝 氏体钢获得了飞速发展.对于低/超低碳贝氏体钢而 氏体及板条贝氏体或以上几种相的复合组织8-)，韧 言，组织强化的作用是主要的，而固溶强化的影响相对 性较高.不过当热输人量较大时，低碳低合金钢粗晶 较小.因此，虽然近年来多数结构钢的碳含量与碳当 区中冷速较低，极易导致大量多边形铁素体及脆性M- 量不断降低，但是通过采用组织细化和析出强化等措 A生成，严重损害冲击韧性).因此，在低碳低合金钢 施，钢材的强度级别却持续提高.通过自五十年代到 进行大热输入量焊接时，要采取适当措施避免冷速过 九十年代钢铁材料发展的轨迹可见，不仅钢材的强度 慢而造成含M-A脆性区的形成 级别不断提升，同时通过降低碳含量和碳当量，钢的焊 在双道次焊接和多道次焊接过程中，由于道次之 接性能也在不断改善。 间热循环作用，使焊接热影响区的组织构成变得较为 如今，钢结构对焊接韧性的要求更加严苛，并且应 复杂.由于受到两道次焊接的热循环作用，焊接热影 用于低温地区的需求越来越迫切，例如建设于中亚和 响区产生了多种差别较大的组织，依据组织的差异分 俄罗斯地区的管线工程对焊后韧性的测试温度降至 别命名为)：粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热 -45℃：海洋平台用钢F级的测试温度已经达到了 影响区、临界粗晶热影响区(inter-.critically reheated -60℃，但是应用于极地区域时测试温度还会进一步 coarse grained HAZ,ICCGHAZ)、超临界粗晶热影响区 降低，所以对钢材焊接性能要求已经不再局限在避免 super-critically reheated coarse grained HAZ, 焊接冷裂纹，而更多地关注在焊接缝及热影响区的组 SCCGHAZ)、二次粗晶热影响区(secondary coarse 织调控上·目前国内外焊接工程的一个难题就是焊接 grained HAZ,CGHAZ')、二次细晶热影响区(secondary 热影响区由于存在局部脆性区，从而导致整个热影响 fine grained HAZ,FGHAZ')和二次临界热影响区 区的韧性严重恶化2-] (secondary inter-critically reheated HAZ,ICHAZ'). 对单道次焊接而言，焊接热影响区是一个组织连 不同区域所经历的热循环次数、峰值温度及冷速等各工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 到了 690 MPa 级甚至更高. 虽然应用更高强度的钢材 在理论上具有减少用量,减轻结构自重,降低综合建造 成本等优势,但是钢材用量减少的同时也必然意味着 要对钢结构的设计和施工提出更为严苛的要求,以保 证其服役寿命和服役安全. 焊接作为钢铁材料应用的 关键技术,直接决定了钢铁产品能否可以安全可靠地 应用于工程结构的建造. 虽然长期以来科技工作者针 对钢铁材料的焊接工艺及性能进行了大量的研究,但 是随着钢铁材料自身的发展和强度的提升,材料成分 和微观组织设计都发生了变化,结构的设计和施工方 案也会随之有所改变,所以仍然暴露出来不少新的问 题,其中焊接热影响区( heat affected zone, HAZ)的韧 性问题尤为突出. 本文旨在对一些现有焊接热影响区 的相关研究结果进行总结,探讨母材的成分、第二相及 焊接工艺等因素对热影响区微观组织和性能的影响, 为低温条件服役大型钢结构的焊接性能提升提供一些 设计思路. 1 焊接热影响区显微组织与韧性 通常对低合金钢焊接的认识更多地是考虑控制成 分以降低母材的焊接冷裂纹敏感性,低合金高强度钢 焊接后热影响区冷裂纹的敏感性和钢中碳含量以及计 算的碳当量有着密切的关系[1] ,按冷裂纹敏感性可将 钢的成分分成三个区域,如图 1 所示. 当钢中的碳含 量较低时,即位于区域玉时,碳当量的影响并不明显, 即使碳当量较高时,钢材仍具有优良的焊接性能. 由 此可见,大幅度降低钢的碳含量是解决焊接冷裂纹的 有效途径,也正是由于这一理论的指引,低/ 超低碳贝 氏体钢获得了飞速发展. 对于低/ 超低碳贝氏体钢而 言,组织强化的作用是主要的,而固溶强化的影响相对 较小. 因此,虽然近年来多数结构钢的碳含量与碳当 量不断降低,但是通过采用组织细化和析出强化等措 施,钢材的强度级别却持续提高. 通过自五十年代到 九十年代钢铁材料发展的轨迹可见,不仅钢材的强度 级别不断提升,同时通过降低碳含量和碳当量,钢的焊 接性能也在不断改善. 如今,钢结构对焊接韧性的要求更加严苛,并且应 用于低温地区的需求越来越迫切,例如建设于中亚和 俄罗斯地区的管线工程对焊后韧性的测试温度降至 - 45 益 ;海洋平台用钢 F 级的测试温度已经达到了 - 60 益 ,但是应用于极地区域时测试温度还会进一步 降低,所以对钢材焊接性能要求已经不再局限在避免 焊接冷裂纹,而更多地关注在焊接缝及热影响区的组 织调控上. 目前国内外焊接工程的一个难题就是焊接 热影响区由于存在局部脆性区,从而导致整个热影响 区的韧性严重恶化[2鄄鄄5] . 对单道次焊接而言,焊接热影响区是一个组织连 图 1 热影响区冷裂纹敏感性及 1950—1990 年不同级别钢的发 展变化情况[1] Fig. 1 Cold cracking sensitivity of heat鄄affected zone and the devel鄄 opment of different grades of steel from 1950 to 1990 [1] 续变化的区域[6鄄鄄7] ,从焊缝/ 熔合线到母材所经历的最 高温度连续递减,按组织特征可以将焊接热影响区分 为粗 晶 热 影 响 区 ( coarse grained heat affected zone, CGHAZ)、细晶热影响区( fine grained HAZ, FGHAZ) 和 临 界 热 影 响 区 ( inter鄄critically reheated HAZ, ICHAZ)等,图 2 给出了一种典型的管线钢的焊接热影 响区组织分布特征及其形成所经历的热循环过程. 在碳含量或者碳当量较高的合金体系中,母材的 淬透性较强,热影响区粗晶区容易产生马氏体,从而导 致韧性下降,因此粗晶区易成为单道次焊接热影响区 的薄弱环节[2鄄鄄4] . 而对低碳低合金钢而言,在热输入量 较低的情况下粗晶区组织主要为针状铁素体、粒状贝 氏体及板条贝氏体或以上几种相的复合组织[8鄄鄄10] ,韧 性较高. 不过当热输入量较大时,低碳低合金钢粗晶 区中冷速较低,极易导致大量多边形铁素体及脆性 M鄄鄄 A 生成,严重损害冲击韧性[11] . 因此,在低碳低合金钢 进行大热输入量焊接时,要采取适当措施避免冷速过 慢而造成含 M鄄鄄A 脆性区的形成. 在双道次焊接和多道次焊接过程中,由于道次之 间热循环作用,使焊接热影响区的组织构成变得较为 复杂. 由于受到两道次焊接的热循环作用,焊接热影 响区产生了多种差别较大的组织,依据组织的差异分 别命名为[12鄄鄄13] :粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热 影响区、临 界 粗 晶 热 影 响 区 ( inter鄄critically reheated coarse grained HAZ, ICCGHAZ)、超临界粗晶热影响区 ( super鄄critically reheated coarse grained HAZ, SCCGHAZ)、二 次 粗 晶 热 影 响 区 ( secondary coarse grained HAZ, CGHAZ忆)、二次细晶热影响区(secondary fine grained HAZ, FGHAZ忆) 和 二 次 临 界 热 影 响 区 (secondary inter鄄critically reheated HAZ, ICHAZ忆) 等. 不同区域所经历的热循环次数、峰值温度及冷速等各 ·644·