热输入对E40钢双丝埋弧焊焊缝组织及性能的影响

娄宇航，肖红军，田志凌，彭增华

(1.钢铁研究总院，北京100081;2.昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明650093)

随着造船行业向大型船舶发展，对钢材的强韧性及可焊性提出了越来越高的要求，为减少制造成本，提高厚板焊接效率，大热输入焊接用高强钢以及相关配套焊接材料的开发和研究具有重要意义.国外，特别是日本对大热输入用钢的发展最为迅速［1］.从上世纪60年代末开始各国学者先后通过 KST 处理技术［2］、JFE EWEL 技术［3］、HTUFF技术［4］推动了大热输入用钢的发展.目前我国主要船舶用钢为E36，其在大热输入焊接时，焊接热影响区和焊缝低温韧性显著降低.孙占等［5］对40 mmEH40钢进行多层多道埋弧，焊接材料H10Mn2+SJ101，热输入为60 kJ/cm，焊接接头强韧性达到中国船级社标准.虽然我国大热输入钢得到发展，但很多机理问题尚未澄清，特别是相应焊接材料的研发落后于钢的发展.

本文针对我国某钢厂采用氧化物冶金技术［6］研制的大热输入用钢E40，开发了匹配的埋弧焊实心焊丝和焊剂.通过对E40钢进行热输入分别为60、122、158 kJ/cm的双丝埋弧焊焊接，并对焊接接头组织和性能进行分析，为大热输入用钢和相应的焊接技术的发展提供了试验基础.

1 试验

选用某钢厂生产研制的大热输入用钢E40钢板，试验钢板:尺寸650 mm×190 mm×40 mm，其化学成分见表1，力学性能见表2.焊接设备为Dimension 1250双丝双弧自动焊机，焊丝为最新研制的大热输入用钢焊丝G55，焊剂为碱性烧结焊剂 GM55，碱度 2.9.采用 60、122、158 kJ/cm 三种不同热输入进行施焊.焊接工艺参数见表3.表4为不同热输入焊缝金属化学元素质量分数.

表1 E40钢的化学成分(质量分数/%)

表2 E40钢的力学性能

表3 焊接工艺参数

表4 焊缝金属化学成分(质量分数/%)

参照国家标准GB 2649—89分别对焊接接头进行取样，并按GB 2651—89进行拉伸试验、按GB 2650—89进行冲击试验.在焊接接头取样制备金相试样，试样经砂纸研磨、抛光后，用体积分数3%的硝酸酒精腐蚀.利用LeicaMEF-4M光学显微镜，日立S-4300型冷场发射扫描电子显微镜观察分析显微组织.利用HV-5型维氏硬度仪测定硬度.利用H-800透射电镜研究微观精细结构.

2 结果及分析

2.1 热输入对焊缝组织的影响

图1给出了不同热输入条件下末道焊缝金属组织.焊缝组织主要由沿原奥氏体晶界分布的先共析铁素体和大量晶内分布的针状铁素体组成.图1(a)、(b)、(c)分别为不同热输入低倍金相组织.通过金相分析软件测量热输入为60、122和158 kJ/cm的焊缝柱状晶平均宽度分别为450、700、850 μm;最宽处分别为 680、950 和 1 250 μm.随着焊接热输入的增加柱状晶宽度增加.由于大热输入焊接，冷却速度小，使得焊缝柱状晶生长缓慢，其宽度方向温度梯度小容易长大，所以得到比较大尺寸的柱状晶［7］.随着连续冷却过程的进行，一次柱状晶发生组织转变，焊缝中原奥氏体晶界析出连续的先共析铁素体，而晶内组织以细小针状铁素体为主.针状铁素体组织能细化晶粒，同时板条间为大角度晶界，板条内的微裂纹解理跨越晶内铁素体时需要很高的能量才能扩展，因此表现出高的强度和韧性.随着热输入的增加，末道焊缝中针状铁素体的含量变化不大.图2(a)、(b)、(c)分别为不同热输入焊缝中扫描电镜下显微针状铁素体组织.针状铁素体形核方式主要有两种，一种是几个针状铁素体以球形夹杂物为中心向外伸展，在图中分别都用箭头1表示出其相应的形核位置;一种是在先形成的针状铁素体晶界上形成新的针状铁素体，称为“感生形核”［8］.在图中分别都用箭头2表示出其相应的形核位置.随着热输入的增加，针状铁素体板条宽度增加，但是铁素体板条宽度在1～3 μm变化.

图1 不同热输入下低倍焊缝组织

图2 不同热输入下焊缝针状铁素体

2.2 热输入对焊缝夹杂物的影响

大量细小均匀分布的夹杂物有利于针状铁素体的形核和长大［9］.焊缝中夹杂物的化学成分、形态和分布直接影响着针状铁素体的分布和形态［10］.通过对金相试样进行磨抛可观察到焊缝中分布着大量夹杂物.通过面扫描和能谱分析对焊缝中夹杂物进行分析.分析结果表明:焊缝中主要存在两类夹杂物，如图3所示.一类为Si、Mn、Ti、Al、Ca和Mg等的复合氧化物，如图3(a)所示;一类为硫化锰覆盖型夹杂物，如图3(b)所示.Ti、Al、Si、Ca、Mg 的氧化物熔点较高，先从液态金属中析出成为形核质点，Mn的氧化物和硫化物依附于先析出的高熔点氧化物形核、长大［11］.

图3 焊缝中两类典型夹杂物

利用金相显微镜选择相同大小的视场对焊缝中夹杂物进行统计分析.表5为夹杂物分布、数量和大小结果.图4给出不同热输入焊缝夹杂物尺寸和对应尺寸所占比例，由图4可知不同热输入焊缝夹杂物尺寸主要分布在0.2～1.2 μm，夹杂物尺寸小于3 μm.由表5可知:随着热输入的增加，焊缝中夹杂物数量、面密度减小，平均尺寸增加.这主要是因为:随着大热输入增加，熔池金属高温停留时间延长，冷却速度减小，过冷度减小，元素向高温更稳定的析出氧化物扩散聚集从而出现夹杂物数量减少尺寸增加现象.但热输入由122 kJ/cm增加到158 kJ/cm时，焊缝中夹杂物数量减少的变化程度较小.这主要是因为:随着热输入继续增加，熔池金属高温下停留时间进一步延长，由于高熔点的氧化物形核质点数量受金属合金元素浓度控制，所以，随着热输入的增加，夹杂物数量减少的程度变小.

表5 不同热输入焊缝中夹杂物的大小、分布

图4 夹杂物尺寸分布图

2.3 热输入对焊缝中M-A组元的影响

随着熔池温度的降低，大量针状铁素体在奥氏体晶内形核长大，并随着奥氏体内碳的富集，在针状铁素体之间产生M-A组元.使用lepera着色侵蚀剂(体积分数1%的偏重亚硫酸钠，体积分数4%的苦味酸酒精溶液按体积比1∶1混合)，对3种热输入焊接接头焊缝金属进行腐蚀，其中M-A成白色，铁素体成灰色.图5为典型M-A组元组织图，其选自热输入为158 kJ/cm的焊缝，图5(a)为金相显微镜下M-A组元形貌，图5(b)为透射电镜下M-A组元，图5(c)为扫描电镜下M-A组元和铁素体的显微硬度压痕图.

图5 M-A岛的显微形貌、TEM图片和显微硬度

通过金相分析软件，选取相同的视场，对不同热输入焊缝中M-A组元的体积分数进行统计.对3种热输入焊缝中M-A组元进行显微硬度测试，每个试样随机测试10处，载荷为10 g.结果显示M-A显微硬度平均值为300 HV，最高值不大于310 HV.热输入为60、122、158 kJ/cm 的焊缝中M-A组元体积分数分别为0.463%、0.799%、1.361%，但随着热输入的增加，M-A组元平均弦长小于2 μm、成颗粒状和小块状均匀分布.当细小M-A均匀分布于针状铁素体板条中间，能有效阻止铁素体长大，更重要的是，位于晶界位置的M-A弥散质点对奥氏体晶界的钉扎作用，能细化晶粒，在提高焊缝强度的同时改善钢的韧性［12］.

3 热输入对力学性能的影响

图6给出了不同大热输入焊接条件下，焊缝中心低温冲击吸收功.在-20℃时，焊缝中心冲击吸收功均大于100 J、远大于我国船标E40焊接接头-20℃冲击吸收功大于等于47 J的要求.这主要是因为焊缝金属化学成分为低碳微合金设计，焊缝中Mn、Ni、Cu都能在提高强度的同时增加韧性，而且焊缝组织均以针状铁素体为主，具有较高的强韧性，随着热输入的增加，细小均匀分布的M-A组元百分含量增加，但对韧性并没有造成损害［13］.值得注意的是，试验数据显示，随着热输入增加，焊缝冲击吸收功反而增加.

图7给出了不同热输入条件下，-40℃时焊缝中心冲击断口的微观形貌.图中(a)、(c)、(e)分别为不同热输入条件下断口裂纹扩展前期的扫描图片.热输入为60 kJ/cm时，断口起裂源的形貌以准解理形貌特征为主，韧性相对较差，而热输入为122、158 kJ/cm时断口起裂源的位置为韧窝断口形貌，韧窝均呈拉长的抛物线状，只是后者韧窝更深、分布更密集、尺寸更细小，表现出更优异的韧性.图中(b)、(d)、(f)为不同热输入焊缝中心断口裂纹失稳扩展区域扫描照片.热输入为60、122 kJ/cm时，断口形貌为准解理形貌，且在解理区间存在由小韧窝组成的延性脊，有助于改善冲击韧性.热输入为122 kJ/cm时，韧窝型延性脊明显增多，其冲击韧性明显增加.158 kJ/cm时断口形貌为韧窝，韧窝大小均匀，且比较深，在韧窝底部含有球形夹杂，可知断裂形式为微孔聚集型断裂.从图7中不同热输入焊缝中心冲击断口形貌同样可以证实随着热输入的增加，焊缝中心低温冲击韧性增加.

图6 不同温度下焊缝中心冲击吸收功Akv/J

图7 -40℃不同热输入SEM焊缝冲击断口形貌

一般情况下，低合金高强钢焊缝低温冲击韧性随着焊接热输入的增大成逐渐降低趋势，这主要是因为热输入越大，高温停留时间越长，对焊缝金属化学成分以及焊缝冷却时间特别是t8/5具有较大影响，易于获得粗大脆性组织.而针对本试验出现随热输入增加，焊缝冲击吸收功却增加的现象从以下几方面解释:首先，热输入增加，柱状晶宽度增加，沿原奥氏体晶界的先共析铁素体的含量减少，针状铁素体的含量增加，有利于焊缝韧性的提高.其次，焊缝金属中氧含量降低.氧在焊缝中主要以夹杂物的形式存在，氧含量太高，非金属夹杂物尺寸太大，氧含量较低不能形成足够的非金属夹杂从而不利于焊缝针状铁素体的形核.在试验条件下，随着热输入的增加，夹杂物数量减少，对焊缝金属冲击韧性有利.最后，前面两种因素虽然对焊缝韧性有影响作用，但不至于表现出焊缝低温冲击吸收功随着热输入的增加而出现明显的增加趋势.通过图8可知，钢中韧性最低的薄弱环节是焊缝多层多道焊时，后续焊道对前焊道的高温再热作用，使部分原柱状晶组织转变成了块状铁素体，从而降低了焊缝的冲击韧性［14］.随着热输入由60、122到158 kJ/cm的增加，焊缝焊接道次分别为6、3、2，焊缝组织中受热循环影响而产生的薄弱环节组织越少，针状铁素体含量越多，使焊缝冲击韧性具有明显的增加趋势.

图8 断口区域显微组织

对3种热输入下焊缝各区域进行维氏硬度测试10个点，最后取其平均值，热输入为60、122、158 kJ/cm 时，硬度分别为210、205、220 HV5.表6为焊接接头拉伸试验结果.由表可知，焊接接头表现出足够的强度，板拉伸试样断口位置均为母材.由焊缝金属拉伸结果可知:随着热输入增加，焊缝金属屈服强度、抗拉强度均增加.热输入的增加改变了焊缝金属化学成分和冷却速度，从而影响焊缝最终组织.热输入增加，焊缝金属强度增加是因为:一方面，由于大热输入焊接时，母材和焊剂中合金元素过渡到焊缝中，由表6可知，焊缝金属化学成分有微量增加.主要原因是焊缝金属成分采用低碳微合金设计思路，在不同热输入焊接的冷却速度范围内，焊缝组织以针状铁素体为主，且针状铁素体含量随热输入增加而增加.

表6 E40钢大热输入焊接接头拉伸试验结果

4 结论

1)在60、122、158 kJ/cm 的焊接热输入条件下，采用新研制的焊丝焊接E40大热输入用钢，获得成型良好的接头.焊缝组织均以针状铁素体为主，存在先共析铁素体，焊缝中受热循环区域存在块状铁素体.随着热输入的增加焊缝M-A组元体积分数呈0.463%、0.799%、1.361%增加趋势.

2)-20℃时不同大热输入焊缝中心冲击吸收功均大于100 J.-40℃时，随着热输入的增加，焊缝都具有较高冲击吸收功且呈增加趋势，这主要是因为热输入增加时焊缝柱状晶宽度增加，针状铁素体含量增加;焊缝金属中氧含量减少，夹杂物减少;焊接道次减少，焊缝中受热循环影响产生的块状铁素体含量减少.

3)热输入为60、122、158 kJ/cm 时，焊缝硬度分别为210、205、220 HV5;焊缝金属强度高于母材强度，且随着热输入的增加焊缝金属强度增加，这主要因为焊缝组织以针状铁素体为主，且随热输入增加其含量增加.

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