铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响

韩丽梅，李 丽，田 猛，曲锦波

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，张家港 215625)

0 引 言

随着经济一体化和全球化发展，世界范围内的货运量增加，推动了货运船舶向大型化发展，使得船舶用钢板的厚度也逐渐增大。在船舶制造过程中，焊接工序约占整个造船周期的20%～30%，焊接成本约占造船总成本的17%[1-2]。为提高船体焊接效率、降低制造成本，大热输入焊接方法(热输入不低于50 kJ·cm-1)，如气电立焊、电渣焊、焊剂铜衬垫(FCB)埋弧自动单面焊、双丝埋弧焊等被引入到船舶制造中。大热输入焊接工艺具有加热温度高、高温停留时间长、冷却速率慢等特点，会延长原奥氏体晶粒长大时间，扩大热影响区(HAZ)范围，使组织发生粗化并恶化热影响区的低温韧性。其中，热影响区粗晶区因晶粒最为粗大，产生的脆化最为明显，是大热输入焊接件的薄弱区[3]。

国内外学者经大量研究发现，氧化物冶金或微合金化技术能够改善热影响区的低温韧性[4-6]，通过添加钛、钒、铌等微合金元素，利用这些元素在钢中生成的氧化夹杂物和细小第二相来钉扎原奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，并促进有益组织(晶内针状铁素体)的形成。例如，TiOx、TiN、VN可作为非均匀形核质点诱导晶内铁素体形核，细化晶粒[7]；V(C，N)、Nb(C，N)第二相粒子可沉淀于晶界，钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒长大[8]。铌、钛作为强碳、氮化物形成元素，对于提高钢板强度、改善钢板低温韧性十分有效；高强船板钢中一般添加质量分数在0.01%～0.05%的铌元素和0.01%～0.02%钛元素，以提高其强韧性和焊接性[9]。

有关铌元素对钢焊后热影响区韧性的影响目前存在一定争议：高胄[10]认为，在小热输入焊接条件下，热影响区粗晶区的韧性总体随着铌含量的增加而提高，而大热输入焊接条件下，铌的增加对粗晶区韧性改善无明显影响；张英乔等[11]研究表明，铌的添加对大热输入焊接条件下钢的粗晶区韧性存在不利影响。因此，作者采用控轧控冷工艺(TMCP)生产含铌和无铌两种DH36级船板钢，并进行热输入量为150 kJ·cm-1的大热输入气电立焊，研究了铌元素对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响，为低成本大热输入焊接船板钢的开发提供参考。

1 试样制备与试验方法

母材为在常规DH36船板钢成分的基础上，添加少量铌、钛元素制备的含铌和无铌两种船板钢。两种钢的化学成分见表1，均采用低碳成分设计，除铌元素外，其他元素含量相同。采用TMCP工艺生产钢板，板厚为30 mm，两种钢板的轧制态组织均由细小铁素体和珠光体组成，拉伸性能和-20 ℃冲击韧性良好，如表2所示。焊接材料为日本神钢生产的直径为1.6 mm的DW-S1LG气电立焊专用焊丝。

表1 两种船板钢的化学成分(质量分数)

表2 两种船板钢的力学性能

在船板钢上截取尺寸为800 mm×300 mm×30 mm的试样，采用对接接头形式，开单边V型坡口。采用YS-EGW-D-II型双丝气电立焊机进行焊前无预热、焊后无热处理的气电立焊，焊接热输入为150 kJ·cm-1，焊接电流为400 A，焊接电压为39 V，保护气体为CO2，保护气体流量为25～30 L·min-1，焊接速度为6.1 mm·min-1。

使用OMNISCAN MX2型超声波相控阵探伤仪对焊接接头进行无损探伤，检测是否存在内部缺陷。将焊接接头横向剖开制取金相试样，经机械研磨抛光，体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，使用蔡司Image-A 1m型光学显微镜(OM)和SIGMA型场发射扫描电镜(SEM)观察距熔合线(FL)1,2,3,5,9 mm热影响区处(分别记为FL+1,FL+2,FL+3,FL+5,FL+9位置)的显微组织，使用SEM附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。将焊接接头横向剖开，经体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在焊缝(WM)、熔合线以及FL+1，FL+2，FL+3，FL+5，FL+7位置刻画出V型缺口位置，再将其加工成尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样。在IMP450-J型摆锤冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为-20 ℃，使用SEM观察冲击断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 接头宏观形貌

两种船板钢焊接接头经目视检测焊缝成形良好，经无损探伤检测无焊接缺陷。距熔池中心不同距离处的热影响区(HAZ)经历的焊接热循环不同，产生的固态相变不同，具有的组织与性能不同。根据焊接热循环状态，可将热影响区分为热影响区粗晶区(CGHAZ)、热影响区细晶区(FGHAZ)和热影响区临界区(ICHAZ)3个区域。含铌钢焊接接头CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ的宽度分别约为1，6，4 mm，无铌钢焊接接头的则分别约为1，7，3 mm，两种钢焊接接头热影响区的3个区域宽度无明显差别，如图1所示。

图1 两种船板钢焊接接头的横截面宏观形貌

图2 含铌钢焊接接头HAZ不同位置的显微组织

2.2 热影响区显微组织

图2和图3中临近FL位置给出的是CGHAZ的整体形貌；FL+1位置表示距熔合线1 mm位置，以此类推。由图2和图3可以看出：两种钢焊接接头CGHAZ的最大宽度均约为1 mm，FL至FL+1位置处的晶粒较为粗大，属于CGHAZ；两种钢CGHAZ的显微组织均主要由晶界铁素体、粒状贝氏体和贝氏体铁素体组成，但含铌钢CGHAZ中的晶界铁素体含量较少，粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量较多。FL+2，FL+3，FL+5位置的晶粒较为细小，这些区域属于FGHAZ；随着距熔合线距离的增大，FGHAZ组织变得细小、均匀，相组成也发生明显变化。在含铌钢焊接接头FGHAZ中，FL+2位置的显微组织含有较多的粒状贝氏体和贝氏体铁素体，以及较少的铁素体；FL+3处粒状贝氏体和贝氏体铁素体几乎全部消失，组织转变成铁素体和珠光体，但珠光体含量极少；FL+5处则为均匀细小的铁素体和珠光体组织。在无铌钢焊接接头FGHAZ中，FL+2处的显微组织主要由铁素体和珠光体组成，只含有少量的粒状贝氏体和贝氏体铁素体，FL+3和FL+5处的组织结构与含铌钢相同。两种钢FL+9处的晶粒大小都不均匀，晶粒取向沿轧制方向，该区域属于ICHAZ，其显微组织由粗大的铁素体和细小的珠光体组成。

与无铌钢相比，含铌钢焊接接头CGHAZ组织中的晶界铁素体含量较少，粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量较多，铁素体和珠光体转变推迟。这是由于铌元素会阻碍碳原子扩散，降低铁素体和珠光体的转变温度，抑制这两相的生成。同时，固溶在钢中的铌元素易在原奥氏体晶界上富集，对铁素体相变的界面运动起到较强的钉扎拖拽作用，从而阻止铁素体相变，抑制晶界铁素体生成。铌元素虽然对贝氏体转变温度区间几乎没有影响，但会扩大贝氏体转变的冷却速率范围，增大各冷却速率下亚稳奥氏体发生贝氏体转变的倾向，从而促进粒状贝氏体和贝氏体铁素体的生成。

图3 无铌钢焊接接头HAZ不同位置的显微组织

图4 两种船板钢焊接接头HAZ中M-A岛的典型微观形貌

用SEM观察两种钢焊接接头HAZ组织时，均发现存在马氏体-奥氏体(M-A)岛。M-A岛或呈块状分布在粒状贝氏体组织上，或呈长条状分布在贝氏体铁素体板条间，如图4所示。块状M-A岛和长条状M-A岛的微观结构并非典型的结构形态，两者均发生了不同程度的分解，分解为由铁素体和渗碳体组成的伪珠光体。长条状M-A岛的分解程度大于块状M-A岛的，这与MASTUDA等[12]在研究HSLA钢热影响区组织时观察到的现象相同。

HAZ中的析出相与钢中钛、铌与碳、氮元素之间的亲和力以及各元素含量和析出相形成温度有关。含铌钢焊接接头HAZ中析出了(Ti,Nb)(C,N)第二相粒子，而无铌钢焊接接头HAZ中析出了Ti(C,N)第二相粒子，如图5所示。(Ti,Nb)(C,N)和Ti(C,N)第二相粒子的形态均为方形，尺寸在50～200 nm之间，弥散分布在原奥氏体晶界和亚晶界附近及晶粒内部，具有较好的高温稳定性，可起到细化晶粒的作用。

图5 两种船板钢焊接接头HAZ中析出相的SEM形貌和EDS谱

2.3 接头低温韧性

图6 两种船板钢焊接接头不同位置的-20 ℃冲击功

由图6可知：无铌钢焊接接头不同位置均具有良好的低温冲击韧性，-20 ℃冲击功单值均在102 J以上，远高于船级社规范对DH36级钢板焊接接头的冲击韧性要求(平均值不低于34 J，单值不低于24 J)；含铌钢焊接接头除了FL位置，其他位置的低温韧性均良好，-20 ℃冲击功单值均在143 J以上，而FL位置的低温韧性显著降低，-20 ℃冲击功出现单值低于24 J的情况，无法满足船级社规范要求。

在焊接接头FL处开V型缺口时，V型缺口有一半位于紧邻FL的CGHAZ；而CGHAZ由于所受热循环峰值温度高，组织易脆化，导致韧性恶化。与无铌钢相比，含铌钢焊接接头FL位置出现韧性恶化现象是因为该位置组织中晶界铁素体含量减少、粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量增多，相应的粒状贝氏体和贝氏体铁素体组织中的块状和长条状M-A岛含量增多。典型块状M-A岛的硬度一般在800～1 200 HV，长条状的在600～800 HV[13]；铁素体基体的硬度约为200 HV:M-A岛与铁素体基体之间的强度不匹配。当施加载荷时，位错会在M-A岛附近堆积而产生应力集中，导致M-A岛与基体界面处形成微空洞和微裂纹，成为局部脆性区；M-A岛因硬度较高、塑性变形能力较弱而在裂纹扩展后期断开，引发准解理断裂，从而降低组织韧性。两种钢接头中的M-A岛均发生了分解，分解后的M-A岛虽然硬度有所降低，与基体之间的强度不匹配性减弱，但是位于晶界处的M-A岛分解形成的颗粒状或小短片状渗碳体一般会无序、松散地偏聚在晶界和亚晶界处，弱化了晶界，降低了起裂所需的临界应力，极易引发脆性裂纹的萌生与扩展，对韧性不利。

两种钢焊接接头FL位置的冲击断口形貌呈扇形花样，为典型的准解理断裂形貌特征，属于脆性断裂，如图7所示。与无铌钢相比，含铌钢FL位置冲击断口的扇形花样较大，撕裂脊线较少，扩展面较为平整。扇形花样是由于裂纹扩展遇到大角度晶界时不能通过，在晶界处产生新的裂纹并向外扩展而形成的；扇形花样越小，撕裂脊线越多，裂纹扩展所需要的能量越高，韧性越好。因此，无铌钢FL位置的韧性优于含铌钢FL位置的。

图7 两种钢焊接接头FL位置冲击断口形貌

3 结 论

(1) 未添加铌和添加质量分数0.025%铌制备的无铌钢和含铌钢在热输入为150 kJ·cm-1条件下焊接后，CGHAZ组织均由晶界铁素体、粒状贝氏体和贝氏体铁素体组成，粒状贝氏体和贝氏体铁素体中均存在块状和板条状M-A岛，但与无铌钢相比，含铌钢CGHAZ中的晶界铁素体含量减少，粒状贝氏体和贝氏体铁素体含量增多；随着距熔合线距离的增加，两种钢接头HAZ组织均逐渐转变为铁素体和珠光体；此外，两种钢焊接接头HAZ中均存在第二相粒子，含铌钢热影响区的第二相粒子为(Ti,Nb)(C,N)，无铌钢中的为Ti(C,N)。

(2) 无铌钢焊接接头焊缝、熔合线处和距熔合线不同距离HAZ位置的-20 ℃冲击功单值均在102 J以上，远高于船级社规范对DH36级钢板焊接接头的冲击韧性要求；含铌钢焊接接头除了熔合线处-20 ℃冲击功出现单值低于24 J的情况，无法满足船级社规范要求外，其他位置的-20 ℃冲击功单值均在143 J以上。铌的添加对DH36级船板钢大热输入焊接接头韧性不利，这与铌元素会推迟铁素体和珠光体转变，促进粒状贝氏体和贝氏体铁素体生成有关。