低合金高強鋼焊縫金屬中AF的研究進展

栗卓新，張?zhí)炖恚琄im H J

(1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京100124)(2.韓國工業(yè)技術研究院高級熔焊研究組，天安330－825)

低合金高強鋼焊縫金屬中AF的研究進展

栗卓新1，張?zhí)炖?，Kim H J2

(1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京100124)(2.韓國工業(yè)技術研究院高級熔焊研究組，天安330－825)

綜述了國內外對于低合金高強鋼(HSLA，High Strength Low Alloy)焊縫金屬中針狀鐵素體(AF，Acicular Ferrite)的最新研究進展得出，要想獲得較多的AF，主要從3個方面加以有效控制:①合金元素中含0.05% ～0.10%C，且C當量小于0.39，合理控制Mn，Ni，Ti，B之間的相互比例，保持硼氮比(B/N)在0.6～0.8之間，鋁氧比(Al/O)在0.43～0.73之間，降低N，S，P含量;②夾雜物尺寸為0.5～0.8 μm，表面富10～20 nm TiO薄層且呈球形，促使生成更多的第Ⅲ、Ⅳ類夾雜物;③較低熱輸入(HI，Heat Input)時合金元素燒損較少，冷卻速率較快，焊縫組織得以細化。

低合金高強鋼;針狀鐵素體;合金元素;夾雜物;熱輸入

1 前言

隨著全球焊接材料向高強、高韌、潔凈、節(jié)能、環(huán)保及高效自動化方向發(fā)展［1］，低合金高強鋼(HSLA)焊縫金屬已由傳統(tǒng)的Mn-Si合金系，發(fā)展到可獲得特征參數(shù)適當?shù)膴A雜物，增加針狀鐵素體(AF)形核的Ti-B合金系，新一代焊材可獲得更多更細AF。AF是HSLA焊縫金屬的理想組織，具有細小的晶粒尺寸和高密度位錯，當含量大于65%，平均板條尺寸約為1 μm時，焊縫金屬將具有優(yōu)異的強韌性。

近年來眾多學者從不同的角度對AF形核及影響進行了大量的研究［2－6］，但到目前為止，對于AF形核機制及其控制還沒有統(tǒng)一的觀點，AF在焊材設計中的應用還是非可控的。盡管不同焊接方法，不同合金系，不同N，O含量，不同夾雜物特征參數(shù)等對AF的影響不盡相同，但是合金元素、夾雜物及熱輸入(HI)是影響AF的主要因素已成為共識。因此，本文綜述了國內外對于以上三個因素的最新研究成果。

2 合金元素對AF形核的影響

合金元素是控制焊縫金屬組織和力學性能的一個主要因素。焊縫金屬中C可推遲奧氏體的轉變溫度，具有強烈的淬硬性，其含量一般為 0.05% ～0.15%［5］。Ramirez J E［7］認為，當C含量在0.05% ～0.10%時，隨C當量在0.26～0.39增加，晶界鐵素體(GBF)含量減少，側板條鐵素體(FSP)和AF含量增加，焊縫再熱區(qū)轉變?yōu)榈容S塊狀鐵素體;C當量高于0.47時，包括馬氏體(M)在內的低溫轉變產物增加。當C含量在0.10%～0.15%時，焊縫再熱區(qū)出現(xiàn)高比例的如珠光體或碳化物的第二相沉淀。

Kim J H［8］研究了藥芯焊絲電弧焊(FCAW)焊縫金屬中Ni含量分別為0.03%，1.52%時，焊縫金屬微觀組織變化，其中Mn含量保持在1.2%左右。結果表明:含1.52%Ni的焊縫金屬由82%AF+6%GBF+12%含第二相的鐵素體(FS)組成，而含0.03%Ni的為54%AF+19%GBF+27%FS。Mn對焊縫金屬具有細化和硬化兩種相反的作用，Beidokhti B［9］通過對X70管線鋼埋弧焊(SAW)焊縫微觀組織的研究，表明當Ti含量在0.02%～0.08%，Mn含量在1.92% ～2.00%范圍內可獲得較多的AF。進一步添加Mn，則會使得貝氏體(B)的晶界形核率高于AF晶內形核率，焊縫硬度增加。

Avazkonandeh-Gharavol M H［10－11］分別研究了 0.14%～0.94%Cu與0.05% ～0.91%Cr對Cr-Ni-Cu低合金鋼電弧焊(SMAW)焊縫金屬中AF形成的影響，認為隨著焊縫金屬中Cu，Cr含量增加，AF數(shù)量增加，焊縫微觀組織得到細化，柱狀區(qū)和粗晶區(qū)中先共析鐵素體(PF)及FS減少，沖擊韌性隨著Cu含量增加而降低，隨Cr含量的增加而增加。

Beidokhti B［12］研究了Ti對X70管線鋼SAW焊縫金屬微觀組織的影響，認為獲得最優(yōu)組織和沖擊性能組合的Ti含量范圍為0.02% ～0.05%，進一步增加Ti，會促使焊縫金屬中強化元素Mn，Si含量增加，焊縫組織會由AF，GBF，魏氏體(WF)向AF，GBF，B，M-A組織轉變。Paniagua-Mercado M［13］同樣研究了焊縫金屬中Ti含量為0.014% ～0.048%對Q235板材SAW焊縫金屬組織的影響，焊縫金屬主要由等軸鐵素體和AF組成，隨著Ti含量的增加，AF含量增加且長度減少，焊縫金屬韌性提高，這是由于焊縫金屬中Ti含量高于Al含量，TiO2夾雜促進AF形核占主導作用。然而Ti含量在0.05%～0.30%之間變化時，將不會引起焊縫組織的較大變化［14］。

文獻［15－16］研究了B對抗拉強度為700～1 100 MPa級高強鋼焊縫金屬中微觀組織和韌性的影響，當抗拉強度小于800 MPa時，B含量小于0.001 5%的焊縫金屬中形成GBF，沖擊韌性較低;當抗拉強度大于800 MPa時，其焊縫金屬中AF替代B或M-A組元，產生了更多的AF，韌性較高，隨抗拉強度的增大沖擊韌性降低，見圖1。Lee H W［17］研究了FCAW焊縫金屬中分別含0.003 2%，0.006 0%和0.010 3%B時AF形成的情況，得出AF隨B含量在0.003 2%～0.010 3%之間的增加而減少，在0.010 3%時焊縫金屬中上貝氏體(UB)替代AF。其中B含量從0.003 2%增加至0.006 0%時焊縫金屬沖擊能輕微減少，B含量從0.006%增加至0.010 3%，沖擊能顯著降低，這是B導致共析溫度的降低的原因。文獻［18］研究得出，向焊絲中添加較高的Ti，且保證較低的堿度，焊縫金屬中硼氮比(B/N)在0.6～0.8的范圍內，則可以生成有利于AF有效形核的含Ti氧化物夾雜，在HI=100 kJ/mm時，焊縫金屬仍可獲得100 J以上較好的沖擊韌性值，見圖2;B/N高于0.8時，M-A組元含量增加，沖擊韌性降低。

文獻［19］研究了低合金鋼焊縫金屬中Al/O為0.2和0.43時AF形成情況，認為在Al/O小于0.45時，適當高的Al/O均可促使產生較多的0.2～0.8 μm夾雜物，促進AF形核，從而對韌性有利。Yamada T［20］進一步在Al/O為0.48，0.73，1.52的夾雜物表面，用離子束制備一層富Ti薄膜，研究富Ti層和AF之間的關系。結果表明:Al/O為0.48和0.73時，促進AF形成的夾雜物被厚度為10～40 nm窄小的TiO層包覆，TiO薄層有助于AF異質形核。Al/O對焊縫金屬微觀組織變化的CCT曲線見圖3［21］。

N對焊縫金屬的韌性有害，當其含量超過0.01%時，沖擊韌性極劇下降。O和S是焊縫金屬中限制性雜質元素。焊縫金屬中常加入Al，Mg等強還原劑來脫氧固氮，然而生成的多邊形的AlN脆性夾雜物，卻會嚴重的損害焊縫金屬的低溫韌性，文獻［22］針對BaF2-Al-Mg高韌性全位置自保護FCAW渣系，提出通過向藥芯中加入適量LiF，會在電弧區(qū)與N生成Li3N，從而顯著降低焊縫金屬中N含量，減少AlN有害夾雜數(shù)量。然而Garcia-Mateo C［23］卻提出N與V沉淀生成V(C，N)相會促進AF形核。焊縫金屬中O含量較少時，焊縫組織中會存在粗大的FSP和GBF，從而對韌性不利，藥芯中添加適量Fe2O3、MnO2等，可提高焊縫金屬中O含量，降低殘留的Al含量，生成以Al2O3為主的圓形夾雜，得到以 AF為主的焊縫組織［22］。Liu Z Z［24］研究了鋼中硫化物夾雜對AF形核的影響，認為Mn-Fe-Si-O復合氧化物和純SiO2對AF形核無作用，而含有少量Mn和Cu的FeS顆粒對AF形核有效，這主要是由于FeS夾雜附近形成的貧Mn區(qū)和富P區(qū)引起的;CuxS顆粒對AF形核無效。Sarma D S［5］得出由于奧氏體和MnS之間熱膨脹系數(shù)相差很小，MnS包覆的顆粒作為AF形核的可能性明顯低于含Ti的氧化物包覆顆粒。Ti的氧化物夾雜表面沉淀MnS層會降低AF在夾雜物上形核率。

圖3 含不同Al/O的焊縫金屬CCT曲線圖Fig.3 CCT diagrams in different Al/O ratio for weld metals

綜上研究及其它相關文獻報道，總結得出對于AF形成有利的焊縫金屬中各合金元素的合適范圍見表1。

表1 焊縫金屬中合金元素對AF的影響Table 1 Influence of alloying elements on AF in weld metals

3 夾雜物對AF形核的影響

焊縫金屬中夾雜物的大小、數(shù)量、成分、冶金等因素對AF形成至關重要。隨著夾雜物直徑從0到1 μm的增大，夾雜物顆粒表面積增大，AF在夾雜物上異質形核能壘降低。但當夾雜物直徑大于1 μm時，形核能壘只輕微降低，因此，再進一步增大夾雜物直徑將沒有意義。作為AF異質形核的夾雜物顆粒直徑的極限值為1 μm見圖4。圖5為焊縫金屬中所有夾雜物和可促使AF形核的夾雜物分布情況，可以看出AF形核數(shù)量最多的地方對應的夾雜物直徑范圍為0.5～0.8 μm。然而，在這些夾雜物上AF形核率卻比在直徑大于1 μm的夾雜物上形核率小［3］。Ramirez J E［7］卻認為夾雜物直徑的平均值和最大值分別在0.3～0.6 μm、0.9～1.7 μm之間。Li Z X［3］得出作為AF形核的核心的夾雜物尺寸大多數(shù)在0.2～0.6 μm之間，并且是含有多種元素的復合夾雜物，具有化學成分不均勻性。焊縫金屬中可促使AF有效形核的夾雜物體積分數(shù)為36%，其中第Ⅲ類夾雜物占26%，第Ⅳ類夾雜物占10%，而不能形核的第Ⅰ，Ⅱ類夾雜物體積分數(shù)分別為38%，26%［5］。

圖4 焊縫金屬中夾雜物尺寸對AF形核的影響Fig.4 Effect of inclusion size on AF nucleation in weld metals

圖5 低碳鋼焊縫中夾雜物分布圖Fig.5 Inclusion distribution diagram in weld metals of mild steel

Yamada T［6，25］在研究低碳 Ti-B 焊縫金屬中夾雜物與AF形成的關系時，得出充當AF形核質點的夾雜物主要由Si-Mn系的非晶相，MnS，MnAl2O4組成。Bose-Filho W W［14］研究得出在Ti含量較低時，焊縫金屬中的夾雜物主要組成為MnOSiO2;進一步添加Ti，則會使得夾雜物中Ti含量增加，夾雜物主要組成變?yōu)镸nOSiO2，Ti2O3，TiO;當Ti含量高達0.070%時，夾雜物中Ti含量將高達60%～70%，此時夾雜物表面將被Ti2O3、TiO包覆。Hidenori T［26］研究得出焊縫金屬含0.022%Al時，Mn-Al-Si-O系中玻璃相作為主要的脫氧產物充當夾雜物核心;0.035%Al時對應的為Al2O3和特定的玻璃相。

Yamada T［6，25］也研究得出 AF和夾雜物表面厚度為10～20 nm TiO薄層間存在Baker-Nutting取向關系，與奧氏體基體間存在Kurdjumov-Sachs取向關系，見圖6。TiO和AF間晶格匹配度為3.0%，從而有利于AF異質形核。含Ti的氧化物是AF形成的最好質點。富Ti的夾雜物可加速焊縫金屬中AF形成的動力。Paniagua-Mercado M［13］通過SEM觀察到含Ti夾雜物為亮白色的圓形，當焊縫金屬中Al含量低于Ti含量時，夾雜物將以TiO為主，相反則為Al2O3，此時Ti通常與N生產TiN夾雜物，含Ti的白色夾雜物會充當AF異質形核質點。Ramirez J E［7］得出焊縫金屬中含有球形、面形和塊狀的不同形狀的夾雜物核心主要由不同比例的Ti，Mn，Si，Al等的氧化物組成，表現(xiàn)為復合脫氧產物，其中圓形夾雜物由于不會引起鋼基體應力集中，比有棱角夾雜物對AF形核有利。

綜上所述，根據(jù)夾雜物對AF形核的影響，可將其分為活性夾雜物和惰性夾雜物，兩者對AF形核的影響如表2所示［3］。直徑 0.5～0.8 μm、體積分數(shù) 36%、表面富TiO薄層且成圓球形的夾雜物一定可促進AF形核。

圖6 AF、奧氏體和夾雜物三者之間晶體學取向關系Fig.6 Orientation relationships among AF，austenite and inclusion

表2 夾雜物的化學組成對AF形核的影響Table 2 Influence of chemical composition of inclusions on AF nucleation in weld metals

4 熱輸入對AF形核的影響

焊接參數(shù)如HI、工件形狀、氣體流量等的不同可引起焊縫金屬微觀組織和韌性的變化，其中HI是主要影響因素。文獻［27］通過HI=1.0－2.75 kJ/mm對高強度鋼12Ni3CrMoV氣體保護焊絲焊縫金屬強韌性的研究表明，隨著HI增加，C，Mn，Ti等合金元素燒損增加，合金含量下降，淬硬性降低，焊縫金屬的冷卻時間延長，從而有利于強度較低、低溫韌性較差的鐵素體生成。焊縫金屬組織由GB、小塊狀鐵素體和AF向粗大的塊狀鐵素體及GB轉變。且得出HI與－50℃沖擊功間擬合式(1)，其中R為擬合相關系數(shù)(R2=0.487 5)。

然而 Song S P［28］在研究了 HI=1.507 ～ 2.987 kJ/mm對E71T-8J自保護FCAW焊縫金屬的影響時，結果卻表明:隨著HI增大，夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、粒徑、分布等均無明顯變化，合金元素的燒損輕微，主要是焊縫金屬的顯微組織發(fā)生了粗化，其中PF含量增加，AF和粒狀貝氏體(GB)含量減少，熔敷金屬低溫韌性降低，－40℃沖擊吸收功由起初的153 J降低到31 J，也得出HI與－40℃沖擊功間擬合式(2)，其中R2=0.930 89。Bajic N［29］研究了HI在0.75 kJ/mm和2.1 kJ/mm兩種焊接條件下，X60管線鋼SAW焊縫金屬微觀組織的變化，也得出較低HI對AF形成有利，AF含量可達72%。

AKV－40℃=69.67+110.12HI-40.39HI2(2)

文獻［30］研究了HI在2.0～3.8 kJ/mm對 X80管線鋼SAW焊縫組織和性能的影響，結果表明:焊縫金屬微觀組織由PF、AF和B構成，隨著HI增大，焊縫金屬中柱狀晶寬度增大，AF板條粗化，低溫沖擊韌性先升后降趨勢，其中HI=3.1 kJ/mm時，AF相互交織，呈高角度和高位錯組合分布，低溫沖擊韌性最好。

Bang K S［31］研究了隨著 HI在 1.4 ～4.5 kJ/mm 間的增加，分別增大焊接電流(I)、焊接速度(V)及電壓(U)對E81T1-Ni1型金屬芯焊絲焊縫金屬微觀組織的影響見圖7，可以看出，分別隨著I，U，V增大，AF所占面積減少;沖擊韌性主要與焊縫金屬中的粗晶區(qū)的長度有關，而與AF的比例、細晶區(qū)長度無關;隨著HI的增大，粗晶區(qū)長度增大，沖擊韌性降低。Lee J S［32］研究了HI=1.8 kJ/mm條件下，U，V，I對FCAW焊縫金屬微觀組織和沖擊韌性的影響，隨著V降低，焊縫晶粒尺寸增大;焊縫金屬的冷卻速率隨U，I增大而降低;在同等熱輸入條件下，合金元素沒有明顯變化，焊縫金屬的冷卻速率更多地由U和I決定，V影響很小，較低的U，V，I將具有較高的冷卻速率可使焊縫金屬組織細化，AF的體積分數(shù)增加，從而相應的沖擊韌性得以提高。

圖7 HI對焊縫金屬中微觀組織的影響Fig.7 Effect of HI on microstructures in weld metals

綜上可知，焊縫金屬的冷卻速率主要由U和I決定，V影響很小;較低HI時合金元素燒損較少，焊縫組織細化，對AF形成有利。

5 結語

(1)C含量控制在0.05%～0.10%之間且碳當量小于0.39，合理控制 Mn，Ni，Ti，B之間的相互比例，并保持B/N在0.6～0.8之間，Al/O在0.43～0.73之間，降低N，S，P含量，將對AF形核有利。

(2)夾雜物核心主要由MnS和其它非晶相組成;尺寸為0.5～0.8 μm，體積分數(shù)36%，表面富10～20 nm TiO薄層且呈球形的夾雜物，一定可促進AF形核。

(3)冷卻速率主要由U和I決定，V影響較小;較低HI時合金元素燒損較少，冷卻速率較快，焊縫組織細化，對AF形核有利。

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Research Progress on AF in Weld Metal for HSLA Steel

LI Zhuoxin1，ZHANG Tianli1，Kim H J2
(1.The College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)(2.Advanced Joining Research Team，Korea Institute of Industrial Technology，Cheonan-si 330－825，Korea)

This paper reviews the newest worldwide research progress on acicular ferrite(AF)in weld metal for high strength low alloy(HSLA)steel.More AF can be mainly obtained by the effective control of three aspects:① when C content is between 0.05 and 0.10%with a carbon equivalent of less than 0.39，the ratios between Mn，Ni，Ti，and B can be reasonably controlled，and the ratio of B/N is between 0.6 and 0.8，Al/O is between 0.43 and 0.73，while N，S，P contents are reduced;② when the size of inclusion is in the range of 0.5～0.8 μm with 10～20 nm TiO in the inclusion surface and with its shape being globular，then more third and fourth types of inclusions can be obtained;③ When heat input becomes lower，the burning loss of alloy elements becomes less，while the cooling rate becomes higher，and the welding microstructure gets finer.

HSLA;AF;alloying elements;inclusions;HI

栗卓新

TG425

A

1674－3962(2011)01－050－06

2011－09－09

粟卓新，男，1963年生，博士生導師，教授

張?zhí)炖恚校?985年生，碩士