熱輸入對800 MPa級水電用鋼焊縫組織性能的影響

朱騰輝，張敏敏，李 達，羅 濤，任希樂

（1.四川西冶新材料有限公司，四川成都611730；2.西南交通大學材料學院，四川成都610031）

熱輸入對800 MPa級水電用鋼焊縫組織性能的影響

朱騰輝1，張敏敏2，李 達1，羅 濤1，任希樂1

（1.四川西冶新材料有限公司，四川成都611730；2.西南交通大學材料學院，四川成都610031）

采用三種熱輸入對800 MPa級水電用高強鋼進行埋弧焊接，研究不同熱輸入對焊縫金屬組織、強度、塑性和沖擊韌性的影響。結果表明，三種熱輸入下焊縫金屬組織均以粒狀貝氏體為主，并含有少量的板條貝氏體、鐵素體和殘余奧氏體，隨著熱輸入的增加，板條貝氏體減少，而粒狀貝氏體和鐵素體量增加。焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度稍有下降，當熱輸入為28.7kJ/cm時強度最高，抗拉強度和屈服強度分別為784MPa和702MPa；當熱輸入升高為35.2 kJ/cm時，抗拉強度和屈服強度分別下降23 MPa和18 MPa，塑性得到改善；當熱輸入為35.2 kJ/cm時，其延伸率達到峰值，為22.5％，較熱輸入為28.7 kJ/cm時升高5.5％。而沖擊功則先升后降，三種熱輸入下隨著熱輸入的升高，其沖擊功依次為85 J、106 J和94 J。

800 MPa級水電用高強鋼；熱輸入；焊縫金屬；顯微組織；力學性能

0 前言

高強鋼因具有高強度，能承受重載、較大壓力等優點，廣泛應用于壓力鋼管、蝸殼、水輪葉片及其他相關大型焊接結構件中[1-3]。焊接作為水電設備生產制造過程中的關鍵技術方法，如何設計合理的焊接工藝參數，將直接制約甚至決定水電設備的服役性能及安全壽命。焊接熱輸入是影響高強鋼的焊接性能的關鍵因素，優化焊接熱輸入，可以顯著降低高強鋼焊接的各種缺陷并提高其焊接性能，降低因高強鋼水電構件失效而產生的各種故障。而高強鋼焊縫作為焊接接頭的重要組成部分，其性能的優劣直接決定了焊接接頭性能的好壞，關系到焊接接頭在服役期間的安全性及穩定性，如何優化和提高焊縫質量是高強鋼焊接亟待解決的問題[4-5]。

目前對σ0.2≥800 MPa的高強鋼焊縫的研究多集中于工程機械、海軍艦船、汽車制造等領域。而針對水電用高強鋼焊縫的研究，國內外卻鮮有報道。Wang J F等人[6]采用不同的熱輸入對汽車用DP1000鋼進行激光焊接，研究了熱輸入對DP1000鋼對焊縫組織及性能的影響，結果表明隨著熱輸入的降低，焊縫寬度出現下降的趨勢，而力學性能卻逐漸上升，焊縫金屬對塑性的貢獻較小。安同邦等人[7]研究了在不同熱輸入下工程機械用高強鋼焊縫組織及力學性能，發現隨著熱輸入的增加焊縫組織中貝氏體板條粗化，馬氏體板條減少，而粒狀貝氏體逐漸增多，部分膜狀殘余奧氏體向塊狀轉變，焊縫金屬沖擊韌度和硬度、接頭強度逐漸降低。Sadeghian M等人[8]研究了X65管道用高強鋼和超級雙相不銹鋼異種金屬焊縫在不同熱輸入下的組織及性能，認為隨著熱輸入的增加焊縫中鐵素體含量下降，未發現有害相，沖擊試驗表明在較低熱輸入時其塑性較差，在較高的熱輸入時強度比基體金屬更高。

隨著鋼材強度級別的提高，淬透性增大，焊接難度提高。如何合理地調控焊縫組織及性能，避免有害相的產生及性能的惡化是亟待解決的問題。焊縫組織及性能的影響因素是多方面的，當母材和焊接工藝確定后，焊接熱輸入成為關鍵因素。試驗采用28.7 kJ/cm、32.3 kJ/cm、35.2 kJ/cm三種不同的熱輸入對800 MPa級水電用B780CF高強鋼進行埋弧焊接，研究不同熱輸入對實際焊縫組織及性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗鋼板為國內某廠生產的BF780CF水電用高強鋼板，母材規格400 mm×150 mm×25 mm。采用ESAB Aristo 1000AC/DC埋弧焊機，試驗焊絲采用西冶新材料有限公司生產的XY-S80A實心焊絲，焊絲直徑4 mm，配XY-AF80SD焊劑（焊前300℃×1 h烘干）。母材及焊縫熔敷金屬的化學成分和力學性能如表1和表2所示。其中施焊熔敷金屬的熱輸入為31 kJ/cm。

表1 母材及熔敷金屬的主要化學成分Table 1Chemical compositions of base metal and welding seam ％

表2 母材及熔敷金屬的力學性能Table 2Mechanical properties of base metal and welding seam

分別采用28.7 kJ/cm、32.3 kJ/cm、35.2 kJ/cm三種不同的熱輸入進行施焊，試板坡口尺寸如圖1所示，焊接工藝參數如表3所示。

圖1 試板坡口尺寸Fig.1Groove size of the test plate

表3 焊接工藝參數Table 3Welding parameters

埋弧焊試驗完成后，測定焊縫的微觀組織及力學性能，按照GB/T 2650-2008、GB/T 229-2008等標準進行低溫（-40℃）KV2沖擊性能試驗，按照GB/T 2652-2008、GB/T228-2008等標準進行熔敷金屬拉伸性能試驗。采用Axiovert 200MAT型光學顯微鏡觀察焊縫熔敷金屬微觀組織，使用JSM-7610F場發射式掃描電子顯微鏡觀察焊縫拉伸和沖擊斷口形貌。

2 結果及分析

2.1 熱輸入對焊縫熔敷金屬組織的影響

不同熱輸入下焊縫金屬金相組織如圖2所示。當熱輸入為28.7 kJ/cm時，焊縫組織主要為粒狀貝氏體，并伴生有較多的板條貝氏體。當熱輸入達到32.3 kJ/cm時，原來較為可觀的板條貝氏體幾近消失，焊縫金相組織幾乎完全是由粒狀貝氏體組成的單相組織。隨著熱輸入的進一步提高，當熱輸入達到35.2 kJ/cm時，先共析鐵素體比例明顯增加，主要以塊狀形式存在，形成主要由塊狀鐵素體和粒狀貝氏體組成的復相組織。究其原因，隨著熱輸入的增加，冷卻時間t8/5和高溫停留時間均出現不同程度的延長，冷卻速度減緩，隨著冷卻速度的降低，冷卻曲線右移，冷卻曲線與C曲線相交于不同的相轉變區間。此外，合金元素的含量及C的擴散可以顯著影響奧氏體的穩定性，進而影響相轉變產物。熱輸入較小時，冷卻時間較短，在連續冷卻條件下，原奧氏體中C元素來不及擴散、聚集，以過飽和的形式存在于奧氏體中，增加了奧氏體的穩定性，降低了奧氏體轉變溫度，從而在低溫區間發生轉變。隨著熱輸入的增加，Mn、Ni和Mo等奧氏體穩定化元素受到一定程度的燒損，導致奧氏體穩定性下降，促進組織轉變向高溫區轉移。結合CCT圖可見，隨著奧氏體穩定化合金元素的燒損及C元素的充分擴散造成C曲線左移，冷卻曲線與C曲線的交點逐漸向高溫區轉移[4-5]。當熱輸入為28 kJ/cm時，冷卻速度較快，奧氏體穩定性較高，冷卻曲線經過粒狀貝氏體和板條貝氏體轉變區間，形成粒狀貝氏體和板條貝氏體的轉變產物；隨著熱輸入的增加，冷卻曲線右移，當熱輸入為32.3kJ/cm時，奧氏體穩定性下降，冷卻曲線幾乎完全進入粒狀貝氏體轉變區間，形成較為單一的粒狀貝氏體組織；熱輸入達到35.2 kJ/cm時，奧氏體溫度性進一步下降，冷卻曲線進一步右移，進入鐵素體轉變區間，形成鐵素體和粒狀貝氏體的復相組織。

圖2 不同熱輸入下焊縫下焊縫金屬的微觀組織Fig.2Microstructure ofthe weld metal under different heat inputs

2.2 熱輸入對焊縫熔敷金屬塑性的影響

不同熱輸入對焊縫金屬伸長率的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著熱輸入的提高，焊縫金屬的伸長率呈不斷上升的趨勢。當熱輸入為28.7 kJ/cm時，塑性較低，伸長率僅為17％；當熱輸入為35.2 kJ/cm時，焊縫金屬的伸長率最高，達22.5％。

圖3 不同熱輸入下焊縫金屬的伸長率Fig.3Elongation of the weld metal underdifferent heat inputs

不同熱輸入時焊縫金屬拉伸斷口掃描形貌如圖4所示。當熱輸入為28.7 kJ/cm和32.3 kJ/cm時，斷口形貌以韌窩為主，并伴有極少量的小解理刻面；當熱輸入為35.2 kJ/cm時，其拉伸斷口形貌幾乎全部由尺寸較大的韌窩組成，表現為典型的韌窩斷裂形貌特征。韌窩中可以看到尺寸較大的球形夾雜，為韌窩萌發的核心，與前兩者相比韌窩尺寸和均勻性提高明顯，有利于塑性的改善。當熱輸入為28.7 kJ/cm時塑性較差，很大程度上與組織中存在較多的板條貝氏體有關，板條貝氏體形成溫度較低，鐵素體條中含有大量的高密度位錯，限制了位錯滑移，惡化了位錯滑移條件，此外板條束中的鐵素體板條很細而且呈小角度界面、平行排列，同時數量較多的M/A氏體組織分布于鐵素體板條內[9]，惡化了位錯滑移條件。與之相比，粒狀貝氏體則由細小的鐵素體及無序彌散分布之上的M/A氏體小島組成，板條內部位錯密度降低，有利于位錯的滑移，且鐵素體亞結構近似等軸狀，彌散分布的M/A氏體小島數量較少，從而提高了塑性[9-10]。而當熱輸入為35.2 kJ/cm時主要是由鐵素體和粒狀貝氏體組成的復相組織，由于有具有較高塑性的鐵素體的引入，在裂紋萌發過程中，強度較低的鐵素體在裂紋尖端附近應力場的作用下產生較大的塑性變形，減少了應力集中，此外相關文獻表明[11]，除鐵素體本身的塑性好，增加了材料延性外，鐵素體還增加了貝氏體塑性變形的延展范圍，當鐵素體體積分數小于0.5時，貝氏體/鐵素體共同塑性變形率隨鐵素體的比例呈線性上升。

圖4 不同熱輸入下焊縫金屬的拉伸斷口形貌Fig.4Fractograph of tensile specimens of the weld metal under different heat inputs

2.3 熱輸入對焊縫熔敷金屬強度的影響

不同熱輸入下焊縫金屬的強度如圖5所示。由圖5可知，隨著熱輸入的提高，焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度均呈不斷下降的趨勢。當熱輸入為28.7 kJ/cm時強度最高，抗拉強度和屈服強度分別為784MPa和702MPa；在熱輸入為35.2kJ/cm時，焊縫金屬的抗拉強度和屈服強度分別降至761 MPa和684 MPa。鋼強度的提高是固溶強化、彌散強化、細晶強化和位錯強化等多種強化機制共同作用的結果，在焊接過程中Mo、Ni、Cr等合金元素隨著熱輸入的增加燒損程度不斷加劇，固溶到焊縫金屬中的合金元素的質量分數愈來愈少，固溶強化效果降低。文獻[12-13]表明，隨著Mo含量的減少，焊縫金屬中具有彌散強化作用的M/A氏體小島含量降低，此外固溶在不含碳晶胞中的Cr、Mo具有很大的活動能力，在晶體內自由遷移，并與晶體內存在的高密度位錯充分結合，形成彌散分布、細小的富Mo區域。形核率為[14]

圖5 不同熱輸入下焊縫金屬的強度Fig.5Strength of theweld metal underdifferent heatinputs

式中J為形核率；σ為比表面能；d0為尺寸特征參數；c為環境相基本單位；wc為臨界形核功；kB為波爾茲曼常數；T為絕對溫度。

由式（1）可知，當熱輸入較小時，冷卻速度較快，存在較大的形核率，此條件下形成的貝氏體板條尺寸細小，呈“交織狀”的板條分布，有較大抗塑性變形的能力，同時板條貝氏體為較低溫產物，其鐵素體板條中存在大量的晶格畸變和高密度位錯，加之較低溫形成的彌散分布的M/A小島更為細小，綜合作用更有益于提高強度。隨著熱輸入的增加，形成的粒狀貝氏體中鐵素體基體較板條貝氏體鐵素體粗大，且晶格畸變和位錯密度降低，同時彌散分布于鐵素體基體上的M/A小島變粗、變少，導致其強度低于板條貝氏體。相關研究表明[11]，抗拉強度與軟相和硬相的強度極限和體積分數有關且滿足

式中f為軟相的體積分數；RmA和RmB分別為軟相和硬相的強度極限。

由前文可知，除基體相粒狀貝氏體外，在熱輸入為28.7 kJ/cm和35.2 kJ/cm時主要的第二相分別為板條貝氏體和塊狀鐵素體，塊狀鐵素體強度顯然低于板條貝氏體。而幾乎完全由粒狀貝氏體組成的單相組織強度低于粒狀貝氏體和板條貝氏體組成的復相組織。

2.4 熱輸入對焊縫熔敷金屬沖擊韌性的影響

不同熱輸入對焊縫金屬沖擊功的影響如圖6所示。當熱輸入為28.7 kJ/cm時，焊縫金屬-40℃沖擊功僅為85 J，隨著熱輸入的增加，焊縫金屬的沖擊功呈先增后減的趨勢；在熱輸入為32.3 kJ/cm時達到峰值106 J，隨后減少；當熱輸入為35.2 kJ/cm時為94 J。

圖6 不同熱輸入下焊縫金屬的沖擊功Fig.6Impact absorption energy of the weld metal under different heat inputs

不同熱輸入時焊縫金屬沖擊斷口掃描形貌如圖7所示，可見三者斷口均呈準解理斷裂與韌窩斷裂共存的情況，在準解理斷裂面上分布著一定量的韌窩及由韌窩組成的延性撕裂棱，解理斷面具有單元解理小刻面和微裂紋，并呈無規則趨向。比較三者可知，當熱輸入為28.7 kJ/cm時，斷裂模式以準解理斷裂為主；當熱輸入為32.3 kJ/cm時，斷裂模式以韌窩斷裂為主；而在熱輸入為35.2 kJ/cm時，韌窩斷裂和準解理斷裂各參半。

圖7 不同熱輸入下焊縫金屬的沖擊斷口形貌Fig.7Impact fractograph of the weld metal under different heat inputs

鋼的韌性大小顯然與組織組成有密切關系，特別是由異相組成的組織對鋼的韌性有較大影響。異種相之間由于有硬相和軟相的區別，兩相之間變形不協調，應力容易在相界面集中，從而形成斷裂時的微孔、微裂紋萌生源和裂紋低能量擴散通道，裂紋容易沿兩相界面傳播，抗裂紋擴展能力較差[15]。因此當熱輸入為32.3 kJ/cm時，由較為一致的相組成的組織其沖擊韌性最高，而造成其余兩者沖擊韌性差異的原因與第二相有關，板條貝氏體形成溫度較低，板條束中的鐵素體板條很細且呈小角度界面，裂紋經過小角度晶界時不宜發生偏轉，裂紋擴展路徑較平直，從而使得裂紋較為容易穿過，加之板條貝氏體鋼板中的M/A島顆粒排列趨于直線，容易成為裂紋擴展的路徑而導致鋼的韌性降低[9]。鐵素體具有較高的塑性，由于鐵素體的引入，在裂紋萌發過程中強度較低的鐵素體在裂紋尖端附近應力場的作用下產生較大的塑性變形，減少了應力集中，進一步提高了沖擊韌性。

3 結論

（1）三種不同熱輸入下的焊縫金屬組織均以粒狀貝氏體為主，并含有少量的板條貝氏體、鐵素體和殘余奧氏體，隨著熱輸入的增加，板條貝氏體減少，粒狀貝氏體和鐵素體含量增加。

（2）隨著熱輸入的增加，焊縫金屬強度逐漸下降，當熱輸入為35.2 kJ/cm時，抗拉強度和屈服強度分別低至761MPa和684MPa，比熱輸入為28.7kJ/cm時分別下降了23 MPa和18 MPa。

（3）隨著熱輸入的增加，焊縫金屬沖擊韌性呈先升后降的趨勢，當熱輸入為32.3 kJ/cm時沖擊韌性達到峰值為106 J，焊縫金屬的塑性隨熱輸入的增加而逐漸上升。當熱輸入為28.7 kJ/cm其延伸率處于最低為17％，較熱輸入為35.2 kJ/cm時少5.5％。

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Effects of different heat input on microstructure and properties of welding seam in 800 MPa Grade high strength steel for hydropower

ZHU Tenghui1，ZHANG Minmin2，LI Da1，LUO Tao1，REN Xile1
（1.Sichuan Xiye New Material Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China；2.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Submerged arc welding of 800 MPa high strength low-alloy steel(HSLA)for hydropower was conducted with different welding heat inputs.The effects of welding heat input on the microstructure，strength，plastic and impact toughness of the welding metal were systematically investigated.The results reveal that the microstructures of welding metal with different welding heat input are mainly composed of granular bainite，as well as a small amount of lath bainite，ferrite and retained austenite.The amount of the granular bainite and ferrite increases while the one of lath bainite decreases with the increase of heat input.Besides，the yield and tensile strength of the weld metal is reduced slightly by increasing the heat input.The tensile and yield strength of the weld metal can reach 784 MPa and 702 MPa respectively when the heat input is 28.7 kJ/cm.However，the yield and tensile strength are reduced by 23 MPa and 18 MPa respectively when the heat input is 35.2 kJ/cm.Meanwhile，the elongation of the welding metal can reach a maximum of 22.5％，which increased by 5.5％compared with the ones under the heat input of 28.7 kJ/cm.The impact toughness of the welding metal increases firstly and then decreases with the increase of heat input.The value of the impact toughness for different welding metal was 85 J、106 J and 94 J respectively.

800 MPa HSLA steel for hydropower；heat input；welding metal；microstructure；mechanical property

TG44

A

1001－2303（2017）01－0068-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.13

獻

朱騰輝，張敏敏，李達，等.熱輸入對800 MPa級水電用鋼焊縫組織性能的影響[J].電焊機，2017，47（1）：68-73.

2015-12-30；

2016-04-29

朱騰輝（1972—），男，四川自貢人，碩士，主要從事特種焊接材料及焊接工藝的研究工作。