1、太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 I WELDOX960 高强钢焊接性研究 Study of Weldability of WELDOX960 HIGH-strength Steel 所属院系： 材料科学与工程 专 业： 材料加工工程 研究方向： 新材料的连接 研 究 生： 陈少平 指导教师： 孟庆森 教授 二 OO 三 年 五 月 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 I 摘 要 WELDOX960 作为新一代低合金高强钢，具有细晶粒、超洁净度、高均匀性、高强度、高韧性和良好综合性能的新材料，主要应用于矿山机械、桥梁、铁路、汽车起重机等重载领域。本文结合军用车载 桥梁的实际生产条件根
2、据“低强匹配”原则选取瑞典生产的 ED-FK 1000 高强焊丝设计了 WELDOX960 高强钢的 Ar CO2 混合气体保护焊工艺，在预热 75、焊接线能量 1.0 1.2KJ/mm、层间温度 80 85的条件下进行多层多道焊接。分别对 WELDOX960 高强钢焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验和斜 Y 型坡口试验、搭接接头试验及热影响区最高硬度等抗裂性试验研究，并利用光学显微镜和扫描电镜等分析手段对 WELDOX960高强钢的焊缝、熔合区和热影响区的微观组织及断口进行分析，研究了预热温度、焊接热 输入和后热温度等工艺因素对接头强度、弯曲性能和热影响区冲击韧性的影响，分析了微观组
3、织对接头强韧性的影响以及该钢在实际生产条件下的焊接适应性。 测试结果表明在本试验条件下该钢冷裂和热裂敏感性小，接头屈服强度为 928.8Mpa，失强率 14.2%，达到设计要求；焊接热输入及层间温度对接头性能有重要影响，焊接热输入太小，导致接头冷却速度过快，温度梯度大，淬硬性大，从而使冷裂倾向增大；但热输入太大时又容易使接头内应力叠加增大，半熔化区奥氏体晶粒粗化，降低接头的强度及抗裂性能；微观分析表明，焊缝及热影响区分布的贝氏体和 低碳马氏体是接头高强度和高韧性的基本条件，因此要合理控制焊接热输入在 1.0 1.2 KJ/mm 范围内，保证焊缝组织为粒状贝氏体和少量的低碳马氏体，从而保证接头的
4、强韧性。 关键词 高强钢，焊接接头，力学性能，焊接性，混合气体保护焊 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 II ABSTRACT As a high strength low and alloyed structural steel, WELDOX960 is characterized by fine grain, super-metallurgical purification and homogenization, high strength and toughness, and it is widely applied in the field of mine-machine, b
5、ridge, railway and mobile crane etc. High-strength MAG-wire ED-FK 1000 is selected as consumed material according to “ lower strength match” to be used in mixed gases (Ar+CO2) shielded metal arc welding(GMAW). During multiplayer welding, WELDOX960 is welded with welding parameters as follow: preheat
6、 temperature is 75， heat input is 1.0 1.2KJ/mm， Interpass temperature is 80 85 . Mechanical tests (tensile test, bending test and impact test) and crack tests (Y-groove and CTS cracking test, peak hardness of HAZ test) were carried out to study on its weldability; and microstructures of weld metal,
7、fusion zone, HAZ and fractography were investigated by means of light microscopy and SEM; the effect of processing factors and microstructures of welding joint on strength and toughness of welding joint was analyzed. Experimental results indicated that WELDOX960 has a good capacity of resisting cool
8、 cracking and hot cracking with suitable welding parameters. CET is a key factor to the performance of joint. With a small value of CET, the joint will be apt to get cracking due to fast cooling and big temperature grade while a big value of CET will damage the performance of joint sharply due to co
9、arse grain and welding interstress. Microanalysis indicated that granular bainite and low-carbon martensite were found in weld and HAZ, 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 III which contributed to high strength and toughness of joint. So CET must be limited in the range of 1.0 1.2 KJ/mm to make sure that granular b
10、ainite and low-carbon martensite be acquired in weld. KEY WORDS high strength steel, welded joint, mechanical property, weldability, GMW 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -1- 目 录 第一章 概述 . 1 1.1 新一代低合金高强钢的发展概况 .1 1.1.1 我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战 .3 1.1.2 国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况 .4 1.2 新一代低合金高强钢的主要特点 .5 1.2.1 新一代低合金高强钢的冶金特点 .
11、5 1.2.2 新一代低合金高强钢的强化途径 .6 1.3 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求 .7 1.3.1 新一代低合金高强钢的焊接性 .7 1.3.2 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求 .8 1.4 本课题的研究背景及意义 .9 1.5 本课题预期达到的目的 .10 第二章 WELDOX960 高强钢的生产工艺及性能 . 11 2.1 WELDOX960 高强钢的生产工艺 . 11 2.1.1 WELDOX960 高强钢的轧制工艺 .12 2.1.2 WELDOX960 高强钢的淬火和退火工艺 .12 2.2 WELDOX960 高强钢的机械性能 .15 2.2.1 WELDOX96
12、0 高强钢的冶金特点 .15 2.2.2 WELDOX960 高强钢的 机械性能 .17 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -2- 2.3 WELDOX960 高强钢的强化机理 .17 2.3.1 晶界强化 .17 2.3.2 应变强化 .18 2.3.3 固溶强化 .19 2.3.4 沉淀强化 .19 2.3.5 马氏体相变强化 .20 2.4 韧化机理 .20 2.4.1 金属材料的净化 .21 2.4.2 晶粒的细化 .21 2.4.3 显微组织的优化 .21 2.5 本章小节 .22 第三章 WELDOX960 高强钢焊接性研究 . 23 3.1 WELDOX960 高强钢焊接性
13、理论分析 .23 3.1.1 碳当量法 .24 3.1.2 预热温度 Tp 的计算 .25 3.1.3 热影响区最高硬度 HVmax 与 t8/5 的关系 .26 3.1.4 焊接工艺参数曲线 .27 3.1.5 焊接材料的选择 .30 3.1.6 试验设备及仪器 .31 3.2 焊接性试验的目的及内容 .31 3.3 WELDOX960 高强钢抗裂性试验结果及分析 .32 3.3.1 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验 .32 3.3.2 热影响区最高硬度试验 .36 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -3- 3.3.3 搭接接头焊接裂纹试验 .39 3.4 WELDOX960 高强钢力学性能
14、试验及结果分析 .42 3.4.1 焊接接头抗拉强度试验 .42 3.4.2 焊接接头微观组织分析 .46 3.4.3 焊接接头弯曲试验 .47 3.4.4 焊接接头冲击试验 .51 3.5 本章小结 .56 第四章 结论 . 57 参 考 文 献 . 58 致 谢 . 61 攻读硕士研究生期间发表论文 . 62 太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -1- 第一章 概述 1.1 新一代低合金高强钢的发展概况 随着机械工业生产迅猛发展，在焊接结构日益大型化、轻量化的现代工程机械及冶金矿山机械生产中，为提高机械设备的使用性能，以最大限度地满足各种工程建设的需要，钢材不仅要有良好的综合力学性能，
15、而且要有良好的加工工艺性能（比如焊接性），对于特殊条件下使用的钢种，更要求其具有相应的特殊性能，比如耐高温，耐腐蚀，耐冲击等。因此原来的碳素钢已经不能满 足需要，必将有大量的低合金高强度钢被投入使用。 低合金高强度钢是指低合金钢中包括 C、 Si、 Mn 在内的主要添加元素的含量不超过 5%，屈服强度大于 600MPa 的钢种，是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要特点是含碳量低，可焊性好（含碳量一般低于 0.45，冷裂敏感指数小于 0.3），晶粒细化，屈服强度高，普遍采用 Nb、 V、 Ti 等合金元素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺
16、和形变热处理工艺进行生产1-5。 按照低合金高强钢（简称 HSLA 钢）的屈服强度可以将其大 致分为三个等级： A 级： s =290-490MPa 热轧、控轧、正火钢 B 级： s = 490-980MPa 低碳调质钢 C 级： s = 880-1176MPa 中碳调质钢 低合金高强钢 的发展 经历了几个极为重要的时期。 20 世纪初的低合金高强钢主要用于结构和建筑方面，而且主要是根据 屈服 强度 s 进行设太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -2- 计，很少注意 钢材的 韧性、可成形性和可焊接性 ； 50 年代 开始 大力开发细晶粒化的新材料 ； 70 年代以控制轧制技术和钢的微合金化
17、冶金为基础，形成了 “现代低合金高强度钢 ”的新概念 ； 80 年代初以来 ， 借助于工艺技术方面的成就开发了 适于广泛工业领域和专门领域的品种。在钢的化学成分 工艺 组织 性能的关系中，第一次强调了钢的组织的主导地位，表明低合金高强钢的基础研究已趋于成熟。 随着低合金高强钢的不断发展，在高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等方面满足了焊接结构的要求，并在桥梁、锅炉及压力容器、汽车、舰船、石油管线等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢主要是通过调整钢中碳元素和合金元素的质量分数和配以适当的热处理来实现的，当然碳元素和合金元素的增加也会给钢的焊接性带来不利的影响。在低合金高强钢中，随着强度级别的提高，碳
18、元素及合金元素质量分数的 增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，不仅会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏，而且还会给国家财产和人民生命造成重大损失。为了不断改善低合金结构钢的焊接性，国内从 80 年代就开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢和新一代超细晶粒钢，这些新钢种的出现必然会给钢的焊接性带来了重大的变革 6。 工业的不断发展对钢材焊接接头的性能要求越来越高，比如承载强度大，塑性韧性好，抗疲劳，抗裂纹等，因此钢材的发展趋向也在逐渐变化。在充分考虑经济因素和环境因素的前提下，对钢材的 洁净度、均匀性、强度等方面提出了更高的要求。稳定的冶炼凝固
19、技术和超细晶粒组织控制等生产工艺越来越重要，要改善钢的使用性能，使钢的强度、服役能力有明显提高，且易回收利用。同时由于绝大多数产品和构件的设计都是通过焊接实现的，钢材的发展对焊接工艺、焊接材料、结构设计等方面提出了挑战，如何提高接头的强度，如何避免裂纹的产生以及如何提高接头的疲太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 -3- 劳极限等，由此将引发出一系列科研课题：如何通过化学冶金过程使钢材的纯净度极限化；如何改进技术措施使钢板的加工过程经济化和钢板综合性能的完美化等。 1.1.1 我国低合金高强钢 的发展现状及面临的挑战 在六、七十年代，我国高强度钢的生产几乎处于空白状态，但在国外，其发展和应用
20、已很广泛，而且还有不断增长的趋势。我国在这一领域起步很晚，从 70 80 年代 我国 控制轧制的基础研究 开始进行， 在低合金高强钢合金设计中，人们已不再采用以提高钢中碳 元素的 含量、牺牲塑性来得到更高强度的传统设计方案 ， 新的合金设计是向钢中添加 Cr、 Ni、 V、Ti、 Nb、 B 等少量合金元素，从而提高钢的强度、改善焊接 性 和耐磨 性 等力学性能。 到目前为止 许多低合金高强钢的生产已 开始 采用此方法，并 将成为厚钢板生产的主要方向。 对这类钢 配套使用的焊接材料的研制成为当前亟待解决的问题之一。 由于新一代钢铁材料的晶粒达到超细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响
21、区晶粒长大等问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对 400MPa 级和 800MPa 级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决。但是，随着低合金高强钢的广泛应用，尤其是低合金高强钢的焊接，给焊接工作者带来很多困难。为了提高钢材的强度，需要高的含碳量和合金含量，但是随之而来的问题是强度越高，韧性越低，焊接性也越差。国内的研究人员针对该难题 做了大量工作，并且也取得了一定的成果。目前国内投入使用的低合金高强钢的强度已经达到 600MPa6。 发展低合金高强钢是实现我国钢铁工业结构调整的重要部分，也是我国从钢铁大国转变为钢铁强国的关键措施，因此有必要研制和开发既适合
