钢焊接热影响区组织和性能研究

1、10CrNi3MoV钢焊接热影响区组织和性能研究张田宏魏金山摘要 通过热模拟试验研究了10CrNi3MoV钢在线能量为15100kJ/cm范围内时焊接热影响区（HAZ）组织和性能的变化规律。结果表明，经过一次热循环后，特别是峰值温度为1300时，冲击韧性显著降低。金相分析表明，冲击韧性的降低与组织和晶粒粗大有关，但总体低温冲击韧性能够保持在较高的水平上（A kv，-5060J）。经过二次热循环后，线能量较低时，热影响区冲击韧性得到改善；线能量较高时，热影响区冲击韧性大大降低。关键词 热影响区峰值温度焊接线能量Study on Weld HAZs Microstructures and Prop

2、erties of 10CrNi3MoV SteelZhang TianhongWei Jinshan(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039 ，China)Abstract The microstructures and properties of HAZ of 10CrNi3MoV steel are studied by using simulation heat-affected zone test with welding energy input from 15 to 100kJ/cm. Experiment

3、al results show that low temperature impact toughness is reduced seriously, especially at 1300 peak temperature, but maintains quite a high level(A kv,-5060J) after one thermal cycle. An optical microscopic investigation indicates that the reduction of impact toughness has a close relation with roug

4、h structures and grains of HAZ. The impact toughness of heat-affected zone could be improved after two thermal cycle at a low welding energy input, and which could be worse at a high welding energy input.Keywords Heat-affected zonePeak temperatureWelding energy input随着焊接技术的广泛应用，焊接接头的安全可靠性已引起了人们的重视。大

5、量的失效事故证明，焊接热影响区，特别是熔合区和粗晶区，是造成结构破坏的最危险部位1。因此，了解焊接对母材组织和性能的影响，改善热影响区的组织和性能，对提高焊接接头的质量具有重要的意义。焊接的快速加热冷却过程，使焊接热影响区狭窄且组织梯度非常大，此时，用常规的力学性能试样测得的只能是焊接热影响区的整体性能，而不是我们所要研究的某个特定区域的性能。因此，人们常采用模拟试验的方法来研究焊接热影响区的热循环对其组织和性能的影响2。焊接热模拟就是用电流直接加热或感应加热的方法在小试样上再现与实际焊接HAZ某一点完全一致的热循环，并用该试样的组织性能代替该点的组织性能1。10CrNi3MoV钢是低碳低合金

6、调质钢，广泛用于焊接结构。焊接时，焊接热循环明显地改变钢的微观组织，使钢的冲击韧性下降，脆性破坏敏感性增大。因此，研究焊接热输入量对焊接热影响区显微组织和性能的影响，对合理地选择焊接工艺参数是必要的。本文采用焊接热模拟技术研究焊接热输入量对10CrNi3MoV钢热影响区组织和性能的影响，初步探讨了显微组织和性能的关系，以期为该钢种的不预热焊接技术提供理论依据。1试验材料选用鞍钢生产的16mm厚钢板，其化学成分及力学性能见表1与表2。表1钢板的化学成分（w）%CSiMnSPNiCrMoV0.140.310.390.0050.0102.721.050.230.08 表2钢板的力学性能取样位置s/M

7、pab/Mpa5/%/%A kv,-50/JFA/%单次冲击值平均值一端6958052376266，204，290253100另一端6357602374226，258，206230100图1Tm=1300时的热循环曲线2试验方法及热循环参数的确定2.1试验方法采用725所研制的DM-100A型热模拟试验机。热模拟试样尺寸为12 mm12 mm120 mm。考虑到要用热模拟试样加工成冲击试样，取样方向均垂直于钢材轧制方向。热电偶的焊点应在试样的同一横向平面内且尽可能地相互靠近，以使加热电流引起的交流感应干扰减至最小。用热模拟试样加工成标准夏比V型冲击试样，进行-50冲击试验，V型缺口垂直于上下表

8、面。采用NEOPHOT-21型金相显微镜对经过热循环的试样进行金相组织观察。22热循环参数的确定参考12Ni2CrMoV钢的焊接CCT图中的冷却曲线3、热模拟实测曲线以及用稻桓经验公式及传热理论计算公式所得的计算结果，选用6种冷却速度的热循环。代表6种冷却速度的热循环曲线示于图1（图中所示是峰值温度为1300时的热循环曲线）。这些热循环曲线（1#6#）代表板厚2035mm，预热温度080，线能量分别为15、20、40、60、80、100kJ/cm时的热循环。3试验结果与讨论31线能量与峰值温度对冲击功的影响试样分别在1300、1200、900的峰值温度下进行一次热循环，从800冷却到500的时

9、间（t8/5）分别为6s、8s、20s、48s、91s、120s。对经历了上述模拟热循环的试样进行-50冲击试验，试验结果列于表3中。图2和图3分别为A kvEi关系曲线和A kvTm关系曲线。由图2可知,试样在经受一次热循环后,尤其是Tm为1300时,冲击韧性显著降低。显然,熔合线附近(Tm=1300)是热影响区的薄弱环节。在不同的峰值温度下, 10CrNi3MoV钢焊接热影响区在相当宽的线能量范围内仍能保持较高的冲击韧性(A kv,-5060J)。Tm为1300时，随着Ei的增加，冲击功并不降低，并在较大线能量时(Ei=60kJ/cm)呈现最大值。Tm为900时，随着Ei的增加，冲击功显著

10、降低。图3表明，在试验的线能量范围内，随着峰值温度的升高，HAZ的低温冲击韧性呈不断降低的趋势，但当Ei为60kJ/cm时，改变峰值温度，对冲击功几乎没有影响，冲击功均能保持相当高的水平。表3经历一次热循环后试样-50的冲击功1）Ei/（kJ.cm-1）t8/5/sA kv,-50/J(A kv,-50/J)Tm=1300Tm=1200Tm=900156477480(67)8892108(96)182221188(197)208719269(77)155139112(135)257253206(239)4020757388(79)165150102(139)192219202(204)6048

11、130107153(130)161110149(140)125107192(141)80914613390(90)106115185(135)1068499(96)100120567968(68)9596100(97)10612091(106)注:1)括号内的数据为3次试验的平均值。图2线能量对冲击功的影响图3峰值温度对冲击功的影响组织分析表明，峰值温度为1300时，线能量为20kJ/cm和60kJ/cm时的晶粒度评定分别为4级和2.5级；峰值温度为900时，相应的晶粒度评定均为10级，如图4所示。显然，峰值温度为1300时，组织和晶粒显著粗化，粗大的组织和晶粒是低温冲击功降低的主要原因。32

12、二次热循环对冲击功的影响为了简单模拟多道焊时焊接热影响区热循环状况，对于经历了峰值温度为1300，线能量分别为20kJ/cm和60kJ/cm的模拟热循环的试样再进行此线能量下峰值温度为900的热循环，然后进行-50冲击试验，试验结果列于表4中。表4二次热循环试验参数及冲击功Ei/（kJ.cm1）一次热循环峰值温度/二次热循环峰值温度/A kv，-50/JA kv，-50/J20130090010010810810560130090028302829从表中的数据可以看出，线能量为20kJ/cm时，经二次热循环后试样的冲击功高于同一线能量时的一次热循环试样的冲击功；而线能量为60kJ/cm时，经二

13、次热循环后试样的冲击功远低于同一线能量时的一次热循环试样的冲击功。这说明：线能量较低时，二次热循环能改善焊接接头的低温冲击韧性；线能量较高时，二次热循环将进一步降低焊接接头的低温冲击韧性。(a)Tm=1300；Ei=20kJ/cm；晶粒度为4级；组织为粒状贝氏体+板条马氏体(b)Tm=1300；Ei=60kJ/cm；晶粒度为2.5级；组织为粒状贝氏体+板条马氏体。(c)Tm=900；Ei=20kJ/cm；晶粒度为10级；组织为粒状贝氏体(d)Tm=900；Ei=60kJ/cm；晶粒度为10级；组织为粒状贝氏体图4组织和晶粒度1004结论（1） 线能量在15100kJ/cm范围内，经过一次热循环后，10CrNi3MoV钢焊接热影响区低温冲击韧性有较大幅度的降低，但因母材的冲击韧性裕量较大，故其低温冲击韧性仍能保持较高的水平。（2） 线能量较低时，二次热循环能改善10CrNi3MoV钢焊接热影响区的低温冲击韧性；线能量较高时，二次热循环将降低焊接热影响区的低温冲击韧性。（3） 峰值温度为1300时，经过一次热循环后