mm厚SS钢板焊接工艺四接头残余应力测定与组织分析

1、12mm厚SS400钢板焊接工艺四接头残余应力测定与组织分析1 文献综述1.1SS400概述SS400钢是日本工业标准普通结构用轧制钢材标准JISG31012004中最常用的一个钢种，在东南亚国家和地区有广阔的市场，SS400钢的性能要求比碳素结构钢)GBm001988标准中Q235A要求稍高，与船体用结构钢cB7122000标准中一般强度船板相当，但又不完全等同。SS400是日本钢材材质的一种标示方式，相当于国内的Q235号钢。 国外标准的结构钢常按抗拉强度来分类，如SS400(日本是这样标示的)，其中400即表示b的最小值为400MPa超高强度钢是指b1373 Mpa的钢。1.2SS400

2、钢的特点1、SS400钢适用桥梁、船舶、车辆及其他结构使用的一般结构用热轧钢材，比碳素结构钢(Q235A)和船板适用范围要广。2、对C、Mn化学成分不作规定；P、S要求0050，与Q235A相当。3、屈服强度：钢材16mm厚 Re245MPa，>1640mm厚235MPa，>40mm厚 Re215MPa。比相应规格范围Q23SA屈服强度提高10MPa。4、抗拉强度：Rm 400510MPa比Q235A Rm 375500MPa下限提高25MPa。5、伸长率：>516mm厚1A号板样A17，>16一50mm厚lA板样A21，>40mm加厚采用4号圆样A23。6、力学

3、试验试样：1A号板样宽度40mm，200标距；采用4号圆样D=14mm50标距。与国内通常采用的比例试样要求不同。7、检验批量50呲。8、钢板厚度允许偏差，采用对称偏差，比GB17091988厚度尺寸允许偏差稍严。9、长度、宽度允许偏差比GBT7091988长度和宽度允许偏差稍严。10、钢板不平度比GBTT091988标准规定严。1.3SS400钢的组织1、2.75-5.75mm厚ss400钢板的平均晶粒尺寸介于10.0-13.0m之间，随钢板厚度减小晶粒尺寸基本呈减小趋势，即随着压下量增大，钢板晶粒尺寸减小。2、SS400钢板的屈服强度为340-350Mpa,抗拉强度为465-480 Mpa

4、，伸长率为%28-32%，可见该钢板强度较高且塑性较好，即综合力学性能优良。3、5.75mm厚SS400钢板在-60时的冲击功为26.6J，此时钢板仍具有较好的韧性。1.4SS400钢的性能下面对工业轧制SS400带钢的强度、延伸率、和AK值进行了测定，用OM、SEM、TEM等实验方法研究了不同工艺条件下对带钢显微组织的影响，试验结果表明，当终轧温度在780-810范围内，卷曲温度为450左右，控制精轧各道次的变形量，可使SS400热轧带钢的屈服强度高于400Mpa，抗拉强度超过520 Mpa，延伸率达到%30，显微组织观察结果表明终轧温度较低时，在变形过程中产生了应变诱导铁素体。应变诱导相变

5、、铁素体动态再结晶以及轧后加速冷却可使SS400钢的组织均匀细小。卷曲温度降低，贝氏体含量显著增加，并出现了马氏体。冲击试验结果表明，卷曲温度降低时带钢的韧性较差，SS400钢的强化机制包括4部分：细晶强化、固溶强化、亚结构强化、相变强化。1.5SS400钢的生产过程1.5.1钢坯加热加热温度要求：加热速度810min /cm,最高加热温度1300，加热炉各段温度控制。注：对于轧薄规格如9、10、12温度按靠近上限温度控制，12规格以上按中限控制，如厚薄规格坯料同炉加热时也按上限控制。要求见表1。表 1钢种控制温度均热段第二加热段第一加热段预热段SS4001180128012001280115

6、012501.5.2轧制及冷却工艺要求1开轧温度：10001140；2高压水除磷压力：18Mpa；3SS400钢板的轧制采用常规轧制，终轧温度900，终冷温度760。1.5.3矫直开矫温度600750，钢板应矫正平直，一般矫直1道，矫直效果不好时采用取3道矫直，矫直必须保持表面光洁，不得出现麻坑和压痕等缺陷。1.5.4热剪切分切热剪根据成品板的定尺长度对分切的母板长度进行监控，合理的进行分段使确保定尺板的命中率。1.5.5精整1使用剪切线进行剪切钢板时，剪切温度200；2钢板剪切不得有掉肉、压痕、切斜、毛刺、台痕、分层等缺陷，应切成直角，保证公称尺寸的最小矩形。1.6公差要求1.6.1厚度允许

7、偏差应符合表2规定。 表2 单位：mm厚度宽度<16001600<25002500<40006.30<10.0±0.55±0.65±0.8010.0<16.0±0.55±0.65±0.8016.0<25.0±0.65±0.75±0.9525.0<40.0±0.70±0.80±1.040.0<63.0±0.80±0.95±1.11.6.2宽度允许偏差应符合表3规定。表3 单位：mm宽 度厚 度允许偏差

8、1250<16006.00-0 +1516006.00-0 +1.2%1.6.3长度允许偏差应符合表4规定。 表4 单位：mm长 度厚 度允许偏差<63006.00-0 +2563006.00 -0 +0.5%1.6.4钢板不平度允许的最大值应符合表5规定。 表6 单位：mm厚 度不同宽度不平度允许的最大值<20002000300030006.00<10.013212210.0<25.012161725.0<40.09131440.081111注：上表适用于2000mm的任意长度：钢板长度<2000mm时，对全长适用。此外，对波浪间距超过2000mm的

9、钢板，在其波浪的间距长度内适用。但波浪间距超过4000mm的钢板，则对4000mm的任意长度适用。1.7焊接1.7.1焊接方法焊前预热和后热是为了降低焊缝的冷却速度，防止接头生成淬硬组织，产生冷裂纹，焊前预热温度一般在100200度，后热不属于热处理。也是一种缓冷措施。后热温度在200-300度，有的单纯是为了缓冷，有的是针对消氧处理的。一定后热温度，能使焊缝中氧扩散出来不至于聚集导致裂纹，后热保温时间一定要根据工件厚度来确定，一般不会低于0.5小时的。焊后热处理主要分为四种：1、低于下转变温度进行的焊后热处理，如消除应力退火，温度一般在600-700之间，主要目的是消除焊接残余应力。2、高于

10、上转变温度进行的焊后热处理，如正火，温度在950-1150度之间，细化晶粒改善材料的力学性能，尤其是抗晶间腐蚀能力。再如淬火，不同的淬火工艺能得到不同的效果，提高钢的耐磨性、硬度等。3、先高于上转变温度进行处理再进行低于下转变温度下的热处理，比如正火和回火，淬火加回火等。4、在上下转变温度之间进行的焊后热处理，700-900度之间，材料的实效强化重结晶退火等。1.7.2 SS400钢板的焊接参数为保证焊接质量，焊接时采用80Ar20CO2混合气体保护焊接，焊高在1020 mm 以上，采用多层多道焊接，一般按34 层进行，用80 kg 级12 焊丝焊接。具体参数见表7表7 SS400的焊接参数S

11、S400 12mm#DIV/0!#VALUE!#DIV/0!道次电流电压焊接时间#VALUE!#VALUE!#VALUE!1140160222810.8610.860514480039602.20214016022289610.860.1131259349941.7.3 SS400焊接接头性能在焊缝处由于重熔形成铸态组织的结果，硬度值明显高于基体；在过热区由于魏氏组织铁素体的析出，与此相邻的过冷奥氏体中含碳量高于钢的平均含碳量。空冷结果转变为珠光体的数量也相对较多；在完全正火区受热温度低于过热区，但也达到完全奥氏体化的温度，发生相变重结晶，组织明显细化，此后在不完全正

12、火区（发生部分相变重结晶），以及没有发生相变的区域，由于温度的“软化”作用（相当于回火作用）硬度值下降，直至热影响区之外才有所回升。从力学性能测试结果可以看出，在焊接接头处由于晶粒粗大的结果，材料的抗拉强度下降，屈服强度略有增加而塑性下降，从断口形貌看出，尽管焊后接头处塑性下降较为明显，但断口的韧窝状形貌还没有发生改变。只是由于晶粒粗大的结果，韧窝被撕裂的程度不如母材那样突出，虽然表现出一定的脆性，但其韧性还是较好。2实验内容2.1实验目的研究SS400钢板焊接工艺四接头残余应力测定与组织分析2.2实验材料及仪器设备2.2.1 金相切割机QG-2金相试样切割机（以下简称为切割机）是利用高速旋转

13、的薄片砂轮来截取金相试样，它广泛地适用于金相实验室切割各种金属材料。由于本机附有冷却装置，用来带走切割时所产生的热量，因而避免了试样遇热而改变其金相组织。技术指标如表8：表8 QG-2金相试样切割机参数表 电源主轴转速(rmin)砂轮片规格(mm)最大切割直径(mm)切割功率(kw)重量(kg)外形尺寸(mm)380V、50HZ2800250×2×32301.160470×390×3602.2.2 砂轮机其主要是由基座、砂轮、电动机或其他动力源、托架、防护罩和给水器等所组成，砂轮是设置于基座的顶面，基座内部具有供容置动力源的空间，动力源传动一减速器，减速

14、器具有一穿出基座顶面的传动轴供固接砂轮，基座对应砂轮的底部位置具有一凹陷的集水区，集水区向外延伸一流道，给水器是设于砂轮一侧上方，给水器内具有一盛装水液的空间，且给水器对应砂轮的一侧具有一出水口。具有整体传动机构十分精简完善，使研磨的过程更加方便顺畅及提高整体砂轮机的研磨效能的功效。2.2.3 抛光机抛光机是一种电动工具，抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。 电动机固定在底座上，固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机通过底座上的开关接通电源起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。抛光过程中加入的抛光液可通过固定在底座

15、上的塑料盘中的排水管流入置于抛光机旁的方盘内。 抛光罩及盖可防止灰土及其他杂物在机器不使用时落在抛光织物上而影响使用效果。 2.2.4 金相照相设备金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。表9 金相照相设备指标如名称放大倍数数码相机像素2EISS金相显微镜（蔡司显微镜）100X-1000X400万2.2.5其他材料试样、金相砂纸（120、200、400、600、800）、酒精、%4硝酸酒精2.3制样将两块焊接好的12mm SS400钢板以焊

16、缝为中心取样再通过小砂轮切割掉四周多余不规则部分，最后平分焊缝。2.4磨样抛光将冷却后的试样用打磨机进行打磨，将尖角部分打磨掉，并且打磨出比较平整的平面。然后磨样，磨制时先用120号砂纸进行粗略的打磨，将试样面磨平磨光；再依次换240号、400号、600号、800号磨样。在一张砂纸上打磨时，保持始终在一个方向上，一个平面上进行打磨。当一张砂纸打磨的只有一个方向上的划痕时即可换令一张较细的砂纸打磨，此时方向必须转90°，当将前面的划痕全部盖住时，即可换令一张较细砂纸打磨。在600号砂纸上磨制完后，试样表面已基本没有划痕及凹坑等，换800号打磨时，一定要单道次单道次的磨，不能用大力，直至

17、磨成镜面一般亮。试样表面磨好后，就可以抛光了。在抛光机上浇入抛光液，将磨好的样在抛光机上进行抛光。注意抛光时抛光方向与抛光机启动方向相反，抛光时轧件打磨面要轻微碰触抛光机，这样才可达到抛光的目的。抛光过程只需要56秒，抛完后，表面如镜面一般明亮。然后就是对表面进行腐蚀，腐蚀前用水冲洗干净，再滴4%的硝酸酒精进行腐蚀。2.5腐蚀与拍照将抛光好的样品进行腐蚀，腐蚀液为4%的硝酸酒精，腐蚀时间不宜太长或太短，太长时拍出的照片会太暗，会造成腐蚀过度，腐蚀时间太短时，拍出的金像照片只会出项局部金相组织或者金相组织不清晰。所以，要控制好腐蚀时间。当表面发雾时，用酒精冲干净，吹风机吹干。再接下来就是在光学显

18、微镜下观察组织，并且拍照，获得三组金相组织图。3实验结果及分析3.1 焊接接头组成部分SS400钢焊接接头所组成三部分金相显微组织100、200、500倍，如图1、图2图3所示。焊接接头由三个部分组成，即焊缝、熔合区和热影响区（见图1、图2、图3）。焊接时，在高温热源的作用下，母材要发生局部熔化，并与熔化了的填充金属混合而形成熔池。随着热源的离开，熔池温度下降，熔化金属开始结晶凝固，形成焊缝。图1中，是SS400钢焊接接头放大100倍金相显微组织。图2中，是SS400钢焊接接头放大200倍金相显微组织。图3中，是SS400钢焊接接头放大500倍金相显微组织。图1 SS400钢焊接接头放大100

19、倍金相显微组织。图2 SS400钢焊接接头放大200倍金相显微组织图3 SS400钢焊接接头放大500倍金相显微组织。3.2接头组织3.2.1热影响区热影响区是被焊缝区的高温加热造成组织和性能改变的区域。低碳钢的热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。过热区是最高加热温度1100以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织，叫过热区。过热区的塑性和韧性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。正火区是最高加热温度从Ac3至1100的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，叫正火区。正火区的机械性能较好。部分相变区最高加热温度从Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变， 叫部分相变区。此区晶粒不均

20、匀，性能也较差。热影响区的组织主要由母材的化学成分和焊接过程中的热循环决定的。对于指定的低合金高强钢，热影响区的组织主要由焊接热输入决定的。在焊接热输入的作用下，靠近焊缝的母材被加热到一定的程度，组织发生明显的变化。在焊接热循环的加热阶段，母材基体组织会奥氏体化，高的峰值温度将导致奥氏体晶粒的粗化，母材中的析出物会发生粗化或重溶。而在冷却过程中，奥氏体组织将转变为马氏体、铁素体或者贝氏体组织等，粗化的或者重新生成的析出物将分散其中，最终形成的高强钢热影响区组织是一个连续变化并具有陡峭组织梯度的区域，组织的不均匀性必然导致力学性能的不均匀。图4 SS400钢焊接接头热影响区金相显微组织100倍图

21、5 SS400钢焊接接头热影响区金相显微组织200倍图6 SS400钢焊接接头热影响区金相显微组织500倍3.2.2焊缝接头金属及填充金属熔化后，又以较快的速度冷却凝固后形成。焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是由于焊接熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，还通过渗合金调整焊缝化学成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊缝金属的性能问题不大，可以满足性能要求，特别是强度容易达到。焊缝组织通常由先共析铁素体、针状铁素体、侧板条铁素体、贝氏体等组织组成。为提高焊缝的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性，希望焊缝中尽可能形成针状铁素体而减少贝氏体组织含量。由于

22、针状铁素体的组织具有高强度和高韧性因而被认为是最优秀的焊缝组织，所以为得到最优强韧性匹配的焊缝，希望在焊缝中得到以针状铁素体为主的组织。图7 SS400钢焊接接头焊缝金相显微组织100倍图8 SS400钢焊接接头焊缝金相显微组织200倍图9 SS400钢焊接接头焊缝金相显微组织500倍3.2.3 融合区熔合区是焊接接头中焊缝和热影响区（HAZ）的过渡区域，具有明显的化学和物理不均匀性。熔合区化学成分和组织结构的变化不可避免的会造成晶格中的各种微观缺陷（如空位、位错等），直接影响焊接接头性能。熔合区是焊接接头中最薄弱的部分，焊接裂纹极易在该区域产生和发展，特别是对超高强钢焊接，问题更为突出。高强钢熔合区萌生裂纹已成为制约其扩大应用的关键，揭示焊接热循环对高强钢熔合区组织结构变化和微裂纹起源、扩展内在本质的影响及控制措施，具有重要的理论意义和实用价值。图10 SS400钢焊接接头融合区金相显微组织100倍图11 SS400钢焊接接头融合区金相显微组织200倍图12 SS400钢焊接接头融合区金相显微组织200倍3.3影响焊接接头性能的因素焊接接头的机械性能决定于它的化学成分和组织。因此，影响焊缝化学成分和焊接接头组织的因素，都影响焊接接头的性能。3.3.1焊接材料