纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法

技术领域

本发明涉及高强钢焊接领域，尤其涉及一种先塑性变形再静态再结晶细化奥氏体晶粒 加速再纳米化的方法。

背景技术

纳米贝氏体钢是目前存在的拥有最高强度级别的新一代钢种，其极限拉伸强度可达 2.5GPa，屈服强度达1.7GPa，硬度为600～700HV，断裂韧性为30～40MPam^1/2，延伸率 达30%左右。这种钢的含碳量在0.78%左右，并且含有一定含量的硅元素以抑制碳化物的 析出，是在稍高于马氏体转变温度等温转变数天而获得，微观组织为无碳化物析出的纳米 片状贝氏体和残留的固溶大量碳元素的纳米片状奥氏体。由于碳当量很高，这种钢的焊接 性极差，焊接接头的性能与母材相比严重恶化，其常规焊焊缝和热影响区组织极易转变为 硬脆的马氏体组织，从而引发冷裂纹的产生。

目前纳米贝氏体钢的再纳米化焊接工艺能够实现这种材料的优质焊接，其基本原理 为：借鉴通过在贝氏体相变温度区间保温可以使成分均匀的奥氏体转变为纳米贝氏体的方 法，在焊接冷却过程中控制焊接冷却历程，使经过焊接高温熔化和奥氏体化的组织，在快 速冷却到贝氏体相变温度区间时对其进行保温处理，最终转变成为与母材组织一致的纳米 贝氏体组织。由于纳米贝氏体组织是目前存在的最高强度级别的组织，这种方法能够使焊 接接头的组织经焊接热过程之后依然保持纳米贝氏体组织，从而获得高性能的焊接接头。

虽然再纳米化焊接方法能够有效的解决纳米贝氏体钢的焊接问题并获得与母材等强 度的焊接接头，但这种方法存在着处理时间长，工业化应用困难的问题。

发明内容

本发明是为解决现有纳米贝氏体钢再纳米化焊接过程时间长以及工业化应用困难的 问题，而提供一种纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法。

本发明的纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法按以下步骤进行：

一、根据待焊纳米贝氏体钢的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac₁，马氏 体转变温度Ms；

二、根据焊接工艺参数，测定待焊纳米贝氏体钢对应的焊接温度场，确定该焊接温度 场准稳定温度场下峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上步骤一确定的奥氏体转 变温度Ac₁之间的距离L₀、峰值温度点O与熔池后方垂直于焊缝中心线方向上步骤一确 定的奥氏体转变温度Ac₁之间的距离L₁、峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上 Ms+50℃等温线的距离L₂和峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上Ms+300℃等温 线的距离L₃；

三、确定随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的半径为L₁；

四、调整随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头到步骤二中峰值温度点O的距离OO’， 使O’处于沿随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO’在L₀+L₁和L₂- L₁之间，调整待焊纳米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离，使待焊纳 米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离等于5mm～15mm；

五、调整加热火炬的火焰中心到步骤二中峰值温度点O的距离OO”，使O”处于沿 随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO”处于L₃和L₂之间，控制加 热火炬加热最高温度为700～1100℃；

六、使工件移动，开始焊接，焊接开始后，当工件移动到随焊冲击旋转挤压装置上的 冲击头下方时，启动随焊冲击旋转挤压装置，当工件移动到加热火炬下方时，启动加热火 炬，开始火焰加热，当工件走过随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头后，随焊冲击挤压装置 停止工作，当工件走过加热火炬之后，加热火炬停止工作，完成静态再结晶；

七、测定静态再结晶后纳米贝氏体钢的奥氏体晶粒的平均晶粒度d_DRX；

八、将步骤六后的工件进行再纳米化，在再纳米化焊接装置上进行保温，控制再纳米 化温度处于贝氏体转变温度区间，控制再纳米化保温时间为t=t₀×（d_DRX/d₀），然后空冷 至室温，完成纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化；其中d₀为纳米贝氏体钢母材 的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

本发明有益效果：

再纳米化的过程是过冷奥氏体转变为贝氏体的相变过程，奥氏体晶粒越细小，相变时 间越短，相变时间与奥氏体晶粒大小成正比。在焊接电弧的热作用下，焊缝金属经历加热 和冷却两个过程，在冷却过程中，焊缝金属在离熔池中心一定距离处仍处于较高的温度， 冲击旋转挤压装置作用处的焊缝和淬火区金属具有高的温度时该区域的金属屈服强度降 低，塑性变形能力较好。随焊冲击旋转挤压装置作用在该区域，并使焊缝和淬火区金属发 生大的塑性变形，然后就可以通过静态再结晶使该区域晶粒细化。由于经过冲击旋转挤压 后的金属温度快速下降，为了使变形的奥氏体发生再结晶，在冲击旋转挤压头后面一定的 距离处用火焰进行加热，当火焰加热的最高温度达到700～1100℃时，就能得到较细小的 奥氏体晶粒。经过这样一段静态再结晶过程后，奥氏体晶粒得到细化，减小了再纳米化的 时间。静态再结晶细化晶粒的效果与金属应变速率和变形温度有关，应变速率越大、变形 温度越低，奥氏体晶粒细化效果越好，其中冲击旋转挤压力决定应变速率，冲击旋转挤压 头作用处的工件温度决定变形温度。

采用本发明的焊接方法实现了纳米贝氏体钢的优质焊接，极大地减少了再纳米化方法 的时间，使再纳米化时间减少到原来时间的d_DRX/d₀，减少了再纳米化工艺需要炉中保温 的工序，提高了生产效率，降低了生产成本；而且经过冲击旋转挤压使高温区金属发生塑 性变形，进一步消除了气孔、缩孔等焊接缺陷，提高了焊接接头的质量。

附图说明

图1为试验一中待焊纳米贝氏体钢的焊接温度场图；其中A为Ac₁等温线，B为Ms 等温线，C为Ms+300℃等温线，D为Ms+50℃等温线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法按 以下步骤进行：

一、根据待焊纳米贝氏体钢的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac₁，马氏 体转变温度Ms；

二、根据焊接工艺参数，测定待焊纳米贝氏体钢对应的焊接温度场，确定该焊接温度 场准稳定温度场下峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上步骤一确定的奥氏体转 变温度Ac₁之间的距离L₀、峰值温度点O与熔池后方垂直于焊缝中心线方向上步骤一确 定的奥氏体转变温度Ac₁之间的距离L₁、峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上 Ms+50℃等温线的距离L₂和峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上Ms+300℃等温 线的距离L₃；

三、确定随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的半径为L₁；

四、调整随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头到步骤二中峰值温度点O的距离OO’， 使O’处于沿随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO’在L₀+L₁和L₂- L₁之间，调整待焊纳米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离，使待焊纳 米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离等于5mm～15mm；

五、调整加热火炬的火焰中心到步骤二中峰值温度点O的距离OO”，使O”处于沿 随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO”处于L₃和L₂之间，控制加 热火炬加热最高温度为700～1100℃；

六、使工件移动，开始焊接，焊接开始后，当工件移动到随焊冲击旋转挤压装置上的 冲击头下方时，启动随焊冲击旋转挤压装置，当工件移动到加热火炬下方时，启动加热火 炬，开始火焰加热，当工件走过随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头后，随焊冲击挤压装置 停止工作，当工件走过加热火炬之后，加热火炬停止工作，完成静态再结晶；

七、测定静态再结晶后纳米贝氏体钢的奥氏体晶粒的平均晶粒度d_DRX；

八、将步骤六后的工件进行再纳米化，在再纳米化焊接装置上进行保温，控制再纳米 化温度处于贝氏体转变温度区间，控制再纳米化保温时间为t=t₀×（d_DRX/d₀），然后空冷 至室温，完成纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化；其中d₀为纳米贝氏体钢母材 的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

本实施方式步骤三中所述的随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头为现有技术，其为申请 号为201210528226X、发明名称为“用于随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头”、申请人为 哈尔滨工业大学以及申请日为2012年12月10日的中国发明专利中记载的随焊冲击旋转 挤压装置的上的冲击头。

本实施方式步骤八中所述的再纳米化焊接装置为现有技术，其为申请号为 2012100960577、发明名称为“纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法”、申请人为哈 尔滨工业大学以及申请日为2012年4月5日的中国发明专利中记载的纳米贝氏体钢的再 纳米化焊接装置。

再纳米化的过程是过冷奥氏体转变为贝氏体的相变过程，奥氏体晶粒越细小，相变时 间越短，相变时间与奥氏体晶粒大小成正比。在焊接电弧的热作用下，焊缝金属经历加热 和冷却两个过程，在冷却过程中，焊缝金属在离熔池中心一定距离处仍处于较高的温度， 冲击旋转挤压装置作用处的焊缝和淬火区金属具有高的温度时该区域的金属屈服强度降 低，塑性变形能力较好。随焊冲击旋转挤压装置作用在该区域，并使焊缝和淬火区金属发 生大的塑性变形，然后就可以通过静态再结晶使该区域晶粒细化。由于经过冲击旋转挤压 后的金属温度快速下降，为了使变形的奥氏体发生再结晶，在冲击旋转挤压头后面一定的 距离处用火焰进行加热，当火焰加热的最高温度达到700～1100℃时，就能得到较细小的 奥氏体晶粒。经过这样一段静态再结晶过程后，奥氏体晶粒得到细化，减小了再纳米化的 时间。静态再结晶细化晶粒的效果与金属应变速率和变形温度有关，应变速率越大、变形 温度越低，奥氏体晶粒细化效果越好，其中冲击旋转挤压力决定应变速率，冲击旋转挤压 头作用处的工件温度决定变形温度。

采用本实施方式的焊接方法实现了纳米贝氏体钢的优质焊接，极大地减少了再纳米化 方法的时间，使再纳米化时间减少到原来时间的d_DRX/d₀，减少了再纳米化工艺需要炉中 保温的工序，提高了生产效率，降低了生产成本；而且经过冲击旋转挤压使高温区金属发 生塑性变形，进一步消除了气孔、缩孔等焊接缺陷，提高了焊接接头的质量。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中使待焊纳米贝氏 体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离等于10mm。其它步骤及参数与具体实施 方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤五中确定加热火 炬加热最高温度为900～1050℃。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中确定加 热火炬加热最高温度为950～1050℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中确定加 热火炬加热最高温度为1000℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一、本试验的纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法按以下步骤进 行：

本试验所用的纳米贝氏体钢的主要合金成分及含量（质量分数计）为：0.87%的C，1.16% 的Si，1.54%的Mn，0.49%的Ni，1.13%的Al，0.28%的Mo。

奥氏体晶粒细化加速再纳米化的方法如下：

一、根据待焊纳米贝氏体钢的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac₁，马氏 体转变温度Ms；

本试验中Ac₁温度为790℃；

本试验中Ms温度为142℃；

二、根据焊接工艺参数，测定待焊纳米贝氏体钢对应的焊接温度场，确定该焊接温度 场准稳定温度场下峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上步骤一确定的奥氏体转 变温度Ac₁之间的距离L₀、峰值温度点O与熔池后方垂直于焊缝中心线方向上步骤一确 定的奥氏体转变温度Ac₁之间的距离L₁、峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上 Ms+50℃等温线的距离L₂和峰值温度点O与熔池后方沿焊缝中心线方向上Ms+300℃等温 线的距离L₃；

本试验中L₀=12mm，L₁=9mm，L₂=60mm，L₃=35mm。

三、确定随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的半径为L₁；

本试验中随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的半径为9mm。

本试验中随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的功率为500W；

四、调整随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头到步骤二中峰值温度点O的距离OO’， 使O’处于沿随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO’在L₀+L₁和L₂- L₁之间，调整待焊纳米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离，使待焊纳 米贝氏体钢与随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头的距离等于10mm；

本实验中OO’=25mm；

五、调整加热火炬的火焰中心到步骤二中峰值温度点O的距离OO”，使O”处于沿 随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头移动方向的后方且使OO”处于L₃和L₂之间，控制加 热火炬加热最高温度为950～1050℃；

本试验中OO”=40mm；

六、使工件移动，开始焊接，焊接开始后，当工件移动到随焊冲击旋转挤压装置上的 冲击头下方时，启动随焊冲击旋转挤压装置，当工件移动到加热火炬下方时，启动加热火 炬，开始火焰加热，当工件走过随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头后，随焊冲击挤压装置 停止工作，当工件走过加热火炬之后，加热火炬停止工作，完成静态再结晶；

七、测定静态再结晶后纳米贝氏体钢的奥氏体晶粒的平均晶粒度d_DRX；

本试验在d_DRX=20um；

八、将步骤六后的工件进行再纳米化，在再纳米化焊接装置上进行保温，控制再纳米 化温度处于贝氏体转变温度区间，控制再纳米化保温时间为t=t₀×（d_DRX/d₀），然后空冷 至室温，完成纳米贝氏体钢奥氏体晶粒细化加速再纳米化；其中d₀为纳米贝氏体钢母材 的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

本试验中再纳米化温度为250℃；

本试验中d₀=50um；

本试验中t₀=8h。

本试验步骤三中所述的随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头为现有技术，其为申请号为 201210528226X、发明名称为“用于随焊冲击旋转挤压装置上的冲击头”、申请人为哈尔 滨工业大学以及申请日为2012年12月10日的中国发明专利中记载的随焊冲击旋转挤压 装置的上的冲击头。

本试验步骤七中所述的再纳米化焊接装置为现有技术，其为申请号为 2012100960577、发明名称为“纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法”、申请人为哈 尔滨工业大学以及申请日为2012年4月5日的中国发明专利中记载的纳米贝氏体钢的再 纳米化焊接装置。

采用本试验的焊接方法实现了纳米贝氏体钢的优质焊接，极大地减少了再纳米化方法 的时间，经计算本试验比原有的再纳米化方法的时间缩短了4.8h，减少了再纳米化工艺需 要炉中保温的工序，提高了生产效率，降低了生产成本；而且经过冲击旋转挤压使高温区 金属发生塑性变形，进一步消除了气孔、缩孔等焊接缺陷，提高了焊接接头的质量。