焊接过程针状铁素体形核生长规律的测试及应用方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种焊接过程针状铁素体形核生长规律的测试及应用方法。

背景技术

新一代船板钢如海洋平台用钢、舰船甲板用钢的大型化和高强度、高可焊性等发展趋势要求钢板在厚度增加的同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的焊接性能等。传统低合金高强钢的焊接后焊缝性能(强度、韧性)较差，焊接效率差，成本高。焊缝易产生焊接冷裂纹，给厚板、特厚板、大型结构钢焊接及其后续应用带来困难。目前，海洋平台用钢、舰船甲板用钢等中厚、特厚板常采用大线能量焊接技术以提高效率和降低成本。因此，在追求高强度的同时，在大线能量输入情况下改善钢板的焊接性能越来越迫切。

钢大线能量焊接的主要难点在于焊接后钢焊缝热影响区(HAZ)的强度和韧性随着输入线能量的增大而降低。因此，HAZ的韧性成为制约钢大线能量焊接技术推广应用的关键因素。目前提高HAZ的韧性的方法主要有：(1)降低C含量和C当量、利用微合金元素和氧化物冶金方法获得超低碳钢。(2)通过改进生产工艺，获得韧性好的原始组织如针状铁素体以及贝氏体。(3)晶粒细化，使焊接过程焊缝区域组织不会过度粗化而导致焊缝强度急剧下降。

传统焊接方法焊接后热影响区内组织为块状铁素体和珠光体，且多次重复焊接实验还会出现焊接性能波动较大的问题，焊接性能较差，焊接过程材料组织性能演变规律不清晰，实际焊接过程中组织性能的转变具有随机性，无法准确把控焊缝区域组织变形过程。因此，如何利用焊接过程中先形成的针状铁素体板条分割奥氏体晶粒，实现焊接热影响区晶粒细化，从而获得焊接过程铁素体形核生长规律及其在实际焊接中的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接过程针状铁素体形核生长规律的测试及应用方法，采用高温共聚焦激光显微镜模拟焊接过程，实时原位观察焊接热影响区针状铁素体的转变行为，精确地揭示针状铁素体形核和长大的动态过程，通过原位观察及图形分析获得针状铁素体变形温度与时间的关系，获得最佳的焊接工艺，并应用于实际焊接，获得优异的钢材实际焊接性能。

本发明的焊接过程针状铁素体形核生长规律的测试方法按以下步骤进行：

1、将EH420船板钢加工成圆柱状的试样，抛光后置于氧化铝坩埚内；

2、将氧化铝坩埚置于高温炉中，以5±0.1℃/s的升温速度加热至1350±10℃，然后保温30s，完成完全奥氏体化过程，获得完全奥氏体化的试样；

3、将完全奥氏体化的试样进行第一次降温，降温至800±10℃，然后进行第二次降温，降温至500±10℃；

4、在第一次降温过程中，通过高温激光共聚焦显微镜对试样进行观察，每秒拍摄5次照片进行高温原位观察，记录奥氏体向针状铁素体转变的过程，获得记录结果；

5、根据记录结果中针状铁素体板条的生长数据，制成针状铁素体的长度-时间温度关系曲线图；根据该曲线图确定EH420船板钢形成不同尺寸的针状铁素体的形核时间和温度条件。

上述的试样直径3～5mm，高度2～7mm。

上述方法中，当第二次降温结束后，将试样以5±0.1℃/s的冷却速度降温至室温，完成对焊接热循环的模拟。

上述方法中，根据记录结果中铁素体板条长度中最长的记录数据，计算在模拟工况条件下的第一次降温时间以及第二次降温时间所根据的公式为：

式中，△t为降温时间，单位s；T

根据公式(1)，当T

上述的焊接热输入量为模拟工况的焊接热输入量。

本发明的焊接过程针状铁素体形核生长规律的应用方法为：

在已知待焊接钢板的厚度的条件下，在已知热输入线能量条件下对待焊接钢板进行焊接时，通过公式(1)对转变温度及时间进行估算，并根据转变温度及时间制定高温激光共聚焦原位观察实验程序，开展针状铁素体原位观察实验，获得针状铁素体的形核及长大规律，绘制针状铁素体板条长度-时间温度关系曲线图；根据针状铁素体板条长度-时间温度关系曲线图，调整焊机的焊接电压、焊接电流和焊接速度，确定焊接热输入量，从而获得最焊接的工艺参数，完成焊接获得焊接后钢板。

上述方法中，焊接热输入量的计算式为

式中，Q为焊接热输入量，单位kJ/cm；I为焊接电流，单位A；U为焊接电压，单位V；V为焊接速度，单位mm/s。

本发明采用高温共聚焦激光显微镜研究EH420船板钢，通过原位实验+模拟公式推导计算的综合试验方案，可更精确地揭示针状铁素体形核和长大的规律及其与焊接线能量之间的关系，并得到针状铁素体板条的长度与对应的长大时间关系；为实际焊接过程精确控制相变组织提供理论支撑。通过上述实验方法可获得最佳的焊接升温工艺及时间，并将获得的参数应用到实际焊接中，获得优异的钢焊接性能；可解决焊接厚板过程中焊缝性能不稳定、焊接随机性等问题，对提高海洋工程用钢焊接性能具有重要意义。

附图说明

图1为EH420船板钢母材组织及本发明实施例中的焊接后钢板组织显微图；图中，左图为EH420船板钢母材，右图为焊接后钢板，P为珠光体，PF为多边形铁素体，GBF为晶界铁素体，IAF为晶内针状铁素体；

图2本发明实施例1中的模拟焊接热循环流程示意图；

图3为本发明实施例1中不同温度时的试样的光学组织显微图；

图4为为本发明实施例1中针状铁素体板条的长度-长大时间关系曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中的EH420船板钢的成分按质量百分比含C 0.04～0.06％，Si 0.12～0.14％，Mn 1.50～1.70％，Nb 0.01～0.03％，V 0.03～0.05％，Ti 0.010～0.02％，Cu0.2～0.4％，Ni 0.2～0.4％。

本发明实施例中采用的焊接设备：YS-EGW-D型气电立焊与电渣焊机。

实施例1

将EH420船板钢加工成圆柱状的试样，抛光后置于氧化铝坩埚内；试样直径3mm，高度5mm；

将氧化铝坩埚置于高温炉中，以5±0.1℃/s的升温速度加热至1350±10℃，然后保温30s，完成完全奥氏体化过程，获得完全奥氏体化的试样；

将完全奥氏体化的试样进行第一次降温，降温至800±10℃，然后进行第二次降温，降温至500±10℃；

在第一次降温过程中，通过高温激光共聚焦显微镜对试样进行观察，每秒拍摄5次照片进行高温原位观察，记录奥氏体向针状铁素体转变的过程，获得记录结果；

当第二次降温结束后，将试样以5±0.1℃/s的冷却速度降温至室温，完成对焊接热循环的模拟；

根据记录结果中针状铁素体板条的生长数据，制成针状铁素体的长度-时间温度关系曲线图；根据该曲线图确定EH420船板钢形成不同尺寸的针状铁素体的形核时间和温度条件；

根据记录结果中铁素体板条长度中最长的记录数据，计算在模拟工况条件下的降温时间所根据的公式为：

当T

根据以上数据，确定第一次降温的降温速度2±0.1℃/s，第二次降温的降温速度0.7±0.1℃/s；

焊接过程针状铁素体形核生长规律的应用方法为：

在已知待焊接钢板(EH420船板钢)的厚度的条件下，在已知热输入线能量条件下对待焊接钢板进行焊接时，通过公式(1)对转变温度及时间进行估算，并根据转变温度及时间制定高温激光共聚焦原位观察实验程序，开展针状铁素体原位观察实验，获得针状铁素体的形核及长大规律，绘制针状铁素体板条长度-时间温度关系曲线图；根据针状铁素体板条长度-时间温度关系曲线图，调整焊机的焊接电压、焊接电流和焊接速度，确定焊接热输入量，从而获得最焊接的工艺参数，完成焊接获得焊接后钢板；

采用的待焊接钢板厚度30mm，调整焊机的焊接电压40V，焊接电流400A，根据公式(2)计算得到热输入线能量192kJ/cm；

将相同待焊接钢板按传统方式进行焊接后获得的焊接板进行夏比V型缺口-40℃冲击试验，结果为：正面WM为8J、7J和16J，FL为7J、44J和24J，FL+2为10J、8J和70J，FL+5为270J、256J和82J，FL+7为280J、16J和10J；背面WM为76J、52J和54J，FL为94J、33J和125J，FL+2为180J、178J和152J；

按本实施例的方法焊接后获得的焊接板进行夏比V型缺口-40℃冲击试验，结果为：正面WM为53J、102J和60J，FL为44J、44J和46J，FL+2为230J、254J和212J，FL+5为282J、290J和236J，FL+7为294J、246J和290J；背面WM为110J、68J和70J，FL为138J、159J和136J，FL+2为290J、244J和270J；EH420船板钢母材组织及本发明实施例中的焊接后钢板组织显微图如图1所示，温度控制流程如图2所示；不同温度时的试样的光学组织如图3所示；针状铁素体板条的长度与对应的长大时间曲线如图4所示；

实施例结果表明：(1)按本实施例的方法的焊接性能，对焊缝金属(MW)，熔合线(FL)，熔合线外2mm(FL+2)，熔合线外5mm(FL+5)等不同位置进行零下40°冲击实验，其焊接性能稳定，冲击性能优异，优于传统焊接的随机焊接结果；

由图3可见在直径80～100μm的奥氏体晶粒内部针状铁素体形核和长大的典型光学组织；图3(a)-(c)中，试样表面的夹杂物1和2在随后的冷却过程中会放射出针状铁素体板条，并且如图中虚线所示的方向长大，碰到晶界或其他组织即停止；在冷却过程中，在原奥氏体晶界会优先形成一层晶界铁素体(GBF)，同时，后形成的贝氏体板条被限制在这些细小的区域；由于针状铁素体优先在长度方向上生长，当长度方向生长被限制后，针状铁素体在随后的冷却过程中倾向于在厚度方向上增厚，并形成部分侧板条铁素体，如图3(d)-(f)所示；

图4显示针状铁素体长度-长大时间关系曲线图；对针状铁索体在不同时间对应的长度进行测量，发现针状铁素体长大过程中分形核生长速率和稳定生长速率，孕育形核时的生长速率较小，大约为4.5μm/s，持续时间为4s；随后进入稳定生长阶段，生长速率加快，大约为5.7μm/s。