热输入对海工钢板EQ47焊接热影响区组织与冲击性能的影响

１ 试验材料及方法
１．１ 试 验 材 料 试验钢板为调质态 ＥＱ４７，其化学成分（质 量 分
数 ，％ ）为 ：Ｃ ０．０７，、Ｓｉ ０．２５、Ｍｎ １．０８、Ｐ ０．００６、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
作 者 简 介 ：潘 鑫 （１９８３— ），硕 士 ，工 程 师 ； Ｅ－ｍａｉｌ：ｐａｎｘｉｎｚｊｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ； 收 稿 日 期 ：２０１２－０８－１７
第６期
潘 鑫等：热输入对海工钢板 ＥＱ４７焊接热影响区组织与冲击性能的影响
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Ｓ ０．００２、Ａｌ ０．０３、Ｎｉ≤０．３０、Ｍｏ≤０．４０、Ｃｒ ０．３５、 Ｔｉ ０．０１５、Ｎｂ ０．０４；碳当量 Ｃｅｑ＝０．４２，冷裂敏感系数 Ｐｃｍ ＝０．１８。 钢 板 组 织 为 多 边 形 铁 素 体（ＰＦ）＋ 贝 氏 体 （Ｂ）（图１）；屈服强度大于等于 ５１７ＭＰａ，抗拉强度大 于等于６７０ＭＰａ，－６０℃夏比冲击功大于等于３２０Ｊ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｌｅｅｂｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｐａｓｓ ｇａｓ ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ （ＧＭＡＷ）ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔ ｚｏｎｅ （ＨＡＺ）ｏｆ ＥＱ４７．Ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎｅｄ ＨＡＺ （ＣＧＨＡＺ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｗｉｔｈ ｔ８／５≤６ｓ（１７ｋＪ／ｃｍ）ｔｈｅ ＣＧＨＡＺ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｌａｔｈ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ （ＬＭ）ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｈｏｗｓ ａｎ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ＞２００Ｊａｔ －４０℃；ｗｉｔｈ ｔ８／５ １３ｓ（２５ｋＪ／ｃｍ），ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ（ＵＢ）ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ １００Ｊａｔ －４０℃；ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔ８／５ｔｏ ２０ｓ（３０ｋＪ／ ｃｍ），ｃｏａｒｓｅｎｉｎｇ ｏｆ ＵＢ ｏｃｃｕｒｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｔｏ ＜３０Ｊａｔ－４０℃ ．Ｉｎｔｅｒ－ｃｒｉｔｉ－ ｃａｌｌｙ ＣＧＨＡＺ （ＩＣＣＧＨＡＺ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍ－Ａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｎｄ ＩＣＣＧＨＡＺ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｔ－４０℃ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ １００Ｊａｔ ｔ８／５ ｏｆ ６ｓｔｏ ３７Ｊ ａｎｄ ２１Ｊａｔ ｔ８／５ ｏｆ １３ｓａｎｄ ２０ｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＧＭＡＷ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＣＧＨＡＺ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ １３４－２１５Ｊｔｏ ３９－９５Ｊｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｆｒｏｍ １７ｔｏ ２５ｋＪ／ｃｍ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＧＭＡＷ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ≤ １７ｋＪ／ｃｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ＨＡＺ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＱ４７；ＣＧＨＡＺ；ＩＣＣＧＨＡＺ；ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｍ－Ａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ
石油资源短缺和油价上涨凸现海洋资源开发的 重要性，使得 海 洋 工 程 用 钢 的 需 求 量 不 断 提 高 。 ［１－２］ 海 洋 装 备 由 于 其 服 役 环 境 恶 劣 、周 期 长 ，因 此 对 结 构 的安全性提出严格 要 求，对 应 用 于 海 洋 工 程 结 构 的 钢材及其可 焊 性 也 提 出 了 严 格 要 求 。 ［３－４］ 热 影 响 区 是焊接接头中相对 薄 弱 位 置，其 组 织 与 性 能 的 变 化 直接影响到整个焊 接 结 构 的 性 能 与 安 全，因 此 有 必 要 对 该 类 海 工 用 钢 的 可 焊 性 、焊 接 工 艺 、焊 接 接 头 组 织和性能展开 系 统 研 究 ，从 ［２，５－６］ 而 找 到 合 适 的 焊 接 工艺来确保焊接结构的安全。海洋采钻油平台结构 中多采用中厚板的 多 层 多 道 焊 接 结 构 件，其 热 影 响
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｉｎｐｕｔ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＨＡＺ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ ＥＱ４７
ＰＡＮ Ｘｉｎ， ＺＨＡＮＧ Ｙｕ， ＬＩ Ｘｉａｏ－ｂａｏ， ＢＡＯ Ｂｉｎｇ－ｈｕｉ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ，Ｓｈａｓｔｅｅｌ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２１５６２５，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
图２示出了不同热输入状态下的热模拟组织。 ｔ８／５＝６ｓ（１７ｋＪ／ｃｍ）（图 ２（ａ））时 ＣＧＨＡＺ 组 织 主 要 由板 条 马 氏 体 （ＬＭ）构 成；当ｔ８／５增 加 到 １３ｓ（２５ｋＪ／ ｃｍ）（图２（ｂ））时，ＣＧＨＡＺ 开始出现上贝氏 体（ＵＢ） 组织，且原奥氏 体 晶 粒 尺 寸 增 大；当ｔ８／５ 增 加 到 ２０ｓ （３０ｋＪ／ｃｍ）（图２（ｃ））时，组 织 主 要 由 ＵＢ 构 成。 同 样热输入条件下，与 ＣＧＨＡＺ相比较，ＩＣＣＧＨＡＺ 则 在其板条组织的原奥氏体晶界出现不连续分布的块 状 Ｍ－Ａ 组元（２～１０μｍ），同时晶内板条间也出现了 少量细小的 Ｍ－Ａ 组 元（图 ２（ｄ）～（ｆ））［８］。 由 于 Ｍ－ Ａ 组元为脆性断裂单元，因此大量 Ｍ－Ａ 组元的出现 将恶 化 ＩＣＣＧＨＡＺ 的 冲 击 性 能；组 织 上 判 断，ＩＣ－ ＣＧＨＡＺ的冲击韧性比 ＣＧＨＡＺ低。 ２．１．２ 热模拟 ＨＡＺ冲击性能
第 ４８ 卷 第 ６ 期 ２ ０ １ ３ 年 ６ 月
钢
铁
Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ
Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１３
热输入对海工钢板 ＥＱ４７焊接热影响区组织与冲击性能的影响
潘 鑫 ， 张 宇 ， 李 小 宝 ， 鲍 丙 辉
（江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏 张家港 ２１５６２５）
图 ３ 示 出 了 热 输 入 对 模 拟 ＣＧＨＡＺ 和 ＩＣ－ ＣＧＨＡＺ的 冲 击 韧 性 的 影 响。 可 看 出：１）ＣＧＨＡＺ 和ＩＣＣＧＨＡＺ 区 域 的 冲 击 性 能 随 热 输 入 增 加 而 降 低；２）相 同ｔ８／５ 条 件 下，ＣＧＨＡＺ 冲 击 性 能 高 于 ＩＣ－ ＣＧＨＡＺ，但随ｔ８／５增加，其差距减小，当ｔ８／５达 到 ２０ｓ 时，ＣＧＨＡＺ 和 ＩＣＣＧＨＡＺ 都 发 生 脆 断；３）ｔ８／５ 达 到 ２０ｓ时，ＣＧＨＡＺ 和ＩＣＣＧＨＡＺ 的 冲 击 值 小 于 ４７Ｊ； 当 １３ｓ≤ｔ８／５ ＜２０ｓ 时，ＣＧＨＡＺ 冲 击 值 大 于 １００Ｊ， ＩＣＣＧＨＡＺ 小于４７Ｊ；６ｓ≤ｔ８／５＜１３ｓ时，ＣＧＨＡＺ 冲 击 值 大 于 ３００Ｊ，ＩＣＣＧＨＡＺ 大 于 １５０Ｊ。 ２．２ 多 道 次 气 保 焊 接 试 验 结 果 ２．２．１ 焊接接头 ＨＡＺ 组织特征
组 织 观 察 用 试 样 经 磨 制、抛 光、４％（体 积 分 数） 硝酸酒精溶 液 腐 蚀 后，在 蔡 司 光 学 显 微 镜 （ＯＭ）和 Ｑｕａｎｔａ ３ＤＦＥＧ 型 扫 描 电 子 显 微 镜 （ＳＥＭ）分 析 显 微组织。维氏硬度 测 试 采 用５ｋｇ 载 荷，取 ５ 个 点 的 平均 值。 焊 接 接 头 热 影 响 区 冲 击 试 验 在 Ｉｎｓｔｒｏｎ ＩＭＰ４５０ＪＤｙｎａｔｕｐ冲击 试 验 机 上 进 行 ，取 样 位 置 在 钢
板１／４厚度处，缺口方向垂直焊接方向，缺口位 置分 别在熔合线（ＦＬ）、ＦＬ＋２ｍｍ 和 ＦＬ＋５ｍｍ 位置。
２ 试验结果
２．１ 热 模 拟 试 验 结 果 由于 ＣＧＨＡＺ 和 ＩＣＣＧＨＡＺ 是 多 道 焊 接 接 头
ＨＡＺ中的２个局 部 脆 性 区，决 定 了 焊 接 接 头 ＨＡＺ 的冲击性能；因此，通过模拟不同热 输 入 量 对 上 述 ２ 个局部区域的组织 和 性 能 的 影 响，以 帮 助 考 察 热 输 入对多道次焊接接头 ＨＡＺ冲击性能的影响。 ２．１．１ 热模拟 ＨＡＺ组织
摘 要：利用 Ｇｌｅｅｂｌｅ热模拟研究了热输入对海工钢板 ＥＱ４７热影响区组织和冲击性能的影响，并用多道次气保焊 接试验加以验证。粗晶区（ＣＧＨＡＺ）热模拟结果表明：ｔ８／５≤６ｓ（１７ｋＪ／ｃｍ），该区组织为板条马氏体（ＬＭ），其 －４０℃ 冲击功大于２００Ｊ；ｔ８／５增加到１３ｓ（２５ｋＪ／ｃｍ），ＣＧＨＡＺ组 织 中 出 现 了 上 贝 氏 体 （ＵＢ），其 冲 击 功 下 降 到 １００Ｊ；当ｔ８／５ 达到２０ｓ（３０ｋＪ／ｃｍ）时，ＵＢ 开始粗大并导致其冲击韧 性 小 于 ３０Ｊ。临 界 粗 晶 热 影 响 区（ＩＣＣＧＨＡＺ）模 拟 结 果 表 明： 晶界 Ｍ－Ａ 组元的出现恶化了该区冲击韧性，其冲击功将由ｔ８／５＝６ｓ时的１００Ｊ下降到１３和２０ｓ时的３７和２１Ｊ。多 道次气保焊接接头组织特征与热模拟结果吻合，接头 ＨＡＺ冲击功（熔 合 线）由 热 输 入 １７ｋＪ／ｃｍ 的 １３４～２１５Ｊ下 降 到２５ｋＪ／ｃｍ 时的３９～９５Ｊ。结果表明，为确保焊接接头 ＨＡＺ的冲击韧性，焊接热输入应小于等于１７ｋＪ／ｃｍ。 关键词：海工钢 ＥＱ４７；粗晶热影响区；临界再热粗晶热影响区；低温韧性，Ｍ－Ａ 组元 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０４４９－７４９Ｘ（２０１３）０６－００８０－０５