超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征

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1、超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征焊管.第30卷第2期.2007年3月?39?●应用与开发超细晶粒钢的焊接方法及接头组织特征张贵锋,苗慧霞,张建勋,裴怡,肖克民,杨永兴(西安交通大学焊接研究所,西安710049)摘要:作为新一代高性能钢铁结构材料代表的超细晶粒钢,因其晶粒的超细化从而实现了性能的强韧化

2、,但在焊接时,面临的最大障碍是热影响区晶粒过度长大.系统分析了超细晶粒钢焊接接头的组织特征和焊接性,对超细晶粒钢焊接方法进行了新的分类:组织保存型焊接工艺与同性能焊接工艺.介绍并讨论了各种焊接方法与焊接接头组织的特征,以期为新型焊接工艺的开发,热影响区组织控制及焊接接头性能预测提供借鉴.关键词:超细晶粒钢;焊接方法;非平衡组织;HAZ粗化;HAZ软化;组织控制中图分类号:TG44文献标识码:A文章编号:1001—3938(2007)02—0039—05O前言新一代钢铁材料具有超净,超细,超匀(三超)的内在特征,其中晶粒超细化(目标粒径1—5m)是实现将钢材韧性(严格讲

3、是降低韧/脆转变温度),强度(严格讲是屈服强度),使用寿命(主要体现在抗疲劳裂纹萌生能力)均提高一倍,并尽量少用合金元素以降低碳当量,改善焊接性并利于循环利用以降低对环境损害的主要途径J.作为新一代高性能钢铁结构材料代表的超细晶粒钢(UFG钢,UltraFineGrainedSteels)..,其强化思路具有鲜明的特点,即通过晶粒的超细化同时实现强韧化,完全不同于传统的以添加合金元素与热处理为主要手段的强化思路.与传统控轧控冷钢(TMCP钢,ThermoMechanicalControlProcess)E7J相比,其制备工艺有两大特点:①TMCP钢轧制温度常在800o

4、C以上,而UFG钢轧制温度更低;②轧制压下量更大.在如此低的轧制与相变温度下能与贝氏体竞争生成超细化铁素体晶粒的机理主要是形变诱导铁素体相变(DIFY,Deformati0nInducedFerriteTransformation).在UFG钢的工业生产与应用方面,2001年,日本中山制钢所采用与川崎重工合作开发的能附带产生剪切应变的高压下率压延机(压下率超过陕西省自然科学基金资助项目(2005El16)50%),成功制备出晶粒为3～5m,厚2～15nlnl,幅宽600～900mln,强度500～600MPa的UFG钢….国内的主要大中型钢铁公司如鞍钢,宝钢,攀钢,武

5、钢等均有成功开发出超细晶粒钢的报道..”J,目前已尝试大批量工业应用.例如,鞍钢已为一汽提供了数千吨的超细晶粒钢板¨,为减轻汽车质量,节约燃油,降低排放创造了条件.可以乐观地预计,UFG钢作为我国各工业领域传统热轧低碳钢的更新换代钢种,其大面积工业化应用的前景十分喜人.但正是由于新一代钢铁材料晶粒极度细化的原因,焊接时面临的最大障碍是热影响区(HAZ)晶粒过度长大,当热影响区粗晶区(CGHAZ,CoarseGrainHeatAffectedZone)较宽时,因拘束强化效果减弱而在CGHAZ同时出现软化.基于上述背景,笔者将在本文中系统分析UFG钢的焊接性,介绍并讨论各

6、种焊接方法与焊接接头组织的特征,以期为新型焊接工艺的开发,热影响区组织控制及性能预测提供借鉴.1超细晶粒钢的组织特征与焊接性分析1.1超细晶粒钢的组织特征与粒径在5～10m的TMCP钢相比,UFG钢焊管2007年3月的组织具有两大特征:①铁素体晶粒细小,一般在5Ixm以下,甚至1m以下;②第2相不同,TMCP钢中的第2相为珠光体,而UFG钢中的第2相为更微细,分散的球状渗碳体,且分布均匀.例如,对于铁素体晶粒不足1m的UFG钢,其第2相为直径0.14—0.16m的球状渗碳体j.1.2超细晶粒钢的焊接性分析超细晶粒钢焊接的难点在于防止焊缝及热影响区出现粗化,软化.对热影

7、响区而言,其软化原因为组织软化与再结晶软化,其中由晶粒长大导致的组织软化是核心问题.对超细晶粒钢的焊接性进行分析可知,超细晶粒钢熔焊时晶粒长大的主要原因为:①由于晶粒长大驱动力和长大速率与晶粒直径成反比,故UFG钢极小的原始粒径(几个微米级)使晶粒长大驱动力变大_l;②在UFG钢的成分设计时,为降低碳当量(有利于避免裂纹,省去焊前预热工序),节约资源,便于循环利用以减少对环境的损害,采取了”成分低合金化”的成分设计思路(力学性能主要靠铁素体晶粒的超细化保证),由此使得超细晶粒钢(400MPa级)在奥氏体状态下不存在对晶粒长大有钉扎作用的第2相粒子;③