高强钢大线能量焊接热影响区与焊缝金属的组织转变行为及机理

Coarse grain and brittle microstructure are the two main reasons for the low toughness of high strength steel HAZ and weld metal by high heat input welding. Using inclusion to control the microstructure transformation of high strength steel HAZ and weld metal by high heat input welding is an important new method to refine grain and to obtain high toughness microstructure. . This program takes high strength steel DH40 as the research object. The welding thermal process of high strength steel by high heat input welding would be researched, the influence of inclusion behavior on the welding thermal process of high heat input welding would be discussed, the microstructure transformation behavior of HAZ and weld metal with different welding thermal process conditions would be investigated, the formation nucleation mechanisms of acicular ferrite and sympathetic acicular ferrite in the high strength steel HAZ and weld metal would be studied. The refining grain of high strength steel high heat input welding HAZ and weld metal by means of oxides metallurgy technology could become realization, and which could ensure the grain size would be smaller than 15μm, the high toughness acicular ferrite microstructure would be up to 65% and the mechanical properties of HAZ and weld metal would almost be similar as high strength steel. So that this program can provide theoretical basis and basic data to developing steel for high heat input welding and related welding material.

晶粒粗大和脆性组织是造成高强钢大线能量焊接热影响区和焊缝金属韧性低的主要原因。利用夹杂物控制高强钢大线能量焊接热影响区和焊缝金属组织转变，是细化晶粒和获得高韧性组织的重要新方法。. 本项目拟以高强钢DH40为研究对象，研究高强钢大线能量焊接的热过程；探讨夹杂物对大线能量焊接热过程的响应行为；研究不同焊接热过程条件下，焊接热影响区和焊缝金属的组织转变规律；以及高强钢焊接热影响区和焊缝金属中针状铁素体和感生针状铁素体的形核机理，实现利用氧化物冶金技术细化高强钢大线能量焊接热影响区和焊缝金属的晶粒，确保焊接热影响区和焊缝金属的晶粒尺寸在15μm以下，高韧性针状铁素体组织达65%以上，焊接HAZ和焊缝金属的力学性能与高强钢基本相同。为开发大线能量焊接用钢和配套焊接材料提供理论依据和基本数据。

随着中厚板低合金高强钢广泛用于船舶、海洋平台、高层建筑等大型工程结构，为了提高生产效率，许多大线能量的焊接方法成为重要的生产手段，如多丝埋弧焊、FAB埋弧焊。在大线能量焊接过程中，焊缝金属晶粒会严重长大，降低焊缝金属的韧性。对于不共熔池的多丝埋弧焊与多道焊，还会出现CGHAZ与IRCGHAZ，也会出现晶粒严重长大，产生粗晶脆化，细化大线能量焊缝金属及其热影响区的组织成为重要的科学问题。.本研究项目采用稀土Ce控制大线能量焊缝金属中的夹杂物，在焊缝金属中形成大量细小Ce的氧硫夹杂物，诱导针状铁素体形成，细化焊缝金属及热影响区的组织。在高强钢大线能量热过程研究中，研究了双丝埋弧焊和FAB埋弧的焊接热循环曲线与温度场。对于双丝埋弧焊，根据焊丝产生熔池的位置关系，分为共熔池、半共熔池和不共熔池三种情况。深入研究了大线能量含Ce焊缝金属夹杂物的形成、类型与分布。在大线能量埋弧焊焊缝金属中加入适量的Ce，在焊接冶金过程中形成成分为O、Al、Si、S、Ti、Mn、Ce，夹杂物类型为Al2O3、MnO、SiO2、TiO、Ce2S3 、CeS、 Ce2O2S、Ce2O3的细小夹杂物。夹杂物为Ti、Al、Si、Mn的氧化物表面附着Ce2S3、CeS、 Ce2O2S。稀土Ce能细化大线能量焊焊缝金属中的夹杂物，在焊接热循环作用下，CGHAZ和IRCGHAZ中的夹杂物的成分与类型并不发生改变，但夹杂物有一定的粗化。由于含Ce焊缝金属中夹杂物表面的Ce2S3、CeS、 Ce2O2S与针状铁素体的错配度较小， Ce的氧硫夹杂物能诱导形成大量的针状铁素体。在大线能量含Ce焊缝金属中，焊缝金属的显微组织为大量细小的针状铁素体和少量的先共析铁素与侧板条铁素体。多丝不共熔池埋弧焊与多层埋弧焊时，焊缝金属中存在CGHAZ和IRCGHAZ中，CGHAZ与IRCGHAZ的显微组织为细小针状铁素体、先共析铁素体、侧板条铁素体、感生针状铁素体和粒状贝氏体。对于Ce的氧硫夹杂物，诱导针状铁素体的形核机理符合最小错配度形核机理。感生形核是由于在大线能量埋弧焊焊缝CGHAZ和IRCGHAZ中有许多一次针状铁素体原位析出，并存在奥氏体贫碳区。贫碳奥氏体在一次针状铁素体晶界的高密度位错处，针状铁素体就在一次针状铁素体界面形核，成为感生针状铁素体。