序言

　　在國家重大規(guī)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目"新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究"中，將通過晶粒超細(xì)化實(shí)現(xiàn)鋼材強(qiáng)度韌性提高一倍的目標(biāo)。對于超細(xì)晶粒鋼而言，熱影響區(qū)（HAZ）晶粒粗化導(dǎo)致的性能惡化及不適當(dāng)焊接熱輸入導(dǎo)致的HAZ軟化將是最主要的問題。研究焊接熱循環(huán)對母材組織、性能的影響規(guī)律及研究適合超細(xì)晶粒鋼的新型焊接技術(shù)和工藝是非常必要的。
日本在其"超級鋼"規(guī)劃中，將超級鋼焊接技術(shù)作為三個(gè)研究主題之一，在800MPa級高強(qiáng)度課題中更將焊接置于極其重要的位置^[1,2]。韓國在新世紀(jì)高性能結(jié)構(gòu)鋼中也非常重視超細(xì)晶粒鋼的焊接問題^[3]，為使焊接接頭具有90%以上的母材性能（強(qiáng)度、韌性），從焊接技術(shù)、焊接材料和焊接工藝三個(gè)方向全面開展工作。
作者對超細(xì)晶粒鋼焊接熱影響區(qū)晶粒長大規(guī)律進(jìn)行了初步的研究，進(jìn)行了脈沖MAG、激光焊等方法對超細(xì)晶粒鋼的適應(yīng)性研究，以及利用焊后特殊處理技術(shù)提高焊接接頭性能的探索性研究工作。

1 試驗(yàn)用超細(xì)晶粒鋼及試驗(yàn)研究

　　試驗(yàn)用材為400MPa級課題組在寶鋼軋制的SS400熱軋鋼板，該材料的研究目標(biāo)是通過晶粒細(xì)化使屈服強(qiáng)度提高一倍，板厚3mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。材料的原始鐵素體尺寸為6~8μm。

　　在本研究中，用焊接熱模擬試驗(yàn)研究了焊接熱影響區(qū)的晶粒長大規(guī)律，研究了400MPa級超細(xì)晶粒鋼的脈沖MAG焊接適應(yīng)性、熱影響區(qū)組織及焊接接頭力學(xué)性能。

2 超細(xì)晶粒鋼的HAZ晶粒長大趨勢和組織及性能

　　 為研究焊接熱循環(huán)對超細(xì)晶粒鋼的影響，利用Gleeble-1500焊接熱模擬試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)材料進(jìn)行了焊接熱模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。 （1） 加熱峰值溫度固定T_p=1350℃改變冷卻速度t_8/5從3~24S，模擬在不同焊接熱輸入條件下熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織和性能。 （2） 冷卻速度固定t_8/5=5s，改變峰值溫度T_p從1400~650℃，模擬在同一焊接熱輸入條件下，焊接熱影響區(qū)不同部位的組織和性能。 焊接熱模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1a為焊接熱輸入對粗晶區(qū)原始奧氏體晶粒尺寸的影響，在峰值溫度為1350℃時(shí)，隨著t_8/5逐漸增加，即隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的原奧氏體粒徑不斷增加，當(dāng)t_8/5為20s時(shí)，奧氏體粒徑達(dá)到170μm，這說明超細(xì)晶粒鋼焊接熱影響區(qū)晶粒長大傾向嚴(yán)重，奧氏體粒徑受t_8/5的影響很大，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能采用低熱輸入焊接，加快焊接冷卻速率。圖1b為t_8/5=5s時(shí)峰值溫度對原始奧氏體晶粒尺寸的影響，當(dāng)T_p介于1100~1200℃時(shí)，奧氏體粒徑明顯開始粗化，可把這個(gè)溫度區(qū)間作為SS400鋼的粗化溫度。當(dāng)Tp>1350℃時(shí)，奧氏體晶粒不再繼續(xù)粗化，而奧氏體晶粒有所減小，這有可能是因?yàn)樵趭W氏體晶界局部熔化導(dǎo)致晶粒尺寸有所減小。圖1c、d為顯微硬度測量結(jié)果。由上面圖表的數(shù)據(jù)可以得出：隨著t_8/5增加，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度逐漸降低并趨于平穩(wěn)，當(dāng)t_8/5=3s時(shí)，硬度最大。當(dāng)t_8/5=5s時(shí)，隨著峰值溫度T_p的升高，其顯微硬度逐漸增加，當(dāng)T_p=1400℃時(shí)，其硬度達(dá)到最大。經(jīng)t_8/5=5s，不同峰值溫度的焊接熱模擬后，SS400鋼的整個(gè)熱影響區(qū)硬度都不低于母材，于是可以預(yù)言：當(dāng)t_8/5時(shí)，SS400鋼的熱影響區(qū)不會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

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3 400MPa級超細(xì)晶粒鋼的脈沖MAG焊接適用性研究

　　將試板對接，壓緊在鑲有成形銅條的工作臺上，采用95%Ar+5%CO₂（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氣體保護(hù)進(jìn)行低熱輸入脈沖MAG焊接。三種規(guī)范下的SS400鋼脈沖MAG焊接。三種規(guī)范下的SS400鋼脈沖MAG焊接規(guī)范及其相對應(yīng)的焊接接頭的拉伸性能列于表3。

　　因超細(xì)晶粒鋼主要是在形變條件下獲取細(xì)晶的，不能通過熱處理手段來恢復(fù)，所以焊后HAZ會出現(xiàn)軟化，尤其當(dāng)高熱輸入時(shí)，就更加明顯。不過這種局部軟化對接頭整體強(qiáng)度的影響是受其它因素控制的，如局部軟化區(qū)的寬度、板厚和焊縫強(qiáng)度匹配等因素。三種規(guī)范下的SS400接頭拉伸均斷在母材，說明至少當(dāng)t_8/5<10s時(shí)，SS400鋼接頭中的HAZ不存在軟化問題。從接頭的硬度分布（圖2）也可看出SS400鋼5號接頭的熱影響區(qū)不存在軟化問題，這一點(diǎn)與焊接熱模擬試驗(yàn)結(jié)果一致。

　　在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒長大嚴(yán)重，如圖3所示。其組織以貝氏體為主，沿原奧氏體晶界，有較多的側(cè)板條鐵素體，這樣的組織韌性水平往往較低。
為評估熱影響區(qū)的韌性不平，從焊接試板上取樣進(jìn)行V型缺口沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸2.5mm×10mm×55mm，取樣位置如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為試樣的位置，其中Ⅱ?yàn)楹改_熔合線，向焊縫側(cè)移2mm為I，向母材側(cè)移2mm為10S。單從沖擊功試驗(yàn)結(jié)果來看，熱影響區(qū)的數(shù)值與母材相比并無明顯差距，但低溫試驗(yàn)熱影響區(qū)斷口結(jié)晶狀的比例高于母材。位置I裂紋擴(kuò)展前沿由焊縫+粗晶區(qū)+母材組成，結(jié)晶狀斷口比例最高；位置Ⅱ由粗晶區(qū)+細(xì)晶區(qū)+母材組成，結(jié)晶狀斷口比例次高；位置Ⅲ由細(xì)晶區(qū)+母材組成，結(jié)晶狀斷口比例與母材相同。這些結(jié)果顯然與裂紋前沿粗晶區(qū)所占的比例有關(guān)，位置I的粗晶區(qū)所占的比例最高，結(jié)晶狀斷口比例也最高，位置Ⅲ粗晶區(qū)所占的比例為零，結(jié)晶狀斷口比例也與母材一樣為零，這說明粗晶區(qū)的韌性低于母材。然而，由于焊接接頭，特別是熔合線附近，為復(fù)合組織，韌性較差的粗晶區(qū)只占裂紋擴(kuò)展前沿很小的比例，所以焊接接頭的抗裂性能與母材相比并不一定會有明顯差距，這在沖擊值中已有所體現(xiàn)。然而，由于試件以尺寸很小，厚度僅僅2.5mm，試驗(yàn)的結(jié)論尚須通過斷裂韌性試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。

4 結(jié)論

（1）超細(xì)晶粒鋼焊接熱影響區(qū)有嚴(yán)重的晶粒長大傾向，長大程度隨焊接熱輸入增長而迅速增長。
（2）雖然400MPa級超細(xì)晶粒鋼焊接影響區(qū)晶粒嚴(yán)重粗化，但不存在軟化現(xiàn)象。
（3）焊接熱響區(qū)中有明顯有脆性組織，但缺口沖擊功上難以看出脆化現(xiàn)象。從結(jié)晶狀斷口比例來看，缺口前沿粗晶區(qū)組織越多，結(jié)晶狀斷口比例越大，這說明粗晶區(qū)的韌性低于母材，但這種局部脆性區(qū)對焊接接頭的韌性有多大影響，尚須進(jìn)一步研究證實(shí)。