低合金高強度結構鋼Q390ME 焊接接頭組織性能研究

李 娜 趙良生 石 杰 姜 爍

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

低合金高強度結構鋼具有良好的力學性能和使用性能，能夠滿足構筑物向高層、大型、大跨度的發展。近幾年，隨著微合金化技術在國內外應用的進展，先進的TMCP 生產工藝成為開發高強度、良好低溫韌性及易焊接等高性能結構鋼的主要技術，各個鋼廠趨向于采用低碳Nb 微合金化成分體系生產低合金高強度鋼板，助力產品升級的同時，提升了企業競爭力。

Q390 級別低合金高強度鋼焊接時受焊接熱循環熱的影響，熱影響區晶粒粗化，易造成焊接接頭的局部韌性惡化，強韌性會低于焊縫與母材，成為焊接接頭的薄弱區。為了掌握TMCP 低合金高強度結構鋼Q390ME 的基本焊接特性，制定合理的焊接工藝，安陽鋼鐵從焊接熱影響區組織性能、焊接接頭綜合力學性能評定等內容進行試驗研究，采用焊接熱模擬獲得易焊接的線能量范圍，并采用實際焊接評估材料焊接接頭的組織和性能，從而較全面的研究了Q390ME 的焊接接頭組織與性能變化規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼成分及性能

試驗用母材為安鋼3 500 mm 爐卷機組生產的35 mm Q390M。工藝路線：150 t 轉爐—LF 爐-VD爐—1#寬板坯連鑄機—3 500 mm 爐卷機組。

綜合考慮各個成分的作用機理，結合現場實際工況條件及成本要求，采用低碳+Nb 成分體系，并進行微Ti 處理，可顯著降低鋼的碳當量（Ceq）及焊接裂紋敏感指數（Pcm ）[2]，獲得高強高韌性能的鋼板，有效改善鋼板的焊接使用性能。具體化學成分見表1。

表1 Q390ME 化學成分

軋制工藝采用先進的TMCP 技術，即控制軋制與控制冷卻相結合。鋼板經過第一階段軋制（再結晶區軋制）后，在第二階段（未再結晶區軋制）820～890 ℃進行軋制，二階段累計壓下率≥50%，終軋溫度控制在760～830 ℃,終冷溫度控制在480～550 ℃。鋼板的綜合力學性能見表2。

表2 Q390ME 力學性能

1.2 試驗方法

焊接熱模擬試驗在安鋼Gleeble 3800 熱力模擬試驗機上進行。影響HAZ 組織與性能的主要因素是焊接熱輸入量（線能量），試驗中可通過優化焊接熱輸入量（E）來達到改善 HAZ 組織與性能的目的。本次試驗采用QuickSim2 編程控制軟件中的焊接熱模擬程序，選定焊接模型后通過設定不同峰值溫度來模擬不同的焊接熱影響區域，通過不同的焊接熱輸入量對試樣進行模擬試驗，以不同的熱輸入量加熱至峰值溫度后，停留1 s，再以不同的t8/5冷卻速度進行冷卻，模擬實際焊接過程中的回火區、不完全相變區、正火區及淬火區[1]。試樣尺寸為11 mm×11 mm×55 mm 的方棒。具體焊接熱模擬方案如圖1 所示。

圖1 焊接熱模擬方案

2 焊接熱影響區試驗及結果分析

2.1 金相組織

2.1.1 焊接熱輸入峰值對組織的影響

以焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 的速度加熱到700 ℃、800 ℃、950 ℃、1 350 ℃，再以不同的T5/8冷卻后，對焊接熱模試樣進行切割、預磨、拋光，用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，通過Axiovert 200MAT 金相顯微鏡觀察其顯微組織，金相組織如圖3 所示。

從圖2 可以看出，焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 時，峰值溫度為1 350 ℃的過熱區組織為板條貝氏體和粒狀貝氏體，峰值溫度為950 ℃的正火區的組織為晶粒細小的鐵素體；峰值溫度為800 ℃的不完全相變區的組織部分發生相變，組織為粗大的粒貝與少量原始組織的混合組織；峰值溫度為700 ℃的回火區的組織為針狀形鐵素體和少量粒貝混合物。

圖2 金相組織（500×）

2.1.2 焊接熱輸入量對粗晶區組織的影響

加熱過程中，分別以10 kJ/cm、15 kJ/cm、20 kJ/cm、30 kJ/cm、40 kJ/cm 焊接熱輸入量將試樣加熱至1 350 ℃，停留1s，以不同的T5/8進行冷卻，對焊接熱模試樣進行切割、預磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，通過Axiovert 200MAT 金相顯微鏡觀察不同熱輸入量下粗晶熱影響區的顯微組織如圖3 所示。

從圖3 可以看出，焊接熱輸入量為10 kJ/cm 淬火粗晶區的組織以細密的板條馬氏體為主，隨著焊接熱輸入量的增大，粗晶熱影響區的冷卻速率降低，原始奧氏體與貝氏體團逐漸增大，組織演變為含有板條貝氏體和粒狀貝氏體的不同程度的混合組織。當焊接熱輸入量為40 kJ/cm 時，組織以粒狀貝氏體為主。

圖3 不同線能量下粗晶熱影響區的顯微組織

2.2 沖擊試驗

11 mm×11 mm×55 mm 的Q390ME 試樣嚴格按照焊接熱模擬方案進行焊接模擬試驗后，按照GB/T 2975、GB/T 229 加工成10 mm×10 mm×55 mm的“V”型試樣，在金屬擺錘沖擊試驗機上進行夏比沖擊試驗。Q390ME 的不同焊接熱輸入量的回火區、不完全相變區、正火區和淬火區的韌性性能見表3 和圖4。

表3 不同溫度焊接熱模擬Q390ME -40 ℃沖擊功值

圖4 Q390M -40 ℃沖擊功變化趨勢

從圖4 可以看出，在不同的焊接熱輸入量下，對應峰值溫度在950 ℃的正火區和對應峰值溫度在700 ℃的不完全相變區，Q390ME 鋼-40℃低溫沖擊韌性整體保持在較高水平，不同焊接冷卻速度對正火區的影響不大。綜合來看，當焊接熱輸入量E=18～25 kJ/cm 時，整個熱影響區的-40 ℃低溫韌性情況較好。這與組織是完全對應的。

2.3 焊接熱模擬硬度試驗

采用HV10 硬度計對焊接熱模擬試樣的硬度進行測量，不同熱輸入量下不同熱影響區的顯微硬度值如圖5 所示。

圖5 不同焊接熱輸入量對應的硬度曲線

從圖5 可以看出，峰值為1 350 ℃的粗晶區的硬度值最大，隨熱輸入量的增加顯微硬度逐漸降低，焊接熱輸入量從10 kJ/cm 增加到40 kJ/cm，顯微硬度由310 HV 下降到了210 HV。這說明在所有焊接熱影響區強度均可達到Q390ME 的強度要求，并且淬硬性低，具有良好的焊接性能。

2.4 討論

隨著焊接熱輸入量的增加，原始奧氏體與貝氏體團逐漸發生粗化。這是因為熱輸入量增加后，使粗晶區的冷卻速率變小，原始奧氏體晶粒在高溫時的停留時間相對延長，晶粒尺寸增大后，減少了單位體積內的晶界面積，減少的晶界降低了過冷奧氏體的相變速率，造成貝氏體團的尺寸增大。晶粒越粗大，板條越稀疏，短桿狀組織含量越高，淬火粗晶熱影響區硬度下降的越明顯。一般認為馬氏體的顯微硬度大于貝氏體，且馬氏體的顯微硬度至少在 300 HV 以上[3]。綜合來看，當焊接熱輸入量E=15～25 kJ/cm 時，整個熱影響區的-40 ℃低溫韌性較好，同時鋼的硬度均可滿足Q390ME 的強度要求，且淬硬性低。這一焊接熱輸入區間可實現Q390ME 焊接并可獲得良好的焊接接頭性能。

3 Q390M 鋼焊接接頭綜合力學性能評定

焊接試樣尺寸為35 mm×150 mm×200 mm，機加工成30°V 型坡口，采用手動CO2氬氣保護焊對試樣進行對焊。焊絲采用GHS-50 焊絲，直徑Φ1.2 mm，焊接熱輸入量為20 kJ/cm。按GB/T 2970—2016《厚鋼板超聲檢測方法》對焊接后的Q390ME 試樣進行探傷，探傷合格。焊接接頭綜合力學性能見表4，焊接接頭的沖擊性能、硬度分布情況、金相組織如圖6～圖8 所示。

表4 焊接接頭綜合力學性能拉伸及側彎性能

圖6 焊接接頭的沖擊性能

圖7 焊接接頭硬度分布情況

35mmQ390ME 焊接接頭強度略有下降，但均滿足標準要求，焊接熱影響區的-40 ℃沖擊功均保持在200 J 以上，焊縫和母材硬度相差不大，硬度范圍在155～199 HV 之間，粗晶區顯微硬度高于母材。

4 結論

（1）對Q390M 進行焊接熱模擬試驗，發現：焊接熱輸入量對正火區的低溫韌性影響不大，正火區的低溫韌性均保持在較高水平；回火區、不完全相變區、淬火區在熱輸入量15～25 kJ/cm 時，低溫韌性表現良好。

（2）焊接熱輸入量E=20 kJ/cm 時，淬火粗晶區組織由粒狀貝氏體板條貝氏體和粒狀貝氏體，正火區的組織為晶粒細小的鐵素體，不完全相變區的組織部分發生相變，回火區的組織為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體。隨著焊接熱輸入量的增大，淬火粗晶區組織的馬氏體逐漸減少，板條貝氏體、粒狀貝氏逐漸增多。

（3）Q390M 焊接接頭熱影響組織為板條狀貝氏體、粒狀貝氏體、針狀鐵素體，組織細小均勻，熱影響區綜合性能良好，淬硬傾向小。焊接后接頭的強度略有降低，沖擊功與強度等各項指標均能滿足較好的E 級鋼的標準要求。