Ti微合金化SQ700MCD高强结构用钢在焊接热循环过程中的软化机理研究

Ti微合金化SQ700MCD钢在焊接热循环过程中的软化机理张楠, 董现春, 张熹, 陈延清, 章军(首钢技术研究院用户技术研究所，北京 100041)摘 要：本文针对Ti微合金化SQ700MCD高强钢焊接热影响区（HAZ）的软化机理进行了研究。

采用显微组织分析与析出相萃取复型技术相结合，考察了母材及热模拟粗晶热影响区（CGHAZ）的组织形态与第二相粒子的溶解再析出行为。

结果表明：随着焊接热输入的增大，CGHAZ显微组织由以板条状马氏体为主，逐渐向粒状贝氏体为主转变；母材中的粒子为含有Ti，Nb的碳氮化物，平均尺寸在10nm以下且弥散分布；经模拟焊接热循环后，CGHAZ中绝大部分碳氮化合物粒子发生了回溶现象，但在冷却过程中，未完全回溶粒子的尺寸随着t8/5时间的延长而增大，粒子的形状由母材中的方形变为圆形。

关键词：微合金化，第二相粒子，焊接，CGHAZ，软化中图法分类号：TG142.1; TG156.1文献标识码：ASoftening Mechanism of Ti Microalloyed SQ700MCD Steel During Welding Thermal CyclingZHANG Nan, DONG Xian-chun, ZHANG Xi, CHEN Yan-qing, ZHANG Jun （Application Technology Dept. , ShouGang Research Institute of Technology, Beijing 100041, China）Abstract: The softening mechanism of the heat affected zone in weld SQ700MCD, a Ti microalloyed high strength steel, is presented in this paper. Both of microstructure analysis and the carbon extraction replica technology are used and welding thermal simulation were performed to analyze the behavior of dissolution and reprecipitation of the second phase particles in parent metal and simulated coarse grain heat affected zone (CGHAZ). The results indicated that the microstructure in CGHAZ, with the increasing of heat input, was transformed gradually from lath martensite to granular bainite; Carbonitride particles in the parent metal contained the component of Ti and Nb, which average size were less than 10nm and distributed uniformly. Most of those particles in CGHAZ dissolved after the simulated welding thermal cycling. However, the size of remanent particles under the high temperature increased along with t8/5 during the cooling process and in the same time, the shape of particles changed from cubic to circular.KEY WORDS: microalloyed, second phase particle, welding, CGHAZ, softening普通低合金工程机械用钢焊接时存在的最大的问题是，焊接粗晶热影响区（CGHAZ）的奥氏体晶粒严重长大，致使该区域硬度和韧性严重降低。

在工程机械行业中，为保证使用性和安全性，要求焊接接头具有一定的强度的同时兼备一定的韧性。

Ti，V，Nb等元素的加入可使钢中形成碳氮化合物粒子，这些第二相粒子在起到细晶强化效果的同时，又可阻碍焊接热循环过程中焊接热影响区（HAZ）的奥氏体晶粒长大，对CGHAZ 的强韧性具有一定的改善作用[1, 2]。

但是，HAZ 强韧性的改善除了取决于母材中第二相粒子的数量、尺寸以及存在形式以外，还取决于钢板的轧制工艺、组织形态和第二相粒子在焊接热循环过程中的行为特点[2, 3]。

首钢Ti微合金化SQ700MCD高强钢超细组织和优良的力学性能需借助优化后的TMCP工艺流程，但在焊接后，HAZ软化程度明显，这对于钢材的整体性能常常是不利的。

本文利用金相组织分析与析出相萃取复型TEM分析相结合的方法，对该钢种的母材及模拟粗晶区中的组织形态、第二相粒子的尺寸、数量及成分进行研究，重点分析这些第二相粒子在焊接热循环过程中的变化规律，找到CGHAZ软化原因。

这对于深入研究焊接粗晶热影响区的组织及性能具有重要意义。

表1 SQ700MCD化学成分/wt%Tab.1 Chemical compositions of SQ700MCD tested /wt%C Si Mn Ni Mo Ti Nb V N Cr+Cu+BP+S ≤0.07 ≤0.08 ≤1.80 ≤0.01 ≤0.15 ≤0.11 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.01 ≤0.04 微量表2 焊丝化学成分/wt%Tab.2 Chemical compositions of welding wire tested /wt%C Si Mn P S Ni Mo Al Ti Cu V Cr Zr0.09 0.57 1.56 0.010 0.013 1.350.250.0040.0030.007 0.085 0.250.003表 3 接头的焊接工艺参数Tab.3 Welding parameters焊道位置电流 /A 电压 /V 焊接速度 /mm/s 干伸长 /mm t8/5（实测值）/s打底填充130-150180-20021-2324-255.5815157.229.5表 4 模拟焊接热循环参数Tab.4 Parameters of simulated welding thermal cycling一次热循环二次热循环编号峰值温度Tm(℃) 升温速度(℃/s)保温时间tm(s)t8/5(s)峰值温度Tm(℃)升温速度(℃/s)保温时间tm(s)t8/5(s)1 1350 1502 7 - - - -2 1350 150 2 30 - - - -3 1350 150 2 10 950 150 2 101、实验方法SQ700MCD为Ti微合金化低碳高强钢，采用TMCP工艺生产的化学成分如表1所示。

实验工艺参数的制定参考了SQ700MCD用户的实际焊接生产工艺，8mm厚的板采用V型坡口，1mm钝边。

应用熔化极80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行焊接试验；填充用CARBOFIL NiMoCr焊丝的化学成分如表2所示。

实测打底焊缝冷却时间t8/5（在800-500℃）为7.2s，填充焊缝的t8/5为29.5s。

焊接接头的工艺参数如表3所示。

热影响区的软化程度的测定采取堆焊接头形式，依据JIS Z 3101《焊接热影响区最高硬度试验方法》确定。

硬度测定点如见图1所示。

采用Gleeble2000热模拟试验机模拟气体保护焊线能量下的焊接热粗晶区，便于分析软化机理。

模拟试样尺寸8mm×10mm×90mm。

试验参图 1 热影响区硬度测定点示意图Fig.1 Diagram showing HAZ hardness measurement数见表4。

萃取复型所选用的试样分别选自模拟试样均温区的中心部位和母材。

试样萃取碳膜的制备步骤为：线切割→打磨→抛光→5%的硝酸酒精溶液侵蚀→超声波清洗→喷碳约200nm厚→划成2mm×2mm网格后在2%的硝酸酒精溶液里电解剥离→捞膜→晾干→观测。

采用JEM-2100F型透射电镜（TEM）对粒子尺寸、物相、形貌及数量进行分析，应用能谱分析仪（EDS ）定性分析粒子成分。

粒子尺寸和数量的确定采取相同倍下随机选取多于10个不同的视野进行统计的原则。

图 2 母材第二相粒子形貌(a)、能谱(b)及衍射花样(c) Fig.2 TEM image (a) of the second phase particles, EDS (b) and EDP (c) of corresponding particle shown in Fig.1(a)2、实验结果2.1 母材中的第二相粒子由图2(a)TEM 影像所示，母材粒子接近方形，平均尺寸小于10nm ，且均匀分布于整个基体。

不同粒子尺寸所占百分比的统计结果参见图3，图中所有粒子平均尺寸约10nm ，最小尺寸仅3nm 。

图2(b)为图2(a)指定位置的能谱分析，结果表明：粒子中含有较高含量的Ti 和微量的Nb ，图中相当数量的Cu 元素来自于Cu 网，故可定性说明这些粒子为含有以上两种元素的复合粒子。

结合图2(c)的衍射花样可知：该类型粒子具有FCC 结构，点阵常数为0.429nm ，介于TiC 与TiN 的点阵常数之间，因此可判定这些粒子为(Ti, Nb)(C, N)。

(a)(b)图 3 母材中粒子的尺寸分布Fig.3 Particle size distribution in parent metal(c)图 4 焊接热影响区硬度分布图 Fig.4 Micro-hardness distribution of HAZ(a) (b)(a)打底焊道； (b)填充焊道 图 5 粗晶热影响区组织形貌 Fig.5 Optical microstructure of CGHAZ2.2 HAZ 软化程度评定及显微组织观察采用维氏硬度计，在堆焊接头的横截面上进行硬度测试。

测试线相切于焊根部位，每间隔0.5mm 打一个硬度点。

测量结果见图4所示。

一般认为，把HAZ 硬度值低于0.9H P (H P 为母材的平均硬度)的宽度作为软化区宽度。

由硬度测量点的位置和结果可以看出，打底焊道和填充焊道的软点硬度值分别为母材硬度平均值的83%和72%，软化宽度分别为3mm 和4.5mm ，焊接接头软化最为严重的区域为粗晶热影响区。