CN103341695A - 一种改善调质低合金高强钢gmaw接头力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，针对淬火+低温回火调质低合金高强钢焊接时，焊接接头热影响区一个区域发生回火软化，使得接头质量下降的问题，借助激光加热冷却速度快的热循环特点改善其接头软化区的组织；借助激光焊接深熔焊焊缝深、宽比高、热输入小热影响区小、焊接变形小的特点对其接头软化区进行激光重熔可减小软化区宽度，以此可改善淬火+低温回火调质态低合金高强钢GMAW接头强韧性。

Description

一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法

【技术领域】

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法。

【背景技术】

低合金高强钢以其超高的强度、良好的塑韧性和较好的焊接性能广泛应用于工程机械、电力、压力容器、汽车等领域。低合金高强钢的种类可分为非调质钢和调质钢，调质态的低合金高强钢是近几十年来发展最迅速、最有活力的钢种之一，其屈服强度可达到880～1176MPa，由于其超高的强度，良好的塑韧性以及焊接性，除了在桥梁、建筑、船舶、高压容器、工程机械及车辆等领域被广泛应用，通常也用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机外壳、飞机起落架等。

由于性能优异和经济效益显著，调质低合金高强钢在工程焊接结构中的应用日益广泛，对如何获得性能优异的焊接结构件一直是研究者的重点研究目标。对于调质低合金高强钢而言,除了高强钢焊接的共性问题，焊接冷裂纹和焊接热影响区脆化，焊接接头的软化问题也是该钢种在焊接中所遇到的一个关键技术问题，这是因为调质低合金高强钢是在低碳钢的基础上加入提高淬透性的合金元素后经调质（淬火+回火）热处理来获得强度高、韧性好的低碳马氏体+下贝氏体混合组织，而焊接时，在焊接热循环作用下,接头热影响区被加热到超过调质回火温度的区域，将会出现强度、硬度低于母材的软化区,该软化区可能成为接头强度的薄弱区,即出现焊接接头的软化问题。焊后，如果在缓冷过程中马氏体得以自回火，可以缓解冷裂纹出现的情况；但如果冷却速度快，马氏体不能自回火，其冷裂倾向必然加大。研究表明，低合金高强钢在调质状态下焊接，裂纹和脆化可以通过预热和焊后保温等措施得以控制，而软化引起的问题在焊后无法解决，需要在焊接工艺上予以控制。例如，王莲芳等人对法国优基诺钢铁公司生产的DILLMAX965调质高强钢进行焊接研究，研究表明,只有通过严格控制热输入使t_8/5<10s时,焊接接头中的热影响区才不存在软化现象。赵玉珍等人对SS400钢进行焊接研究，研究了其脉冲MAG(80%Ar+20%CO2)焊接接头粗晶区的精细结构,其研究表明采用高线能量焊接时,热影响区粗晶区含有大量的上贝氏体组织,而采用较低线能量焊接时,热影响区主要为韧性良好的下贝氏体组织，在热影响区未出现软化现象。总结以上方法，可知，尽量降低热输入是调质态高强钢焊接时避免热影响区软化的有效方式，但这种方法也给高强钢焊接方式带来了局限性和灵活性的缺失，因此，找到其他有效的解决调质低合金高强钢GMAW接头热影响区软化问题的方法是有很必要的。

【发明内容】

针对调质低合金高强钢GMAW焊接时，焊接接头HAZ(热影响区)发生回火软化，使得接头强度下降的问题，本发明提供了一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，包括以下操作：

1）测量并标定焊接接头的焊缝、熔合线的位置，依据焊接热循环曲线的最高温度计算公式计算并标定焊接接头软化区的位置及宽度；

2）采用激光对焊接接头的软化区进行重熔；

3）对激光重熔后的接头表面进行打磨处理。

所述的软化区是指焊接接头热影响区中发生抗拉强度低于母材抗拉强度的区域。

所述在对软化区进行重熔时，可采用单面或者双面激光重熔的方式达到对接头软化区的重熔。

所述在测量标定焊接接头软化区之前还包括以下处理：

首先将待激光重熔的试样接头表面进行打磨抛光；

然后对焊接接头采用腐蚀剂进行腐蚀，直至显现出接头焊缝、熔合线、热影响区以及母材的各个区域。

所述的腐蚀剂是指可用于金属金相腐蚀分析的腐蚀剂。

所述的GMAW接头为淬火+低温回火调质低合金高强钢薄板GMAW焊接所形成的焊接接头。

所述的薄板是指厚度范围为0.2～6mm的钢板。

所述对接头软化区的重熔是指对接头软化区熔透性或者非熔透行重熔。

所述焊接接头软化区的位置及宽度的计算为：

依据焊接循环曲线的最高温度计算公式：

$\frac{1}{T_{\max }-T_0}=\frac{4.13c_v\mathrm{\&delta;d}}{E}+\frac{1}{T_M-T_0}---\left(1\right)$

式中：E为焊接热输入；T₀为焊件初始温度；T_M为母材熔点，d为离开熔合线的距离；δ为母材厚度；c_v为材料定容比热；

导出接头HAZ中峰值温度T_max位置离开熔合线距离为

$d=(\frac{1}{T_{\max }-T_0}-\frac{1}{T_M-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(2\right)$

则接头HAZ中软化区的宽度为：

$b=d_{T_{\max }=T_h}-d_{T_{\max }=A_{c1}}=(\frac{1}{T_h-T_0}-\frac{1}{A_{c1}-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(3\right)$

式中b为HAZ软化区宽度；T_h为材料控冷生产自回火温度；

为HAZ中峰值温度为回火温度的位置与熔合线距离；为HAZ中峰值温度A_c1位置与熔合线距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，是一种基于激光重熔法改善淬火+低温回火调质低合金高强钢薄板GMAW接头软化区力学性能的方法，借助激光加热冷却速度快的热循环特点改善淬火+低温回火调质低合金高强钢薄板的GMAW接头HAZ软化区的组织；借助激光焊接深熔焊焊缝深、宽比高、热输入小热影响区小、焊接变形小的特点对淬火+低温回火调质低合金高强钢薄板的GMAW接头进行激光重熔可减小接头HAZ软化区宽度，以此可提高接头强韧性。

【附图说明】

图1为接头区域标定和软化区位置示意图；

图2为接头激光重熔方案示意图；

图3为接头激光重熔后宏观形貌示意图；

图4实施例激光重熔后接头实物图；

图5为激光重熔前后接头拉伸试样应力—应变曲线。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供的一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，包括以下操作：

1）测量并标定焊接接头的焊缝、熔合线的位置，依据焊接热循环曲线的最高温度计算公式计算并标定焊接接头软化区的位置及宽度；

2）采用激光对焊接接头的软化区进行重熔；

3）对激光重熔后的接头表面进行打磨处理。

具体的，在测量标定焊接接头软化区之前还包括以下处理：

首先将待激光重熔的试样接头表面进行打磨抛光；

然后对焊接接头采用腐蚀剂进行腐蚀，直至显现出接头焊缝、熔合线、热影响区以及母材的各个区域。所述的腐蚀剂是指可用于金属金相腐蚀分析的腐蚀剂。

所述的软化区是指焊接接头热影响区中发生抗拉强度低于母材抗拉强度的区域。而在在对软化区进行重熔时，可采用单面或者双面激光重熔的方式达到对接头软化区的重熔。所述对接头软化区的重熔是指对接头软化区熔透性或者非熔透行重熔。

下面给出具体的实施例来进行说明。

本实施例采用JHM-1GXY-400X型Nd:YAG激光器对1.5mm厚1000MPa细晶粒高强钢20MnTiB GMAW接头HAZ软化区进行激光重熔。具体的实施步骤包括：

（1）采用GMAW焊接20MnTiB对接接头，保护气体为富氩混合气体，线能量为9.5J/cm。采用线切割切取待激光重熔试样，具体尺寸为200mm×30mm×1.5mm。

（2）对待激光重熔的试样接头进行打磨抛光。

（3）对打磨抛光好的试样用4%的硝酸酒精溶液（体积分数）对20MnTiB GMAW焊接接头区域进行腐蚀，直至显现出接头焊缝、熔合线、热影响区以及母材的各个区域，

（4）结合金相观察和，测量标定20MnTiB GMAW接头的焊缝、熔合线、热影响区，依据焊接热循环曲线的最高温度计算公式计算并标定焊接接头软化区的位置及宽度，具体步骤如下：

由焊接热循环曲线的最高温度计算公式：

$\frac{1}{T_{\max }-T_0}=\frac{4.13c_v\mathrm{\&delta;d}}{E}+\frac{1}{T_M-T_0}---\left(1\right)$

导出接头HAZ中峰值温度T_max位置离开熔合线距离为

$d=(\frac{1}{T_{\max }-T_0}-\frac{1}{T_M-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(2\right)$

则接头HAZ中软化区宽度为

$b=d_{T_{\max }=T_h}-d_{T_{\max }=A_{c1}}=(\frac{1}{T_h-T_0}-\frac{1}{A_{c1}-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(3\right)$

实施例中：热输入E为8.2kJ/cm；焊件初始温度T₀为20℃；20MnTiB熔点T_M为1530℃；母材厚度δ为6mm；20MnTiB的定容比热c_v为6.7J/(cm³℃)；20MnTiB控冷生产回火温度T_h为200℃；则由公式（2）可知，接头HAZ中峰值温度为回火温度的位置与熔合线距离d_Tmax＝T_h为4mm；接头HAZ中峰值温度A_c1位置与熔合线距离d_Tmax＝A_cl为2.5mm。示意图为图1。

（5）采用JHM-1GXY-400X型Nd:YAG激光器对标定好的20MnTiBGMAW接头HAZ软化区进行重熔；

具体的方案为：①采用脉冲激光对20MnTiB的GMAW接头软化区重熔，示意图为图2；

②为减小热输入，避免产生较宽的激光热影响区和产生小的焊接变形，对20MnTiB的GMAW接头进行上下两道小热输入对焊的方式，达到对接头HAZ软化区的重熔，示意图为图3，图4为实施例实物图；

（6）对激光重熔后的接头进行打磨处理。

对实例试样进行力学性能检测，采取的检测方法是接头拉伸性能测试，图5为实施例接头拉伸试验所得到的应力—应变曲线，图中黑色曲线为未经过激光重熔软化区接头拉伸应力—应变曲线，曲线显示接头的抗拉强度为766MPa，图中红色的曲线为经过激光重熔软化区的接头拉伸应力—应变曲线，曲线显示接头的抗拉强度为906MPa，从两条曲线的对比可以看出激光重熔可以显著的改善20MnTiB的GMAW接头软化区的力学性能。

最后说明的是，本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，包括以下操作：

1）测量并标定焊接接头的焊缝、熔合线的位置，依据焊接热循环曲线的最高温度计算公式计算并标定焊接接头软化区的位置及宽度；

2）采用激光对焊接接头的软化区进行重熔；

3）对激光重熔后的接头表面进行打磨处理。

2.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，所述的软化区是指焊接接头热影响区中发生抗拉强度低于母材抗拉强度的区域。

3.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，在对软化区进行重熔时，采用单面或者双面激光重熔的方式达到对接头软化区的重熔。

4.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，在测量标定焊接接头软化区之前还包括以下处理：

首先将待激光重熔的试样接头表面进行打磨抛光；

然后对焊接接头采用腐蚀剂进行腐蚀，直至显现出接头焊缝、熔合线、热影响区以及母材的各个区域。

5.如权利要求4所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，所述的腐蚀剂是指可用于金属金相腐蚀分析的腐蚀剂。

6.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，所述的GMAW接头为淬火+低温回火调质低合金高强钢薄板GMAW焊接所形成的焊接接头。

7.如权利要求6所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，所述的薄板是指厚度范围为0.2～6mm的钢板。

8.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，所述对接头软化区的重熔是指对接头软化区熔透性或者非熔透行重熔。

9.如权利要求1所述的改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法，其特征在于，焊接接头软化区的位置及宽度的计算为：

依据焊接循环曲线的最高温度计算公式：

$\frac{1}{T_{\max }-T_0}=\frac{4.13c_v\mathrm{\&delta;d}}{E}+\frac{1}{T_M-T_0}---\left(1\right)$

式中：E为焊接热输入；T₀为焊件初始温度；T_M为母材熔点，d为离开熔合线的距离；δ为母材厚度；c_v为材料定容比热；

导出接头HAZ中峰值温度T_max位置离开熔合线距离为

$d=(\frac{1}{T_{\max }-T_0}-\frac{1}{T_M-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(2\right)$

则接头HAZ中软化区的宽度为：

$b=d_{T_{\max }=T_h}-d_{T_{\max }=A_{c1}}=(\frac{1}{T_h-T_0}-\frac{1}{A_{c1}-T_0})\frac{E}{4.13c_v\mathrm{\&delta;}}---\left(3\right)$

式中b为HAZ软化区宽度；T_h为材料控冷生产自回火温度；d_Tmax＝T_h为HAZ中峰值温度为回火温度的位置与熔合线距离；d_Tmax＝A_cl为HAZ中峰值温度A_c1位置与熔合线距离。

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