mm厚SS鋼板焊接工藝四接頭殘余應(yīng)力測(cè)定與組織分析

1、12mm厚SS400鋼板焊接工藝四接頭殘余應(yīng)力測(cè)定與組織分析1 文獻(xiàn)綜述1.1SS400概述SS400鋼是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)普通結(jié)構(gòu)用軋制鋼材標(biāo)準(zhǔn)JISG31012004中最常用的一個(gè)鋼種，在東南亞國(guó)家和地區(qū)有廣闊的市場(chǎng)，SS400鋼的性能要求比碳素結(jié)構(gòu)鋼)GBm001988標(biāo)準(zhǔn)中Q235A要求稍高，與船體用結(jié)構(gòu)鋼cB7122000標(biāo)準(zhǔn)中一般強(qiáng)度船板相當(dāng)，但又不完全等同。SS400是日本鋼材材質(zhì)的一種標(biāo)示方式，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的Q235號(hào)鋼。 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)鋼常按抗拉強(qiáng)度來(lái)分類，如SS400(日本是這樣標(biāo)示的)，其中400即表示b的最小值為400MPa超高強(qiáng)度鋼是指b1373 Mpa的鋼。1.2SS400

2、鋼的特點(diǎn)1、SS400鋼適用橋梁、船舶、車輛及其他結(jié)構(gòu)使用的一般結(jié)構(gòu)用熱軋鋼材，比碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235A)和船板適用范圍要廣。2、對(duì)C、Mn化學(xué)成分不作規(guī)定；P、S要求0050，與Q235A相當(dāng)。3、屈服強(qiáng)度：鋼材16mm厚 Re245MPa，>1640mm厚235MPa，>40mm厚 Re215MPa。比相應(yīng)規(guī)格范圍Q23SA屈服強(qiáng)度提高10MPa。4、抗拉強(qiáng)度：Rm 400510MPa比Q235A Rm 375500MPa下限提高25MPa。5、伸長(zhǎng)率：>516mm厚1A號(hào)板樣A17，>16一50mm厚lA板樣A21，>40mm加厚采用4號(hào)圓樣A23。6、力學(xué)

3、試驗(yàn)試樣：1A號(hào)板樣寬度40mm，200標(biāo)距；采用4號(hào)圓樣D=14mm50標(biāo)距。與國(guó)內(nèi)通常采用的比例試樣要求不同。7、檢驗(yàn)批量50呲。8、鋼板厚度允許偏差，采用對(duì)稱偏差，比GB17091988厚度尺寸允許偏差稍嚴(yán)。9、長(zhǎng)度、寬度允許偏差比GBT7091988長(zhǎng)度和寬度允許偏差稍嚴(yán)。10、鋼板不平度比GBTT091988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)。1.3SS400鋼的組織1、2.75-5.75mm厚ss400鋼板的平均晶粒尺寸介于10.0-13.0m之間，隨鋼板厚度減小晶粒尺寸基本呈減小趨勢(shì)，即隨著壓下量增大，鋼板晶粒尺寸減小。2、SS400鋼板的屈服強(qiáng)度為340-350Mpa,抗拉強(qiáng)度為465-480 Mpa

4、，伸長(zhǎng)率為%28-32%，可見(jiàn)該鋼板強(qiáng)度較高且塑性較好，即綜合力學(xué)性能優(yōu)良。3、5.75mm厚SS400鋼板在-60時(shí)的沖擊功為26.6J，此時(shí)鋼板仍具有較好的韌性。1.4SS400鋼的性能下面對(duì)工業(yè)軋制SS400帶鋼的強(qiáng)度、延伸率、和AK值進(jìn)行了測(cè)定，用OM、SEM、TEM等實(shí)驗(yàn)方法研究了不同工藝條件下對(duì)帶鋼顯微組織的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)終軋溫度在780-810范圍內(nèi)，卷曲溫度為450左右，控制精軋各道次的變形量，可使SS400熱軋帶鋼的屈服強(qiáng)度高于400Mpa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)520 Mpa，延伸率達(dá)到%30，顯微組織觀察結(jié)果表明終軋溫度較低時(shí)，在變形過(guò)程中產(chǎn)生了應(yīng)變誘導(dǎo)鐵素體。應(yīng)變誘導(dǎo)相變

5、、鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以及軋后加速冷卻可使SS400鋼的組織均勻細(xì)小。卷曲溫度降低，貝氏體含量顯著增加，并出現(xiàn)了馬氏體。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，卷曲溫度降低時(shí)帶鋼的韌性較差，SS400鋼的強(qiáng)化機(jī)制包括4部分：細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、相變強(qiáng)化。1.5SS400鋼的生產(chǎn)過(guò)程1.5.1鋼坯加熱加熱溫度要求：加熱速度810min /cm,最高加熱溫度1300，加熱爐各段溫度控制。注：對(duì)于軋薄規(guī)格如9、10、12溫度按靠近上限溫度控制，12規(guī)格以上按中限控制，如厚薄規(guī)格坯料同爐加熱時(shí)也按上限控制。要求見(jiàn)表1。表 1鋼種控制溫度均熱段第二加熱段第一加熱段預(yù)熱段SS4001180128012001280115

6、012501.5.2軋制及冷卻工藝要求1開(kāi)軋溫度：10001140；2高壓水除磷壓力：18Mpa；3SS400鋼板的軋制采用常規(guī)軋制，終軋溫度900，終冷溫度760。1.5.3矯直開(kāi)矯溫度600750，鋼板應(yīng)矯正平直，一般矯直1道，矯直效果不好時(shí)采用取3道矯直，矯直必須保持表面光潔，不得出現(xiàn)麻坑和壓痕等缺陷。1.5.4熱剪切分切熱剪根據(jù)成品板的定尺長(zhǎng)度對(duì)分切的母板長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)控，合理的進(jìn)行分段使確保定尺板的命中率。1.5.5精整1使用剪切線進(jìn)行剪切鋼板時(shí)，剪切溫度200；2鋼板剪切不得有掉肉、壓痕、切斜、毛刺、臺(tái)痕、分層等缺陷，應(yīng)切成直角，保證公稱尺寸的最小矩形。1.6公差要求1.6.1厚度允許

7、偏差應(yīng)符合表2規(guī)定。 表2 單位：mm厚度寬度<16001600<25002500<40006.30<10.0±0.55±0.65±0.8010.0<16.0±0.55±0.65±0.8016.0<25.0±0.65±0.75±0.9525.0<40.0±0.70±0.80±1.040.0<63.0±0.80±0.95±1.11.6.2寬度允許偏差應(yīng)符合表3規(guī)定。表3 單位：mm寬 度厚 度允許偏差

8、1250<16006.00-0 +1516006.00-0 +1.2%1.6.3長(zhǎng)度允許偏差應(yīng)符合表4規(guī)定。 表4 單位：mm長(zhǎng) 度厚 度允許偏差<63006.00-0 +2563006.00 -0 +0.5%1.6.4鋼板不平度允許的最大值應(yīng)符合表5規(guī)定。 表6 單位：mm厚 度不同寬度不平度允許的最大值<20002000300030006.00<10.013212210.0<25.012161725.0<40.09131440.081111注：上表適用于2000mm的任意長(zhǎng)度：鋼板長(zhǎng)度<2000mm時(shí)，對(duì)全長(zhǎng)適用。此外，對(duì)波浪間距超過(guò)2000mm的

9、鋼板，在其波浪的間距長(zhǎng)度內(nèi)適用。但波浪間距超過(guò)4000mm的鋼板，則對(duì)4000mm的任意長(zhǎng)度適用。1.7焊接1.7.1焊接方法焊前預(yù)熱和后熱是為了降低焊縫的冷卻速度，防止接頭生成淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋，焊前預(yù)熱溫度一般在100200度，后熱不屬于熱處理。也是一種緩冷措施。后熱溫度在200-300度，有的單純是為了緩冷，有的是針對(duì)消氧處理的。一定后熱溫度，能使焊縫中氧擴(kuò)散出來(lái)不至于聚集導(dǎo)致裂紋，后熱保溫時(shí)間一定要根據(jù)工件厚度來(lái)確定，一般不會(huì)低于0.5小時(shí)的。焊后熱處理主要分為四種：1、低于下轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行的焊后熱處理，如消除應(yīng)力退火，溫度一般在600-700之間，主要目的是消除焊接殘余應(yīng)力。2、高于

10、上轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行的焊后熱處理，如正火，溫度在950-1150度之間，細(xì)化晶粒改善材料的力學(xué)性能，尤其是抗晶間腐蝕能力。再如淬火，不同的淬火工藝能得到不同的效果，提高鋼的耐磨性、硬度等。3、先高于上轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行處理再進(jìn)行低于下轉(zhuǎn)變溫度下的熱處理，比如正火和回火，淬火加回火等。4、在上下轉(zhuǎn)變溫度之間進(jìn)行的焊后熱處理，700-900度之間，材料的實(shí)效強(qiáng)化重結(jié)晶退火等。1.7.2 SS400鋼板的焊接參數(shù)為保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)采用80Ar20CO2混合氣體保護(hù)焊接，焊高在1020 mm 以上，采用多層多道焊接，一般按34 層進(jìn)行，用80 kg 級(jí)12 焊絲焊接。具體參數(shù)見(jiàn)表7表7 SS400的焊接參數(shù)S

11、S400 12mm#DIV/0!#VALUE!#DIV/0!道次電流電壓焊接時(shí)間#VALUE!#VALUE!#VALUE!1140160222810.8610.860514480039602.20214016022289610.860.1131259349941.7.3 SS400焊接接頭性能在焊縫處由于重熔形成鑄態(tài)組織的結(jié)果，硬度值明顯高于基體；在過(guò)熱區(qū)由于魏氏組織鐵素體的析出，與此相鄰的過(guò)冷奧氏體中含碳量高于鋼的平均含碳量?？绽浣Y(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的數(shù)量也相對(duì)較多；在完全正火區(qū)受熱溫度低于過(guò)熱區(qū)，但也達(dá)到完全奧氏體化的溫度，發(fā)生相變重結(jié)晶，組織明顯細(xì)化，此后在不完全正

12、火區(qū)（發(fā)生部分相變重結(jié)晶），以及沒(méi)有發(fā)生相變的區(qū)域，由于溫度的“軟化”作用（相當(dāng)于回火作用）硬度值下降，直至熱影響區(qū)之外才有所回升。從力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，在焊接接頭處由于晶粒粗大的結(jié)果，材料的抗拉強(qiáng)度下降，屈服強(qiáng)度略有增加而塑性下降，從斷口形貌看出，盡管焊后接頭處塑性下降較為明顯，但斷口的韌窩狀形貌還沒(méi)有發(fā)生改變。只是由于晶粒粗大的結(jié)果，韌窩被撕裂的程度不如母材那樣突出，雖然表現(xiàn)出一定的脆性，但其韌性還是較好。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯縎S400鋼板焊接工藝四接頭殘余應(yīng)力測(cè)定與組織分析2.2實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備2.2.1 金相切割機(jī)QG-2金相試樣切割機(jī)（以下簡(jiǎn)稱為切割機(jī)）是利用高速旋轉(zhuǎn)

13、的薄片砂輪來(lái)截取金相試樣，它廣泛地適用于金相實(shí)驗(yàn)室切割各種金屬材料。由于本機(jī)附有冷卻裝置，用來(lái)帶走切割時(shí)所產(chǎn)生的熱量，因而避免了試樣遇熱而改變其金相組織。技術(shù)指標(biāo)如表8：表8 QG-2金相試樣切割機(jī)參數(shù)表 電源主軸轉(zhuǎn)速(rmin)砂輪片規(guī)格(mm)最大切割直徑(mm)切割功率(kw)重量(kg)外形尺寸(mm)380V、50HZ2800250×2×32301.160470×390×3602.2.2 砂輪機(jī)其主要是由基座、砂輪、電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力源、托架、防護(hù)罩和給水器等所組成，砂輪是設(shè)置于基座的頂面，基座內(nèi)部具有供容置動(dòng)力源的空間，動(dòng)力源傳動(dòng)一減速器，減速

14、器具有一穿出基座頂面的傳動(dòng)軸供固接砂輪，基座對(duì)應(yīng)砂輪的底部位置具有一凹陷的集水區(qū)，集水區(qū)向外延伸一流道，給水器是設(shè)于砂輪一側(cè)上方，給水器內(nèi)具有一盛裝水液的空間，且給水器對(duì)應(yīng)砂輪的一側(cè)具有一出水口。具有整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)十分精簡(jiǎn)完善，使研磨的過(guò)程更加方便順暢及提高整體砂輪機(jī)的研磨效能的功效。2.2.3 拋光機(jī)拋光機(jī)是一種電動(dòng)工具，拋光機(jī)由底座、拋盤(pán)、拋光織物、拋光罩及蓋等基本元件組成。 電動(dòng)機(jī)固定在底座上，固定拋光盤(pán)用的錐套通過(guò)螺釘與電動(dòng)機(jī)軸相連。拋光織物通過(guò)套圈緊固在拋光盤(pán)上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)底座上的開(kāi)關(guān)接通電源起動(dòng)后，便可用手對(duì)試樣施加壓力在轉(zhuǎn)動(dòng)的拋光盤(pán)上進(jìn)行拋光。拋光過(guò)程中加入的拋光液可通過(guò)固定在底座

15、上的塑料盤(pán)中的排水管流入置于拋光機(jī)旁的方盤(pán)內(nèi)。 拋光罩及蓋可防止灰土及其他雜物在機(jī)器不使用時(shí)落在拋光織物上而影響使用效果。 2.2.4 金相照相設(shè)備金相顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)完美地結(jié)合在一起而開(kāi)發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計(jì)算機(jī)上很方便地觀察金相圖像，從而對(duì)金相圖譜進(jìn)行分析，評(píng)級(jí)等以及對(duì)圖片進(jìn)行輸出、打印。表9 金相照相設(shè)備指標(biāo)如名稱放大倍數(shù)數(shù)碼相機(jī)像素2EISS金相顯微鏡（蔡司顯微鏡）100X-1000X400萬(wàn)2.2.5其他材料試樣、金相砂紙（120、200、400、600、800）、酒精、%4硝酸酒精2.3制樣將兩塊焊接好的12mm SS400鋼板以焊

16、縫為中心取樣再通過(guò)小砂輪切割掉四周多余不規(guī)則部分，最后平分焊縫。2.4磨樣拋光將冷卻后的試樣用打磨機(jī)進(jìn)行打磨，將尖角部分打磨掉，并且打磨出比較平整的平面。然后磨樣，磨制時(shí)先用120號(hào)砂紙進(jìn)行粗略的打磨，將試樣面磨平磨光；再依次換240號(hào)、400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)磨樣。在一張砂紙上打磨時(shí)，保持始終在一個(gè)方向上，一個(gè)平面上進(jìn)行打磨。當(dāng)一張砂紙打磨的只有一個(gè)方向上的劃痕時(shí)即可換令一張較細(xì)的砂紙打磨，此時(shí)方向必須轉(zhuǎn)90°，當(dāng)將前面的劃痕全部蓋住時(shí)，即可換令一張較細(xì)砂紙打磨。在600號(hào)砂紙上磨制完后，試樣表面已基本沒(méi)有劃痕及凹坑等，換800號(hào)打磨時(shí)，一定要單道次單道次的磨，不能用大力，直至

17、磨成鏡面一般亮。試樣表面磨好后，就可以拋光了。在拋光機(jī)上澆入拋光液，將磨好的樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光。注意拋光時(shí)拋光方向與拋光機(jī)啟動(dòng)方向相反，拋光時(shí)軋件打磨面要輕微碰觸拋光機(jī)，這樣才可達(dá)到拋光的目的。拋光過(guò)程只需要56秒，拋完后，表面如鏡面一般明亮。然后就是對(duì)表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕前用水沖洗干凈，再滴4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕。2.5腐蝕與拍照將拋光好的樣品進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為4%的硝酸酒精，腐蝕時(shí)間不宜太長(zhǎng)或太短，太長(zhǎng)時(shí)拍出的照片會(huì)太暗，會(huì)造成腐蝕過(guò)度，腐蝕時(shí)間太短時(shí)，拍出的金像照片只會(huì)出項(xiàng)局部金相組織或者金相組織不清晰。所以，要控制好腐蝕時(shí)間。當(dāng)表面發(fā)霧時(shí)，用酒精沖干凈，吹風(fēng)機(jī)吹干。再接下來(lái)就是在光學(xué)顯

18、微鏡下觀察組織，并且拍照，獲得三組金相組織圖。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 焊接接頭組成部分SS400鋼焊接接頭所組成三部分金相顯微組織100、200、500倍，如圖1、圖2圖3所示。焊接接頭由三個(gè)部分組成，即焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)（見(jiàn)圖1、圖2、圖3）。焊接時(shí)，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟拢覆囊l(fā)生局部熔化，并與熔化了的填充金屬混合而形成熔池。隨著熱源的離開(kāi)，熔池溫度下降，熔化金屬開(kāi)始結(jié)晶凝固，形成焊縫。圖1中，是SS400鋼焊接接頭放大100倍金相顯微組織。圖2中，是SS400鋼焊接接頭放大200倍金相顯微組織。圖3中，是SS400鋼焊接接頭放大500倍金相顯微組織。圖1 SS400鋼焊接接頭放大100

19、倍金相顯微組織。圖2 SS400鋼焊接接頭放大200倍金相顯微組織圖3 SS400鋼焊接接頭放大500倍金相顯微組織。3.2接頭組織3.2.1熱影響區(qū)熱影響區(qū)是被焊縫區(qū)的高溫加熱造成組織和性能改變的區(qū)域。低碳鋼的熱影響區(qū)可分為過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。過(guò)熱區(qū)是最高加熱溫度1100以上的區(qū)域，晶粒粗大，甚至產(chǎn)生過(guò)熱組織，叫過(guò)熱區(qū)。過(guò)熱區(qū)的塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中機(jī)械性能最差的部位。正火區(qū)是最高加熱溫度從Ac3至1100的區(qū)域，焊后空冷得到晶粒較細(xì)小的正火組織，叫正火區(qū)。正火區(qū)的機(jī)械性能較好。部分相變區(qū)最高加熱溫度從Ac1至Ac3的區(qū)域，只有部分組織發(fā)生相變， 叫部分相變區(qū)。此區(qū)晶粒不均

20、勻，性能也較差。熱影響區(qū)的組織主要由母材的化學(xué)成分和焊接過(guò)程中的熱循環(huán)決定的。對(duì)于指定的低合金高強(qiáng)鋼，熱影響區(qū)的組織主要由焊接熱輸入決定的。在焊接熱輸入的作用下，靠近焊縫的母材被加熱到一定的程度，組織發(fā)生明顯的變化。在焊接熱循環(huán)的加熱階段，母材基體組織會(huì)奧氏體化，高的峰值溫度將導(dǎo)致奧氏體晶粒的粗化，母材中的析出物會(huì)發(fā)生粗化或重溶。而在冷卻過(guò)程中，奧氏體組織將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、鐵素體或者貝氏體組織等，粗化的或者重新生成的析出物將分散其中，最終形成的高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織是一個(gè)連續(xù)變化并具有陡峭組織梯度的區(qū)域，組織的不均勻性必然導(dǎo)致力學(xué)性能的不均勻。圖4 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織100倍圖

21、5 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織200倍圖6 SS400鋼焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織500倍3.2.2焊縫接頭金屬及填充金屬熔化后，又以較快的速度冷卻凝固后形成。焊縫組織是從液體金屬結(jié)晶的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，成分偏析，組織不致密。但是由于焊接熔池小，冷卻快，化學(xué)成分控制嚴(yán)格，碳、硫、磷都較低，還通過(guò)滲合金調(diào)整焊縫化學(xué)成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊縫金屬的性能問(wèn)題不大，可以滿足性能要求，特別是強(qiáng)度容易達(dá)到。焊縫組織通常由先共析鐵素體、針狀鐵素體、側(cè)板條鐵素體、貝氏體等組織組成。為提高焊縫的沖擊韌性，尤其是低溫沖擊韌性，希望焊縫中盡可能形成針狀鐵素體而減少貝氏體組織含量。由于

22、針狀鐵素體的組織具有高強(qiáng)度和高韌性因而被認(rèn)為是最優(yōu)秀的焊縫組織，所以為得到最優(yōu)強(qiáng)韌性匹配的焊縫，希望在焊縫中得到以針狀鐵素體為主的組織。圖7 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織100倍圖8 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織200倍圖9 SS400鋼焊接接頭焊縫金相顯微組織500倍3.2.3 融合區(qū)熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的過(guò)渡區(qū)域，具有明顯的化學(xué)和物理不均勻性。熔合區(qū)化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的變化不可避免的會(huì)造成晶格中的各種微觀缺陷（如空位、位錯(cuò)等），直接影響焊接接頭性能。熔合區(qū)是焊接接頭中最薄弱的部分，焊接裂紋極易在該區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展，特別是對(duì)超高強(qiáng)鋼焊接，問(wèn)題更為突出。高強(qiáng)鋼熔合區(qū)萌生裂紋已成為制約其擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵，揭示焊接熱循環(huán)對(duì)高強(qiáng)鋼熔合區(qū)組織結(jié)構(gòu)變化和微裂紋起源、擴(kuò)展內(nèi)在本質(zhì)的影響及控制措施，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。圖10 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織100倍圖11 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織200倍圖12 SS400鋼焊接接頭融合區(qū)金相顯微組織200倍3.3影響焊接接頭性能的因素焊接接頭的機(jī)械性能決定于它的化學(xué)成分和組織。因此，影響焊縫化學(xué)成分和焊接接頭組織的因素，都影響焊接接頭的性能。3.3.1焊接材料