CN109722510B - 优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，涉及一种优化高强韧特厚板窄间隙弧焊热影响区组织与性能的方法。目的是解决高强韧特厚板弧焊过程中局部脆化问题。方法：获取热模拟试样及接头母材热影响区焊接热循环曲线，在模拟试验机的系统上生成模拟温度曲线，找出韧性恶化样和韧性恶化区，找出韧性改善样和韧性改善区，绘制先焊层单层单道接头母材热影响区的各区分布和宽度的占比图，逐个叠加占比图得到微区演变示意图，最终确定焊层数及每个焊层的厚度。本发明通过焊接热模拟试验分析高强韧特厚板的焊接性，利用多层单道焊的正火和回火作用，回避过热粗晶热影响区的存在，避免局部脆化。本发明适用于特厚板弧焊焊接。
Description
技术领域
本发明属于高端装备制造领域，尤其涉及一种优化高强韧特厚板窄间隙弧焊热影响区组织与性能的方法。
背景技术
随着深海采油平台、极地科考船舶、跨海桥梁、高层建筑、大型水电站等基础建设项目的蓬勃兴起，产业装备加速向大型化、重型化发展，其关键部件(位)采用高强韧特厚板(屈服强度≥620MPa，低温韧性≥34J@-40℃，厚度≥100mm)的需求量越来越大。高强韧特厚板的特点是高技术、高附加值，它所带来的焊接工程量和难度成几何级数增加，如何实现此类特厚板的优质、高效、绿色焊接制造已成为当今制造技术发展的前沿。
目前，高强韧特厚板的生产国际上广泛采用的标准有美标(ASTMA514/A514M、ASTMA517/A517M)、欧标(EN10137-2)、日标(JISG3128)和ISO(ISO4950-2)等四大体系，其成分体系的设计思路主要是：将C含量基本控制在0.035～0.13％，微量添加B、Mo、Cr等合金元素来提高低冷速下钢板淬透性，添加V、Ti、Al等元素可以与B、Nb等元素产生有利的协同作用，同时添加Cu、Cr等有利于碳化物形成元素来提高钢板强度和回火稳定性。由于合金元素含量较高，高强韧特厚板的碳当量介于0.65～0.85％，在Graville焊接评价图中位于III区(难焊区)，使得弧焊过程中母材热影响区(HAZ)的韧性极易恶化。究其原因，临近焊缝的母材(过热粗晶热影响区，CGHAZ)经历峰值温度超过Ac3线300℃以上(1200～1540℃)的焊接热循环作用，组织完全奥氏体化，晶粒急剧长大，冷却后易形成粗大的马氏体，淬硬程度大，这一性能“变质”的HAZ局部部位无疑将成为整个焊接接头的“短板”，极有可能成为装备服役的潜在裂纹源。窄间隙熔化极气体保护焊(NG-GMAW)具有坡口填充面积小、熔敷效率高、焊接热输入低、可全位置焊接等综合技术优势，是实现高强韧特厚板优质、高效、绿色焊接的首先技术。发明专利ZL2014100804135开创性进行了海洋工程用特厚板Q690E的NG-GMAW工艺研究，指出所获得的接头HAZ一般在3mm以内，但仍然无法回避CGHAZ的存在及局部脆化问题，并没有给出调控接头CGHAZ组织与性能的相应措施，因此该专利方法得到的焊接接头极有可能成为海洋工程装备的潜在裂纹源。
因此，高强韧特厚板弧焊迫切需要一种经济有效的过热粗晶热影响区的组织与性能调控方法，避免弧焊过程中过热粗晶热影响区的存在导致的局部脆化问题。
发明内容
本发明目的是解决高强韧特厚板弧焊过程中过热粗晶热影响区的存在导致的局部脆化问题，提出一种优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法。
本发明优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法具体按照以下步骤进行：
一、以高强韧特厚板的板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行板材宽度方向；
二、采用窄间隙焊接温度场的测量方法，分别获取高强韧特厚板的电弧焊接头母材热影响区的过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线；
三、在电阻加热式热模拟试验机的系统上选择厚板模型，生成4条模拟热循环曲线，并编辑热循环参数，使4条模拟温度曲线分别与步骤二中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线保持一致性；
四、取4个步骤一制备的热模拟试样，安装在电阻加热式热模拟试验机上，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对热模拟试样进行加热，然后获取加热后的热模拟试样的冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度，找出冲击吸收功损失大于20％、侧膨胀值降低大于50％且显微硬度大于380HV5的热模拟试样，作为韧性恶化样；韧性恶化样对应的母材热影响区为韧性恶化区，韧性恶化样对应的形成温度区间即为韧性恶化区形成温度区间；
五、在电阻加热式热模拟试验机上，取4个步骤一得到的热模拟试样并进行一次加热，一次加热时选取韧性恶化样对应的模拟温度曲线，一次加热完成后待温度降低至层间温度后，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对4个一次加热后的热模拟试样进行二次加热，二次加热后测量并找出冲击吸收功和侧膨胀值提高的试样，该试样作为韧性改善样，韧性改善样对应的母材热影响区为韧性改善区，韧性改善样对应的形成温度区间即为韧性改善区形成温度区间；
六、取两块高强韧特厚板，采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接，得到先焊层单层单道头，在金相显微镜下找出先焊层单层单道接头中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的分布和宽度占比，并按照1:1的比例描绘出过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区之间的分界线和焊层分界线，得到占比图；
七、重复将步骤六得到的占比图沿焊缝高度方向逐个叠加，使相邻的占比图中较上的占比图中韧性改善区形成温度区间的高温界线与较下的占比图中韧性恶化区形成温度区间的高温界线相切，直至最下层的单层单道接头的韧性恶化区全部被后叠加的占比图中韧性改善区覆盖，得到多层单道头原微区演变示意图，计算多层单道头原微区演变示意图中焊层数及每个焊层的厚度，参照焊层数及每个焊层的厚度进行施焊，得到多层单道头接头，施焊后测试先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度，如显微硬度大于380HV5则逐次提高每个焊层的厚度至先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度小于380HV5，每次焊层的厚度的提高量为0.5mm。
本发明原理及有益效果为：
本发明通过焊接热模拟试验分析高强韧特厚板的焊接性，结合窄间隙熔化极活性气体保护电弧焊工艺的热物理特性，合理控制焊层厚度及工艺参数，利用多层单道焊的正火和回火作用，实现临近焊缝的母材过热粗晶热影响区的微区组织与性能演变，确保整个接头的低温韧性。通过本发明优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法对过热粗晶热影响区组织与性能调控，回避过热粗晶热影响区的存在，避免局部脆化，进一步实现确保整个接头的低温韧性。
本发明方法提高了生产过程可控性和可操作性强。相比传统的接头焊后热处理方法，本发明既无需额外能耗，又未增加工序，因此经济性好。本发明适用于高强韧特厚板的所有窄间隙弧焊方法，包括传统多层多道弧焊方法。
附图说明
图1为实施例1热模拟试样截取位置示意图，图中a为热模拟试样的截取位置；
图2为实施例1窄间隙焊接温度场的测量方法获取焊接热循环曲线过程中测试板分割后的结构示意图；图中1为热感应器件，2为焊道，3焊道凸部，4为与凸部相匹配的凹部；
图3为实施例1步骤二中接头母材热影响区的过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线图，图中曲线1对应峰值温度为1350℃，曲线2对应峰值温度为950℃，曲线3对应峰值温度为800℃，曲线4对应峰值温度为700℃；
图4为V型缺口试样取点位置示意图，a为取点位置；
图5为实施例1步骤五中二次加热模拟热循环曲线图；图中曲线1对应峰值温度为1350℃，曲线2对应峰值温度为950℃，曲线3对应峰值温度为800℃，曲线4对应峰值温度为700℃；
图6为实施例1先焊层单层单道接头母材热影响区的各区分布和宽度占比图；
图7为实施例1多层单道头原微区演变示意图的形成过程示意图；图7对应先焊层单层单道接头，图中h1为先焊层单层单道接头焊层厚度，中h2为多层单道头原微区演变示意图中焊层厚度；SC、IC、FG、CG分别对应占多层单道头原微区演变示意图中先焊层单层单道头占比图中的回火区、完全正火区、正火细晶区和过热粗晶区；SC2、IC2、FG2、CG2分别对应叠加的第二个占比图中的回火区、完全正火区、正火细晶区和过热粗晶区；SC3、IC3、FG3、CG3分别对应叠加的第三个占比图中的回火区、完全正火区、正火细晶区和过热粗晶区；
图8为实施例1工艺评定试验中焊接时的坡口示意图；
图9为实施例1工艺评定试验中焊接时动作示意图；
图10为实施例1工艺评定试验中焊接得到的接头宏观形貌图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法具体按照以下步骤进行：
一、以高强韧特厚板的板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行板材宽度方向；
二、采用窄间隙焊接温度场的测量方法，分别获取高强韧特厚板的电弧焊接头母材热影响区的热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线；
三、在电阻加热式热模拟试验机的系统上选择厚板模型，生成4条模拟热循环曲线，并编辑热循环参数，使4条模拟温度曲线分别与步骤二中热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线保持一致性；
四、取4个步骤一制备的热模拟试样，安装在电阻加热式热模拟试验机上，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对热模拟试样进行加热，然后获取加热后的热模拟试样的冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度，找出冲击吸收功损失大于20％、侧膨胀值降低大于50％且显微硬度大于380HV5的热模拟试样，作为韧性恶化样；韧性恶化样对应的母材热影响区为韧性恶化区，韧性恶化样对应的形成温度区间即为韧性恶化区形成温度区间；
五、在电阻加热式热模拟试验机上，取4个步骤一得到的热模拟试样并进行一次加热，一次加热时选取韧性恶化样对应的模拟温度曲线，一次加热完成后待温度降低至层间温度后，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对4个一次加热后的热模拟试样进行二次加热，二次加热后测量并找出冲击吸收功和侧膨胀值提高的试样，该试样作为韧性改善样，韧性改善样对应的母材热影响区为韧性改善区，韧性改善样对应的形成温度区间即为韧性改善区形成温度区间；
六、取两块高强韧特厚板，采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接，得到先焊层单层单道头，在金相显微镜下找出先焊层单层单道接头中粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的分布和宽度占比，并按照1:1的比例描绘出粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区之间的分界线和焊层分界线，得到占比图；
七、重复将步骤六得到的占比图沿焊缝高度方向逐个叠加，使相邻的占比图中较上的占比图中韧性改善区形成温度区间的高温界线与较下的占比图中韧性恶化区形成温度区间的高温界线相切，直至最下层的单层单道接头的韧性恶化区全部被后叠加的占比图中韧性改善区覆盖，得到多层单道头原微区演变示意图，计算多层单道头原微区演变示意图中焊层数及每个焊层的厚度，参照焊层数及每个焊层的厚度进行施焊，得到多层单道头接头，施焊后测试先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度，如显微硬度大于380HV5则逐次提高每个焊层的厚度至先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度小于380HV5，每次焊层的厚度的提高量为0.5mm。
本实施方式原理及有益效果为：
本实施方式通过焊接热模拟试验分析高强韧特厚板的焊接性，结合窄间隙熔化极活性气体保护电弧焊工艺的热物理特性，合理控制焊层厚度及工艺参数，利用多层单道焊的正火和回火作用，实现临近焊缝的母材过热粗晶热影响区的微区组织与性能演变，确保整个接头的低温韧性。通过本实施方式优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法对过热粗晶热影响区组织与性能调控，回避过热粗晶热影响区的存在，避免局部脆化，进一步实现确保整个接头的低温韧性。
本实施方式方法提高了生产过程可控性和可操作性强。相比传统的接头焊后热处理方法，本实施方式既无需额外能耗，又未增加工序，因此经济性好。本实施方式适用于高强韧特厚板的所有窄间隙弧焊方法，包括传统多层多道弧焊方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述长方体热模拟试样的尺寸为(55～65mm)×11mm×11mm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述窄间隙焊接温度场的测量方法按照名称为《窄间隙焊接温度场的测量方法及系统》，公开号为CN105728900B的专利进行，具体步骤为：沿垂直于测试板的窄间隙焊道方向，将所述测试板切割成两部分，其中一部分包含沿所述焊道伸出、且横跨所述焊道的凸部；在所述凸部沿所述焊道方向的至少一侧立面上，向所述焊道的热影响区埋设至少一个热感应器件；将切割后的两部分重新拼合，以得到在所述热影响区埋设热感应器件的测试板；按照预设的测试预案将所述测试板的焊道进行逐层焊接，并根据在测试过程中所获取的各所述热感应器件的温度信息，测量所述热影响区的温度场的变化情况；所述将切割后的两部分重新拼合的方式包括：采用点焊、或定位施焊的方式将切割后的两部分重新拼合；所述凸部为矩形；所述凸部沿焊道方向的侧立面相距所述焊道内侧壁2-5mm；所述测试板为高强韧特厚板。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述高强韧特厚板的热处理工艺为调质处理工艺，调质处理工艺为淬火+高温回火。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述母材热影响区的过热粗晶区(CGHAZ)、正火细晶区(FGHAZ)、完全正火区(IGHAZ)和回火区(SGHAZ)；过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；正火细晶区的形成温度为900～1200℃；完全正火区的形成温度为750～900℃；回火区的形成温度为550～750℃。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述热循环参数包括主峰温度、次峰温度、波谷温度、波谷→波峰升温时间和波峰→波谷降温时间。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述电阻加热式热模拟试验机为Gleeble-1500D、Gleeble-3500或Gleeble-3800；电阻加热式热模拟试验机购买于DSI公司；所述厚板模型为Rykalin-3D。所述厚板模型为Rykalin-3D。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四所述冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度的获取方法为：参照国家标准《焊接接头冲击试验方法》GB/T2650-2008，将步骤4的热模拟试样加工成标准V型缺口试样，在摆锤式冲击试验机上进行使用温度下的低温冲击试验，得到冲击吸收功和侧膨胀值；在距离标准V型缺口试样中V型缺口底部0.5～1.0mm位置处取点，利用显微硬度试验机获取显微硬度。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五所述二次加热后得到的试样分别对应的母材热影响区的4个部位分别为：二次过热粗晶区(CG2-CG1HAZ)、细晶再热粗晶区(FG2-CG1HAZ)、介临界再热粗晶区(IG2-CG1HAZ)和亚临界再热粗晶区(SG2-CG1HAZ)；二次过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；细晶再热粗晶区的形成温度为900～1200℃；介临界再热粗晶区的形成温度为750～900℃；亚临界再热粗晶区的形成温度为550～750℃。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述层间温度的计算公式为：Tp＝350(Ceq-0.25)1/2；公式中Tp为层间温度，Ceq为碳当量，Ceq＝(1+0.005t)[C+(Mn+Cr)/9+Ni/18+7Mo/90]，其中t为实际板厚，单位为mm；C、Mn、Cr、N、Mo表示该元素在钢中的质量百分含量。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤六所述对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接时采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺；窄间隙熔化极气体保护焊工艺按照名称为《窄间隙熔化极活性气体保护电弧焊工艺》，公开号为CN103801808B的专利进行，具体步骤为：焊前准备步骤包括坡口加工过程、预处理过程及坡口装配过程，其中坡口加工过程获得的坡口的角度为0.5°～2°，坡口加工过程获得的坡口的根部钝边1～4mm，组对间隙为16～20mm；所述预处理过程为去除坡口及周围15～25mm范围内的铁锈和油污；所述坡口装配过程中根部不留间隙，焊前准备完成后进行熔化极气体保护焊立向焊接在坡口内形成单层单道接头。其他步骤和参数与具体实施方式一至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例以某自升式平台桩腿用177.8mm厚高品质调质高强钢接长为例，打底层采用单细丝旋摆电弧NG-GMAW，填充盖面层采用双面单细丝旋摆电弧NG-GMAW。高品质海洋工程特厚板是德国迪林格钢铁公司生产的齿条钢DILLIMAX690E-MOD，其机械性能示于表1。
表1
本实施例优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法具体按照以下步骤进行：
一、以高强韧特厚板的板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行板材宽度方向；图1为实施例1热模拟试样截取位置示意图，图中a为热模拟试样的截取位置；
步骤一所述长方体热模拟试样的尺寸为65mm×11mm×11mm；
二、采用窄间隙焊接温度场的测量方法，分别获取高强韧特厚板的电弧焊接头母材热影响区的过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线；图3为接头母材热影响区的过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线图，图中曲线1对应峰值温度为1350℃，曲线2对应峰值温度为950℃，曲线3对应峰值温度为800℃，曲线4对应峰值温度为700℃；
步骤二所述窄间隙焊接温度场的测量方法按照名称为《窄间隙焊接温度场的测量方法及系统》，公开号为CN105728900B的专利进行，具体步骤为：沿垂直于测试板的窄间隙焊道方向，将所述测试板切割成两部分，其中一部分包含沿所述焊道伸出、且横跨所述焊道的凸部；在所述凸部沿所述焊道方向的至少一侧立面上，向所述焊道的热影响区埋设至少一个热感应器件；将切割后的两部分重新拼合，以得到在所述热影响区埋设热感应器件的测试板；按照预设的测试预案将所述测试板的焊道进行逐层焊接，并根据在测试过程中所获取的各所述热感应器件的温度信息，测量所述热影响区的温度场的变化情况；所述将切割后的两部分重新拼合的方式包括：采用点焊、或定位施焊的方式将切割后的两部分重新拼合；所述凸部为矩形；所述凸部沿焊道方向的侧立面相距所述焊道内侧壁2-5mm；所述测试板为高强韧特厚板。图2为实施例1窄间隙焊接温度场的测量方法获取焊接热循环曲线过程中测试板分割后的结构示意图；
步骤二所述高强韧特厚板的热处理工艺为调质处理工艺，调质处理工艺为淬火+高温回火；
步骤二所述过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；正火细晶区的形成温度为900～1200℃；完全正火区的形成温度为750～900℃；回火区的形成温度为550～750℃；
三、在电阻加热式热模拟试验机的系统上选择厚板模型，生成4条模拟热循环曲线，并编辑热循环参数，使4条模拟温度曲线分别与步骤二中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线保持一致；热循环参数如表2所示；
步骤三所述热循环参数包括主峰温度、次峰温度、波谷温度、波谷→波峰升温时间和波峰→波谷降温时间；
步骤三所述电阻加热式热模拟试验机为Gleeble-1500D；所述厚板模型为Rykalin-3D；
表2
四、取4个步骤一制备的热模拟试样，安装在电阻加热式热模拟试验机上，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对热模拟试样进行加热，然后获取加热后的热模拟试样的冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度，找出冲击吸收功损失大于20％、侧膨胀值降低大于50％且显微硬度大于380HV5的热模拟试样，作为韧性恶化样；韧性恶化样对应的母材热影响区为韧性恶化区，韧性恶化样对应的形成温度区间即为韧性恶化区形成温度区间；加热后的热模拟试样的性能如表3所示；
步骤四所述冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度的获取方法为：参照国家标准《焊接接头冲击试验方法》GB/T2650-2008，将步骤4的热模拟试样加工成标准V型缺口试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，在摆锤式冲击试验机上进行使用温度下的低温冲击试验，得到冲击吸收功和侧膨胀值；在距离标准V型缺口试样中V型缺口底部0.5～1.0mm位置处取点，利用显微硬度试验机获取显微硬度；图4为V型缺口试样取点位置示意图，a为取点位置；
五、在电阻加热式热模拟试验机上，取4个步骤一得到的热模拟试样并进行一次加热，一次加热时选取韧性恶化样对应的模拟温度曲线，一次加热完成后待温度降低至层间温度后，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对4个一次加热后的热模拟试样进行二次加热，二次加热后测量并找出冲击吸收功和侧膨胀值提高的试样；(测试结果如表3所示)，该试样作为韧性改善样，韧性改善样对应的母材热影响区为韧性改善区，韧性改善样对应的形成温度区间即为韧性改善区形成温度区间；图5为二次加热模拟热循环曲线图；
步骤五所述二次加热后得到的试样分别对应的母材热影响区的4个部位分别为：二次过热粗晶区、细晶再热粗晶区、介临界再热粗晶区和亚临界再热粗晶区；二次过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；细晶再热粗晶区的形成温度为900～1200℃；介临界再热粗晶区的形成温度为750～900℃；亚临界再热粗晶区的形成温度为550～750℃；
步骤五所述层间温度为180±10℃；
表3
由表3可知，试验钢对1200℃以上的高温比较敏感。不论是模拟CGHAZ(1-1#)还是CG2-CG1HAZ(2-1#)，试样钢韧性损失均超过60％，脆化严重；显微硬度在400HV以上，较母材硬度提高50％以上，淬硬程度大。显然，CGHAZ和CG2-CG1HAZ是整个接头的“短板”。由表3可知，较低温度的重热作用对改善试验钢CGHAZ的低温韧性更为明显。从降低淬硬程度来看，高温回火和不完全正火具有正火无可比拟的优势，IC2-CG1HAZ(2-3#)和SC2-CG1HAZ(2-4#)的硬度基本维持在340HV左右，淬硬程度降低50％；从韧性改善角度来看，虽然正火、不完全正火和高温回火均可降低试验钢的韧性恶化程度，但高温回火和不完全正火的韧性提高比例(40～50％)较正火后的(20～40％)要高，说明试验钢正火细化晶粒的效果不如珠光体钢和贝氏体钢明显。
六、取两块高强韧特厚板，采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接，得到先焊层单层单道头，在金相显微镜下找出先焊层单层单道接头中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的分布和宽度占比，并按照1:1的比例描绘出过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区之间的分界线和焊层分界线，得到占比图；图6为单层单道接头母材热影响区的各区分布和宽度占比图；图6可知，NG-GMAW接头HAZ宽度较窄(～3mm)，CGHAZ/FGHAZ/ICHAZ/SCHAZ各微区宽度比例约为2:2:1:3，这表明试验钢的韧性恶化区占比约25％；
步骤六所述对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接时采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺；窄间隙熔化极气体保护焊工艺按照名称为《窄间隙熔化极活性气体保护电弧焊工艺》，公开号为CN103801808B的专利进行，具体步骤为：焊前准备步骤包括坡口加工过程、预处理过程及坡口装配过程，其中坡口加工过程获得的坡口的角度为1°，坡口加工过程获得的坡口的根部钝边3mm，组对间隙为28mm；所述预处理过程为去除坡口及周围20mm范围内的铁锈和油污；所述坡口装配过程中根部不留间隙，焊前准备完成后进行熔化极气体保护焊立向焊接在坡口内形成单层单道接头；
七、重复将步骤六得到的占比图沿焊缝高度方向逐个叠加，使相邻的占比图中较上的占比图中韧性改善区形成温度区间的高温界线与较下的占比图中韧性恶化区形成温度区间的高温界线相切，直至最下层的单层单道接头的韧性恶化区全部被后叠加的占比图中韧性改善区覆盖，得到多层单道头原微区演变示意图，计算多层单道头原微区演变示意图中焊层数及每个焊层的厚度，参照焊层数及每个焊层的厚度进行施焊，得到多层单道头接头，施焊后测试先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度，如显微硬度大于380HV5则逐次提高每个焊层的厚度至先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度小于380HV5，每次焊层的厚度的提高量为0.5mm。
图7为多层单道头原微区演变示意图；通过对图7进行统计与分析微区面积大小及占比，发现控制焊层厚度3.0～3.5mm时，待完成后焊层两层施焊，先焊层的“刀”形窄带演变成了七个微区，FG3-CG2-CG1HAZ、IC3-CG2-CG1HAZ、SC3-CG2-CG1HAZ、SC3-FG2-CG1HAZ、FG2-CG1HAZ、IC2-CG1HAZ和SC2-CG1HAZ，各区所占面积百分比约为4％、8％、28％、16％、23％、12％和9％；也就是说，原CGHAZ全部经历了正火、不完全正火和回火作用，组织与性能得到改善。
工艺评定试验验证：
对本实施例进行工艺评定试验。焊接过程中注意控制焊层厚度h，待无损探伤合格后，参照国家标准GB/T2650-2008制备冲击试验，并开展低温韧性的测试试验。
工艺评定试验中焊接时的坡口示意图如图8所示，单侧坡口角度α＝1.0°，组对间隙δ＝18mm，根部倒角R＝3.0mm，根部钝边b＝3mm。遵循“等强匹配”原则，选用直径1.2mm的MG-S88A焊丝，保护气为85％Ar+15％CO2，保护气流量15～20L/min(枪)+30～40L/min(罩)。焊接时，由机器人携带NG-GMAW机头沿坡口长度方向和坡口深度方向作平移运动，坡口宽度方向的运动则由机头自带的旋转和摆动机构实现，图9为工艺评定试验中焊接时动作示意图；
工艺评定试验采用的试板尺寸为800mm×400mm×177.8mm，焊接顺序如下：焊前预热(预热温度为160±10℃)→正面施焊3～4层(累计焊层厚度约15mm，层间温度为180±10℃)→背面清根(清根深度至正面打底层)→背面施焊至坡口两侧焊层厚度基本相同→两侧对称施焊直至结束→消氢处理(加热温度为250±50℃，保温2h)。焊接过程中控制焊层厚度h＝3.0～3.5mm。焊接规范参见表4；
表4
工艺评定试验共焊了50层，正面24层，背面26层，图10为工艺评定试验中焊接得到的接头宏观形貌图；焊后72h进行超声波和磁粉探伤合格，参照国家标准GB/T2650-2008沿板厚t/4和t/2位置处制备冲击试样，缺口分别位于焊缝中心、熔合线+1mm和熔合线+5mm。-40℃夏比V型缺口冲击试验结果示于表5。
表5
从表5可以看出，全厚度高品质海洋工程特厚板NG-GMAW接头不同部位的低温冲击韧性满足ABS船级社的技术指标(≥46J@-40℃)，尤其是临近焊缝的熔合线+1mm的最低冲击吸收功为95.4J@-40℃，远远高于热模拟试样CGHAZ(1-1#)和CG2-CG1HAZ(2-1#)的～40J@-40℃。
综上所述，本实施例围绕高品质海洋工程特厚板粗晶热影响区组织与性能的调控，通过获取特厚板真实的受热过程中形成的母材热影响区及对应的形成温度区间，采用窄间隙焊接温度场的测量方法分别获取焊接热循环曲线，在电阻加热式热模拟试验机的系统上生成与真实的受热过程相匹配的模拟温度曲线、并分别模拟试验，找出热循环参数对试验钢HAZ不同微区的影响规律，最后通过绘制先焊层单层单道接头母材热影响区的各区分布和宽度的占比图，以及绘制多层单道头原微区演变示意图，计算多层单道头原微区演变示意图中焊层数及每个焊层的厚度，找出降低乃至消除原CGHAZ的举措，即利用后焊层对先焊层的正火、不完全正火和回火作用，使得过热粗晶区的淬硬和脆化程度被有效改善，接头综合力学性能满足工程要求。
Claims (6)
1.一种优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：该优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法具体按照以下步骤进行：
一、以高强韧特厚板的板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行板材宽度方向；
二、采用窄间隙焊接温度场的测量方法，分别获取高强韧特厚板的电弧焊接头母材热影响区的过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线；
三、在电阻加热式热模拟试验机的系统上选择厚板模型，生成4条模拟热循环曲线，并编辑热循环参数，使4条模拟温度曲线分别与步骤二中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的焊接热循环曲线保持一致；
四、取4个步骤一制备的热模拟试样，安装在电阻加热式热模拟试验机上，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对热模拟试样进行加热，然后获取加热后的热模拟试样的冲击吸收功、侧膨胀值和显微硬度，找出冲击吸收功损失大于20％、侧膨胀值降低大于50％且显微硬度大于380HV5的热模拟试样，作为韧性恶化样；韧性恶化样对应的母材热影响区为韧性恶化区，韧性恶化样对应的形成温度区间即为韧性恶化区形成温度区间；
五、在电阻加热式热模拟试验机上，取4个步骤一得到的热模拟试样并进行一次加热，一次加热时选取韧性恶化样对应的模拟温度曲线，一次加热完成后待温度降低至层间温度后，分别以步骤三得到的4条模拟温度曲线为条件对4个一次加热后的热模拟试样进行二次加热，二次加热后测量并找出冲击吸收功和侧膨胀值提高的试样，该试样作为韧性改善样，韧性改善样对应的母材热影响区为韧性改善区，韧性改善样对应的形成温度区间即为韧性改善区形成温度区间；
六、取两块高强韧特厚板，采用窄间隙熔化极气体保护焊工艺对两块高强韧特厚板进行单层单道焊接，得到先焊层单层单道头，在金相显微镜下找出先焊层单层单道接头中过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区的分布和宽度占比，并按照1:1的比例描绘出过热粗晶区、正火细晶区、完全正火区和回火区之间的分界线和焊层分界线，得到占比图；
七、重复将步骤六得到的占比图沿焊缝高度方向逐个叠加，使相邻的占比图中较上的占比图中韧性改善区形成温度区间的高温界线与较下的占比图中韧性恶化区形成温度区间的高温界线相切，直至最下层的单层单道接头的韧性恶化区全部被后叠加的占比图中韧性改善区覆盖，得到多层单道头原微区演变示意图，计算多层单道头原微区演变示意图中焊层数及每个焊层的厚度，参照焊层数及每个焊层的厚度进行施焊，得到多层单道头接头，施焊后测试先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度，如显微硬度大于380HV5则逐次提高每个焊层的厚度至先焊层单层单道接头的韧性恶化区的显微硬度小于380HV5，每次焊层的厚度的提高量为0.5mm。
2.根据权利要求1所述的优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：步骤二所述过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；正火细晶区的形成温度为900～1200℃；完全正火区的形成温度为750～900℃；回火区的形成温度为550～750℃。
3.根据权利要求1所述的优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：步骤三所述热循环参数包括主峰温度、次峰温度、波谷温度、波谷→波峰升温时间和波峰→波谷降温时间。
4.根据权利要求1所述的优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：步骤三所述电阻加热式热模拟试验机为Gleeble-1500D、Gleeble-3500或Gleeble-3800；所述厚板模型为Rykalin-3D。
5.根据权利要求1所述的优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：步骤五所述二次加热后得到的试样分别对应的母材热影响区的4个部位分别为：二次过热粗晶区、细晶再热粗晶区、介临界再热粗晶区和亚临界再热粗晶区；二次过热粗晶区的形成温度为1200～1540℃；细晶再热粗晶区的形成温度为900～1200℃；介临界再热粗晶区的形成温度为750～900℃；亚临界再热粗晶区的形成温度为550～750℃。
6.根据权利要求1所述的优化高强韧特厚板粗晶热影响区组织与性能的方法，其特征在于：步骤五所述层间温度的计算公式为：Tp＝350(Ceq-0.25)1/2；公式中Tp为层间温度，Ceq为碳当量，Ceq＝(1+0.005t)[C+(Mn+Cr)/9+Ni/18+7Mo/90]，其中t为实际板厚，单位为mm；C、Mn、Cr、N、Mo表示该元素在钢中的质量百分含量。
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