低合金高强钢焊材合金成分的优化
发布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新时间：2016-02-18
低合金高强钢焊缝组织的优化方向是使其生成较多的针状铁素体。研究表明，针状铁素体具有细小的晶粒尺寸和高密度位错，当其含量大于65%，平均板条尺寸约为1μm时，焊缝金属可具有优异的强韧性。
低合金高强钢焊缝组织的优化方向是使其生成较多的针状铁素体。研究表明，针状铁素体具有细小的晶粒尺寸和高密度位错，当其含量大于65%，平均板条尺寸约为1μm时，焊缝金属可具有优异的强韧性。
如何获得上述组织呢？合适的焊材合金成分设计是关键。
1. C。C含量一般控制在0.05%～0.10%，碳当量小于0.39。在这个范围内可生成侧板条铁素体和针状铁素体，焊缝再热区转变为等轴块状铁素体。
2. Mn。Mn对焊缝金属具有细化和硬化两种相反的作用，适当的Mn含量可获得较多的针状铁素体。但过多添加Mn，则会使得贝氏体的晶界形核率高于针状铁素体晶内形核率，使焊缝硬度增加。Mn含量一般控制在0.6～1.8%。
3. Cr。随着焊缝金属中Cr含量增加，针状铁素体数量增加，焊缝微观组织得到细化，柱状区和粗晶区中先共析铁素体减少。冲击韧性随着Cu含量增加而降低，随Cr含量的增加而增加。Cr含量一般在0.9～1.0%。
4. Ti。获得最优组织和冲击性能组合的Ti含量范围为0.02%～0.05%。研究表明，当焊缝金属中Ti含量为0.014%～0.048%时，Q235板材焊缝组织主要由等轴铁素体和针状铁素体组成，随着Ti含量的增加，针状铁素体含量增加且长度减少，焊缝金属韧性提高，这是由于焊缝金属中Ti含量高于Al含量后，生成TiO2夹杂，有利于针状铁素体的形核。
5. B。实验表明，当B含量在0.0032%～0.0103%之间时，针状铁素体随B含量的增加而减少，冲击能显著降低，这是B导致共析温度的降低的缘故。但是，如向焊丝中添加较高的Ti，且保证较低的碱度，并当焊缝金属中硼氮比(B/N)在0.6～0.8的范围内时，则可以生成有利于针状铁素体形核的含Ti氧化物夹杂，焊缝金属可获得较高的冲击韧性值；如B/N高于0.8，则冲击韧性降低。B含量一般控制在0.003～0.006%。
6. O。O是焊缝金属中限制性杂质元素。焊缝金属中常加入Al，Mg等强还原剂来脱氧固氮，然而容易生成多边形的AlN脆性夹杂物，严重损害焊缝金属的低温韧性。有文献提出通过向药芯中加入适量LiF，会在电弧区与N生成Li3N，从而显著降低焊缝金属中N含量，减少AlN有害夹杂数量。也有观点认为，N与V沉淀生成V(C，N)相可促进针状铁素体形核。还有文献指出，药芯中添加适量Fe2O3、MnO2等，虽然提高了焊缝金属中O含量，但生成了以Al2O3为主的圆形夹杂，仍有利于得到以针状铁素体为主的焊缝组织。一般认为，在Al/O = 0.45限度内，低合金钢焊缝金属中适当提高Al/O比可促使产生较多的0.2～0.8μm尺寸的夹杂物，促进针状铁素体形核，从而对韧性有利。
7. S。S也是焊缝金属中限制性杂质元素，但含有少量Mn和Cu的FeS颗粒对针状铁素体形核有效。
此外，夹杂物尺寸和形态的控制也非常重要。一般认为，主要由MnS和其它非晶相组成的、尺寸为0.5～0.8μm，表面有TiO薄层的球形颗粒对针状铁素体形核最为有利。
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