400MPa级超级钢激光焊接及其焊接性研究

【摘要】： 超级钢的主要特征是高洁净度和超细晶粒组织，在不增加任何合金元素的情况下，其强度、韧性和使用寿命提高一倍。它的研究开发代表了当今国际上科技发展的一个重要方向，符合中国国情和社会可持续发展的战略。而能否解决超级钢的焊接问题，是该钢种成败的关键之一。所以，对其焊接性的研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。 激光焊接是实现超级钢高质量焊接的重要手段，本文作者在研究激光焊接热循环特征的基础上，对400MPa级超级钢焊接接头晶粒长大与组织转变规律进行了深入研究；着重分析了洁净度、晶粒尺寸及显微组织对焊接接头力学性能的综合影响，取得了如下主要结果： 1在激光深熔焊接热源模型简化为点热源叠加线热源的基础上提出特征晶粒概念，建立了热影响区原奥氏体晶粒长大的数学模型，该模型的计算结果与实测吻合良好。理论计算和实验研究均证明了：同时具有超细晶粒和高洁净度的400MPa级超级钢在焊接热循环的作用下，接头晶粒长大是不可避免的，而且比普通低碳钢还要严重。采用小线能量焊接，可在一定程度上抑制晶粒长大倾向。 2利用SEM和TEM等手段对激光焊接超级钢接头显微组织进行观察分类，证明焊接接头中包含了低碳马氏体、下贝氏体、上贝氏体、类珠光体、珠光体及铁素体等组织成份。本文定量测定了接头各组织的百分含量随焊接热输入的变化规律。 3. 发现了超级钢激光焊接接头中大量出现的具有良好韧性的类珠光体组织，详细分析了类珠光体组织的形貌、形成条件及其生成机制。理论分析和实验均表明类珠光体的形成与母材的洁净度和焊接冷却速度有密切关系。 4. 实验获得了不同线能量作用下，400MPa级超级钢焊接接头晶粒尺寸，各种组织比例变化对力学性能（强度和韧性）综合影响的定量规律。从中发现的极重要现象是：在相当宽的激光焊接规范范围内，尽管焊缝和热影响区晶粒尺寸已经显著长大，但其强度和冲击韧性仍远高于母材。首次揭示了400MPa级超级钢的焊接中，在一定范围内材料的洁净度比晶粒度对焊接接头韧性的影响更大。 5. 通过实验研究和分析，阐明了控制超级钢母材中 S、Si、Mn含量在抑制焊接接头先共析铁素体和晶界杂质的形成，避免低温冲击沿晶断裂，促使类珠光体组织的产生，提高接头韧性中的重要作用。 总之，本文通过对400MPa级超级钢激光焊接接头晶粒长大、组织转变和力学性能研究，对超级钢的焊接性进行了评价，为焊接性良好的超级钢研究开发和工业应用提供了实验依据和理论基础。