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当今加快开发利用海洋资源是中国重要的战略方向，在此背景下，海洋工程用钢的研发制造水平不断进步，向着高强、高韧、易焊接、大规格、耐低温和耐腐蚀等方面发展[1-3].海工钢的应用离不开相应的焊接技术及焊接材料，焊接接头的可靠性对海洋工程构件的安全性至关重要，高强高韧海工钢焊接存在的主要问题是如何在保证焊缝金属具有较高强度的条件下保持较好的低温韧性，对于海工钢焊接接头，由于焊缝为铸态组织，未经过控轧控冷工艺，低温韧性差的问题更加突出[4-5].由于海工钢焊接结构难以通过接头变形的措施来改善接头性能，优化焊缝金属合金成分及利用焊后热处理作用优化焊缝组织是获得高强韧焊缝金属的重要途径[6-8].
目前针对微合金元素对铸态组织焊缝性能影响的研究还比较少，文中以高强高韧海工钢焊材为研究对象，设计了不同微合金元素V含量的焊材，制备了相应的熔敷金属并进行了不同温度的焊后回火处理，之后对不同熔敷金属进行了组织及力学性能测试，分析了熔敷金属中V含量及焊后回火工艺对熔敷金属组织和性能的影响，研究了析出相的析出机制及焊缝金属组织性能控制机制，研究结果能为高强高韧海工钢焊材合金成分优化设计和焊缝组织性能控制提供理论参考和实际指导.
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焊接试板母材为785 MPa级高强钢板，尺寸为350 mm × 100 mm × 12 mm，焊接材料为自行研制的4种不同V含量的焊丝，母材及焊材化学成分如表1所示，采用钨极氩弧焊工艺(TIG)，焊接接头形式如图1所示，焊接电流为180 A，焊接电压为14 V，钨极尺寸为ϕ3.2 mm，Ar气流量为15 L/min，焊接速度为0.1 m/min，层间温度为100 ~ 200 ℃.焊后对4种焊丝熔敷金属进行640 ℃保温2 h的焊后回火处理，从焊态及回火态条件不同成分熔敷金属上取样进行熔敷金属微观组织分析，试样经研磨、抛光，及用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，采用光学显微镜观察熔敷金属的金相组织，采用透射电镜分析熔敷金属中析出相类型，采用X射线衍射仪观察电解抛光后试样，分析焊后回火处理对熔敷金属内位错密度的影响.对不同成分焊态及回火态熔敷金属进行拉伸性能及−60 ℃V形缺口冲击性能测试，分析焊丝成分及回火处理对熔敷金属拉伸及冲击性能的影响，冲击试验后使用扫描电镜观察冲击试样断口形貌.
表 1 母材及焊材化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical compositions of base metal and welding wires
材料 C Si Mn Ni Cr Mo V 母材 0.15 0.30 1.40 4.20 0.80 0.60 <0.01 焊丝V0.00 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 <0.01 焊丝V0.10 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.10 焊丝V0.15 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.15 焊丝V0.20 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.20 
图 1 焊接接头示意图(mm)
Figure 1. Schematic illustration of the welded joint
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使用金相显微镜观察焊态及回火态(640 ℃保温2 h)不同V含量熔敷金属微观组织，如图2和图3所示.由图2可知，焊态下，不同V含量熔敷金属均为贝氏体组织，且V含量变化对熔敷金属组织无明显影响，经回火处理后(图3)，熔敷金属内可明显观察到有碳化物析出，但V含量变化对回火后熔敷金属金相组织并无明显影响.回火后不同V含量熔敷金属透射电镜照片如图4所示，由图可知，对于不含V的熔敷金属，回火后在晶界处会析出M2C碳化物，而对于不同V含量的熔敷金属，回火后熔敷金属内观察到弥散分布的VC析出相，且随着V含量的增加，VC的量增加，M2C及VC的析出均会在一定程度上提高熔敷金属强度，降低其韧塑性.
图 2 焊态熔敷金属微观组织
Figure 2. Microstructure of as-welded weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
图 3 回火态熔敷金属微观组织
Figure 3. Microstructure of as-tempered weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
图 4 回火态熔敷金属透射电镜照片
Figure 4. TEM images of as-tempered weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
使用X射线方法分析熔敷金属内位错密度的原理是，由于位错存在，将引起晶格畸变，造成晶面间距的变化，进而引起X射线衍射峰宽化，而衍射峰宽化可以用微应变来描述，通过X射线分析可得到不同条件熔敷金属的微应变，再根据式(1)可计算熔敷金属中的位错密度[9].
$$\rho = 14.4\frac{{{e^2}}}{{{b^2}}}$$ (1) 式中：ρ为位错密度；e为微应变；b为柏氏矢量(0.25 nm).
根据X射线衍射分析结果计算焊态及回火态(640 ℃保温2 h)条件下不含V(V0.00)及含0.20%V(V0.20)熔敷金属位错密度，如表2所示，由表可知焊态及回火态下不含V(V0.00)，熔敷金属内位错密度均低于含0.20%V(V0.20)熔敷金属，且经640 ℃保温2 h回火处理后，熔敷金属内位错密度均降低，这说明焊态时固溶V会引起晶格畸变，导致位错密度增加，而回火过程中析出的细小VC均具有阻碍位错运动的作用，抑制了位错回复，导致含V熔敷金属回火后仍保留较高的位错密度，这将在一定程度上提高熔敷金属强度，降低其韧塑性.
表 2 微应变及位错密度
Table 2. Microstrain and austenite volume fraction
熔敷金属 微应变e 位错密度ρ/nm−2 焊态V0.00 0.24 13.30 焊态V0.20 0.30 20.80 回火态V0.00 0.17 7.10 回火态V0.20 0.24 12.90 -
焊态及回火态(640 ℃保温2 h)条件下不同V含量熔敷金属力学性能如图5所示，由图可知，焊态及回火态条件下，随着V含量的增加，熔敷金属的屈服，及抗拉强度增加，断后伸长率及−60 ℃冲击吸收能量降低，且回火处理降低熔敷金属屈服及抗拉强度，但提高其断后伸长率及冲击吸收能量. 这是由于熔敷金属力学性能的变化取决于其微观组织的改变，焊态下，固溶的V起到固溶强化作用，V含量增加，固溶强化作用增强，导致随着V含量增加，强度升高，韧塑性降低.回火态下，不含V熔敷金属内析出M2C碳化物，而含V熔敷金属内析出VC，且随着V含量的增加VC的量增加，导致回火态下V含量增加，强度升高，韧塑性降低.此外，经回火处理后，一方面，M2C及VC的析出将提高熔敷金属的强度，同时恶化其韧塑性，另一方面，回火过程中将发生位错回复，使基体软化，这将降低熔敷金属的强度，同时改善其韧塑性，在640 ℃回火条件下，位错回复发生基体软化的作用要高于M2C及VC的析出强化作用，因此在这两者的综合作用下，回火处理降低了熔敷金属屈服强度及抗拉强度，提高了其断后伸长率及冲击吸收能量[10-11].
图 5 焊态及回火态条件下不同V含量熔敷金属力学性能
Figure 5. Mechanical properties of the as-welded and as-tempered weld metal with different V contents. (a) yield strength; (b) tensile strength; (c) elongation; (d) −60 ℃ impact absorption energy
使用扫描电镜观察焊态及回火态(640 ℃保温2 h)条件下不含V(V0.00)及含0.20%V(V0.20)熔敷金属−60 ℃冲击断口宏观及微观形貌，如图6和图7所示，由图6a和7a可知，焊态下不含V熔敷金属冲击断口上不存在结晶区，全部为韧窝型断口形貌，而焊态下含0.20%V(V0.20)熔敷金属冲击断口上存在明显的结晶区，该区域为脆性的解理断口形貌，如图6b和7b所示，因此焊态下含V熔敷金属的冲击性能低于不含V熔敷金属.经640 ℃保温2 h回火处理后，由于位错回复引起组织软化，导致不含V(V0.00)及含0.20%V(V0.20)熔敷金属−60 ℃冲击断口上均未出现结晶区，全部为韧窝型断口形貌，韧性与焊态相比有所改善，如图6c，6d，7c及7d所示.
图 6 熔敷金属−60 ℃冲击断口宏观形貌
Figure 6. SEM macro fractographs of −60 ℃ impact specimens for weld metals. (a) as-welded V0.00; (b) as-welded V0.20; (c) tempering state V0.00; (d) tempering state V0.20
图 7 熔敷金属−60 ℃冲击断口微观形貌
Figure 7. SEM micro fractographs of −60 ℃ impact specimens for weld metals. (a) as-welded V0.00; (b) as-welded V0.20; (c) tempering state V0.00; (d) tempering state V0.20
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(1)使用钨极氩弧焊方法制备不同V含量熔敷金属并进行焊后回火处理，焊态及焊后回火态条件下，随着V含量的增加，熔敷金属屈服和抗拉强度升高，断后伸长率和冲击吸收能量降低.
(2)经回火处理后，不含V熔敷金属内晶界处析出M2C碳化物，而V熔敷金属内析出弥散分布的VC析出相，且随着V含量的增加，VC析出量增多.
(3)焊后回火过程中，一方面发生位错回复引起基体软化，另一方面析出M2C及弥散分布的细小VC导致基体析出强化，在这两者的综合作用下，回火处理后，熔敷金属强度降低，断后伸长率及冲击吸收能量升高.
(4)焊态下，不含V熔敷金属冲击断口全部为韧窝型断口形貌，而含0.20%V熔敷金属冲击断口上存在明显的结晶区，该区域为脆性的解理断口形貌，回火处理后，不含V及含0.20%V熔敷金属冲击断口上均全部为韧窝型断口形貌，韧性与焊态相比有所改善.
(5)含V熔敷金属回火过程中析出的细小VC具有阻碍位错运动的作用，导致回火后含V熔敷金属仍保留较高的位错密度.实际应用中应根据熔敷金属性能要求合理选择V含量及焊后回火工艺.
Effect of V content and tempering treatment on microstructure and mechanical properties of the high strength steel TIG weld metal
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摘要: 采用四种不同V含量焊丝对高强钢板进行钨极氩弧焊试验，焊后对熔敷金属进行640 ℃保温2 h的回火处理. 研究了V含量和回火处理对熔敷金属微观组织及力学性能的影响. 结果表明，焊态及焊后回火态条件下，随着V含量的增加，熔敷金属强度升高，延伸率和冲击功降低，经回火处理后，不含V熔敷金属内晶界处析出M2C碳化物，而含V熔敷金属内析出弥散分布的VC析出相，焊后回火过程中位错回复引起基体软化的作用高于M2C及VC的析出强化作用，导致回火后强度降低，断后伸长率冲击吸收能量升高. 细小VC具有阻碍位错运动的作用，导致回火后含V熔敷金属仍保留较高的位错密度. 实际应用中应根据熔敷金属性能要求合理选择V含量及焊后回火工艺.Abstract: Four kinds of welding wires with different V contents were used to weld the high strength steel plates by tungsten inert gas welding method. After welding, the weld metals of different welding wires were tempered at 640 ℃ for 2 h. The effects of V content and tempering treatment on microstructure and mechanical properties of weld metal were studied. The results show that for the as-welded and as-tempered weld metals, with the increase of V content, the strength increases and the elongation and impact energy decrease. Furthermore, after tempering treatment, M2C carbide precipitated at the grain boundary of the V-free weld metal, while VC precipitated in V-bearing weld metals. During the post weld tempering process, the effect of dislocation recovery on matrix softening is stronger than precipitation strengthening of M2C and VC. Therefore, under the combined effects of the two factors, the tempering treatment decreases the strength and improves the elongation and impact energy. The dispersed VC precipitates have the effect of hindering dislocation movement, which causes that the V-bearing weld metal retains high dislocation density after tempering. In practical application, V content and post weld tempering process should be selected reasonably according to the performance requirements of weld metal.
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Key words:
- high strength steel /
- weld metal /
- post weld heat treatment /
- microstructure /
- mechanical property
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图 2 焊态熔敷金属微观组织
Figure 2. Microstructure of as-welded weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
图 3 回火态熔敷金属微观组织
Figure 3. Microstructure of as-tempered weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
图 4 回火态熔敷金属透射电镜照片
Figure 4. TEM images of as-tempered weld metal. (a) V0.0; (b) V0.1; (c) V0.2
图 5 焊态及回火态条件下不同V含量熔敷金属力学性能
Figure 5. Mechanical properties of the as-welded and as-tempered weld metal with different V contents. (a) yield strength; (b) tensile strength; (c) elongation; (d) −60 ℃ impact absorption energy
图 6 熔敷金属−60 ℃冲击断口宏观形貌
Figure 6. SEM macro fractographs of −60 ℃ impact specimens for weld metals. (a) as-welded V0.00; (b) as-welded V0.20; (c) tempering state V0.00; (d) tempering state V0.20
图 7 熔敷金属−60 ℃冲击断口微观形貌
Figure 7. SEM micro fractographs of −60 ℃ impact specimens for weld metals. (a) as-welded V0.00; (b) as-welded V0.20; (c) tempering state V0.00; (d) tempering state V0.20
表 1 母材及焊材化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical compositions of base metal and welding wires
材料 C Si Mn Ni Cr Mo V 母材 0.15 0.30 1.40 4.20 0.80 0.60 <0.01 焊丝V0.00 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 <0.01 焊丝V0.10 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.10 焊丝V0.15 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.15 焊丝V0.20 0.03 0.40 1.20 5.50 1.00 0.70 0.20 
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表 2 微应变及位错密度
Table 2. Microstrain and austenite volume fraction
熔敷金属 微应变e 位错密度ρ/nm−2 焊态V0.00 0.24 13.30 焊态V0.20 0.30 20.80 回火态V0.00 0.17 7.10 回火态V0.20 0.24 12.90
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