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摘要
无头轧制是将首尾两块钢坯焊接起来以实现连续轧制,并提高板材制造产能的关键技术。马氏体不锈钢耐蚀性适中、价格低廉,在现代工业中具有广泛应用,但现有技术条件下存在焊缝韧性不足的问题,无论是电弧焊接还是激光焊接都难以满足其无头轧制的需求。如何提高马氏体不锈钢焊缝韧性,满足轧制要求,扩大其产能一直是焊接领域的重要挑战之一。激光-电弧复合焊接结合了电弧焊接冶金调控能力强和激光焊接热输入小的特点,具有提高马氏体不锈钢焊缝韧性的潜力,但是相关研究尚未开展。为此,本文围绕无头轧制产线的实际需求,开展了AISI420马氏体不锈钢激光-电弧复合焊接关键技术和韧性增强机理研究,主要结果如下。焊缝余高过大影响轧制稳定性和轧辊寿命,是无头轧制焊接生产需要考虑的重要因素。本文基于响应曲面法研究了主要工艺参数对激光-电弧复合焊缝余高的影响规律,基于最小二乘法确定了顶部余高（Rt）、底部余高（Rb）、余高占母材厚度比例（Rp）的二次回归模型,拟合度分别为0.928、0.893、0.965,能够对焊缝余高进行准确的预测。其次,依据无头轧制对余高的指标要求和多目标优化确定了工艺参数范围:当激光功率为4.5kW时,焊接速度2.53.5m/min、送丝速度25m/min。研究了工艺参数和焊丝Ni含量对焊缝组织韧性的影响规律,发现热影响区粗晶区（CGHAZ）由粗大马氏体束和大量碳化物组成,是焊缝韧性最薄弱的部位;激光区是熔合区内韧性薄弱的部位。CGHAZ组织（碳化物含量和晶粒大小）和焊缝杯突韧性有良好的对应关系,且可根据热输入变化分为三个阶段。根据两者的关系,本文提出了CGHAZ有效晶粒直径（De）的概念,并建立了其和焊缝杯突值的Hall-Petch关系:当De小于11μm以后,杯突值大于4.5mm,断裂位置由焊缝转变为母材。在改善CGHAZ韧性的基础上,提高焊丝Ni含量能够提高激光区奥氏体含量,进一步提高焊缝韧性。当焊丝Ni含量由13%增加至20%后,杯突试样断裂位置由熔合线转变为母材,但激光区在45%轧制压下量下开裂;当Ni含量进一步增加至66%后,激光区在45%压下量下轧制的开裂倾向得到抑制。试验结果表明现有仅基于杯突测试判断焊缝满足轧制需求与否的标准不适用于马氏体不锈钢,应在此基础上考虑激光区残余奥氏体含量(CRTA)和马氏体大取向差比例(CHM)。在本文条件下,CRTA和CHM分别应高于11.6%和59.5%。分析认为焊缝韧性增强机制表现为两点:一是残余奥氏体引发DARA效应吸收移动位错,“软化”马氏体,减弱晶界位错塞积诱发的应力集中,阻碍裂纹萌生和扩展;二是具有大取向差角度的马氏体能够增大裂纹扩展阻力,降低裂纹扩展速率,进而提升焊缝韧性。研究了在线感应热处理对焊缝组织韧性的影响规律,得到了焊缝经75%压下量轧制不开裂的热处理参数:加热温度650°C左右和保温时间5s以上。热处理对焊缝轧制韧性的影响以650°C为界分为两段。当加热温度由350°C增加至650°C时,焊缝轧制韧性增强,且仅与逆变奥氏体含量(CRVA)有关。此时,CRVA增加促进了逆变奥氏体对马氏体的软化作用,抑制裂纹萌生,增强焊缝韧性。当温度增加至650°C（保温时间5s）时,CRVA达到24.8%,裂纹完全消失。当加热温度由650°C增加至850°C时,焊缝韧性取决于CRVA和CHM的综合作用。在此阶段,CRVA降低减弱了奥氏体对马氏体的软化作用;CHM降低促进了裂纹萌生,加快了裂纹扩展速率,因此焊缝轧制韧性逐渐降低,并在850°C时出现长度为0.95mm的贯穿性裂纹。探讨了马氏体不锈钢复合焊缝在轧制条件下的组织性能演变规律,发现热处理焊缝可承受75%压下量轧制,未热处理焊缝仅能承受25%压下量轧制。压下量对焊缝组织和加工硬化的影响可分为两个阶段。当压下量不超过25%时,晶粒内部位错增殖形成位错墙引起应力集中,促使奥氏体向马氏体转变,引发加工硬化效应。当压下量大于25%后,形变温度升高增大了奥氏体层错能,并降低了马氏体形核能力;其次,奥氏体内部分位错在多系滑移作用下发生位错反应,降低了位错密度。以上因素综合作用导致马氏体形成速度减慢,加工硬化趋于稳定。
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