钛微合金化对高强钢焊接接头局部应变行为的影响机制研究——基于数字图像相关技术的原位分析

本刊推荐：为解决高强低合金(HSLA)钢焊接热影响区(HAZ)软化导致的力学性能劣化问题，研究人员通过数字图像相关性(DIC)技术结合热力学模拟，系统研究了钛(Ti)微合金化对S690QL钢焊接接头局部应变分布的影响。研究发现Ti/N化学计量比对析出相尺寸的调控作用显著影响约束效应，为优化焊接工艺提供了理论依据。

　　

随着现代轻量化钢结构在建筑、海洋工程和移动起重机等领域的广泛应用，屈服强度≥600 MPa的高强低合金(HSLA)钢已成为关键基础材料。然而，这类钢材的经济性和生态效益高度依赖其焊接工艺性。焊接过程中，热影响区(HAZ)会因复杂的冶金反应出现显著软化或硬化现象，直接影响接头的力学性能。特别是钛(Ti)、铌(Nb)等微合金元素的添加，虽然能通过析出强化提升基材性能，但其在焊接热循环作用下的行为机制尚不明确，成为制约高强钢焊接技术发展的瓶颈问题。

为揭示Ti微合金化对焊接接头局部力学行为的影响规律，德国联邦材料研究与测试研究所(BAM)的Nina Schroeder团队在《Welding in the World》发表了最新研究成果。研究人员通过气体保护金属极电弧焊(GMAW)制备三层焊缝，结合数字图像相关性(DIC)技术和独创的镜面系统，首次实现了焊接接头正面与根部应变演变的同步监测，为理解HAZ软化机制提供了全新视角。

本研究主要采用以下关键技术方法：1）通过热力学模拟(Thermo-Calc)预测不同Ti含量钢种的析出行为；2）利用超声接触阻抗法(UCI)进行硬度分布测绘；3）采用带镜面系统的DIC技术同步监测接头三向应变；4）通过扫描电镜(SEM)分析微观结构与断口形貌。实验材料为三种S690QL钢（无微合金化、低Ti含量0.016 wt%、高Ti含量0.032 wt%），焊接热输入控制在1 kJ/mm，Δ_t8/5冷却时间为7.8 s。

3.1 基材析出行为的热力学模拟

热力学计算表明（图4），Ti/N化学计量比是控制析出相尺寸的关键参数。低Ti钢(Ti/N=2.25)形成细小的TiN析出相，有效抑制奥氏体晶粒长大；而高Ti钢(Ti/N=4.38)则生成粗大TiN夹杂物，其钉扎效应显著减弱。这种差异直接影响了焊接热循环过程中的晶粒粗化行为。

3.2 软化区微观结构特征

SEM分析显示（图5），多层焊接导致的回火效应使初始贝氏体-马氏体组织完全溶解。高Ti钢的软化区出现大量自回火马氏体(ATM)和碳化物簇，而参考钢则呈现针状大碳化物。微观结构差异表明Ti含量通过改变相组成分布影响软化行为。

3.3 硬度分布规律

UCI硬度测绘结果（图6）显示所有钢种在临界热影响区(SCHAZ)和亚临界热影响区(ICHAZ)均出现软化。参考钢的软化区宽度最小（1.2±0.2 mm），但软化比率最高（28%），而Ti微合金化钢表现出更缓和的硬度梯度。传统的相对软化区厚度判据(X_sz<0.25)在本研究窄坡口焊缝中并不适用。

3.4 接头全局力学性能

横向拉伸试验表明（图8），所有焊接接头的抗拉强度均低于基材，其中参考钢强度降幅达20%，而高Ti钢仅降低10%。尽管X_sz值均低于0.25，但所有试样均断裂于软化区，证明窄坡口焊缝的约束效应弱于常规宽焊缝。

3.5 冲击韧性变化

-40℃冲击试验显示，高Ti钢基材的冲击功仅11 J，远低于标准要求的27 J，这与粗大TiN夹杂物的裂纹萌生作用直接相关。而焊接后HAZ区域的冲击韧性显著提升，高Ti钢的冲击功增幅达6倍，表明软化现象对改善低温韧性具有积极作用。

3.6 局部应变演化机制

DIC应变分析（图10-11）揭示了关键现象：Ti微合金化钢在HAZ区域的局部主应变(ε_y)比参考钢高11-35%。高Ti钢在断裂前的局部应变高达90%，且应变分布呈现典型的约束效应特征——软化区与强化区之间的应变梯度变化证实了冶金异质性对载荷重分布的影响。

本研究通过多尺度实验分析，明确了Ti微合金化对HSLA钢焊接接头性能的影响机制：首先，Ti/N化学计量比决定析出相尺寸分布，进而影响奥氏体晶粒粗化抗力和钉扎效应；其次，多层焊接引起的回火软化程度受微合金元素抑制，其中高Ti钢因碳化物簇和ATM的均匀分布表现出更优的应变协调能力；最后，窄坡口焊缝的几何特征会削弱约束效应，导致传统X_sz判据失效。

该研究的创新价值在于：首次通过三向DIC应变监测揭示了焊接接头不同区域间的力学相互作用，为建立考虑焊缝几何特征的强度预测模型提供了实验依据。研究成果对优化高强钢焊接工艺、制定微合金化设计策略具有重要指导意义，特别是在承受动态载荷的工程结构（如风电塔筒、移动起重机臂架）的安全评估方面具有直接应用价值。