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本文的研究目的是开发出一种420MPa级海洋工程用钢的配套埋弧焊丝(合作企业产品编号TM13),要求其能在大热输入下获得具有优良低温韧性的焊接接头。根据海洋工程用钢的使用要求,考虑到低合金钢焊缝组织特点及其对焊缝性能的影响,选择以针状铁素体为韧化相的焊缝组织形式。在此基础上,通过分析合金元素在焊缝金属中的作用和强韧化机理,选择Mn-Ni-Si-Ti-B作为TM13埋弧焊丝合金系,研制开发出高韧性TM13埋弧焊丝。用所研制的TM13焊丝匹配不同碱度的焊剂进行熔敷金属试验。结果表明,TM13焊丝匹配高碱度TMF105焊剂时,其熔敷金属显微组织主要由针状铁素体和少量先共析铁素体组成,熔敷金属具有优良的强韧性。在进行埋弧焊丝成分设计时,探究了Mn、Ni含量对低合金高强钢焊缝金属显微组织和力学性能的影响。试验结果表明,Mn和Ni的作用都是促进针状铁素体的生成并抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成,焊缝中0.6~0.9%Mn匹配2.5~3.5%Ni时具有最佳的强韧特性,熔敷金属中锰、镍含量超出这一范围,将会促使分离组织、珠光体和粒状贝氏体的形成,进而破坏熔敷金属的低温韧性。采用TM13焊丝匹配TMF105焊剂,在15~42 k J·cm-1的热输入下都可以获得具有良好低温冲击韧性的焊缝金属。焊缝金属的显微组织主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和少量珠光体组成。随着热输入的增加,焊缝中的先共析铁素体含量增加,针状铁素体开始粗化,并且在原奥氏体晶界处析出的碳化物含量增加。采用TM13焊丝匹配TMF105焊剂在22 kJ·cm-1和32 k J·cm-1热输入下进行厚板对接,并对焊缝金属进行了CTOD试验和冲击试验。结果表明,焊缝金属具有优良的强韧性,CTOD特征值均高于1.3mm。焊缝中未受后续焊道焊接热作用的焊缝组织主要以针状铁素体和先共析铁素体为主,而层间相变重结晶区组织主要以细小的块状铁素体和弥散分布的珠光体为主。