Effect of Heat Input on Heat-affected Organization and Low-Temperature Impact Toughness of 900 MPa grade HSLA

AN Tongbang; ZHI Xiaojie; ZUO Yue; CAO Zhilong; WANG Cheng; MA Chengyong

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.11.10

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Effect of Heat Input on Heat-affected Organization and Low-Temperature Impact Toughness of 900 MPa grade HSLA
Vol. 55, Issue 11, Pages: 72-81(2025)
Received：28 October 2024，

Revised：2025-04-10，

Published：20 November 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.11.10
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安同邦，支晓洁，左月，等.热输入对900 MPa级HSLA钢热影响组织和低温冲击韧性的影响［J］.电焊机，2025，55（11）：72-81. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.11.10.

AN Tongbang, ZHI Xiaojie , ZUO Yue , et al.Effect of Heat Input on Heat-affected Organization and Low-Temperature Impact Toughness of 900 MPa grade HSLA[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(11): 72-81. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.11.10.

摘要

为解决900 MPa级低合金高强钢（HSLA）焊接接头热影响区组织不均匀与低温冲击韧性不足的工程难题，针对工程机械用该钢种的MAG接头，探讨了不同热输入对HAZ显微组织、晶界特性及低温冲击韧性的影响。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及电子背散射衍射（EBSD）等分析方法，对HAZ内的板条马氏体（LM）、板条贝氏体（LB）、粒状贝氏体（GB）及残余奥氏体的组织演变进行了观察和分析。结果表明，随着热输入从12 kJ/cm增加至21 kJ/cm，HAZ内贝氏体含量逐渐增加，奥氏体晶粒逐渐粗化，板条结构由平行分布向交织分布转变，残余奥氏体含量随之增加，且热输入达较高水平时出现粒状贝氏体；大角度晶界（HAGBs）含量随热输入先增后减，在18 kJ/cm热输入条件下达到峰值，有效阻碍了裂纹扩展，显著提高了接头的低温冲击韧性。-40 ℃冲击试验显示，焊接接头的低温冲击吸收功随热输入增加先升后降，在热输入为18 kJ/cm时达到峰值，为87.7 J；而在21 kJ/cm条件下，由于晶粒粗化和粒状贝氏体的出现，冲击韧性明显下降。本研究为优化900 MPa级HSLA钢焊接接头的工艺参数及提高其工程应用性能提供了重要参考。

Abstract

To address the engineering challenges of microstructural heterogeneity and insufficient low-temperature impact toughness in the heat-affected zone (HAZ) of 900 MPa grade low-alloy high-strength steel (HSLA) welded joints

this study investigates the effects of different heat inputs on the HAZ microstructure

grain boundary characteristics

and low-temperature impact toughness for MAG joints used in engineering machinery. Analysis methods such as optical microscopy (OM)

scanning electron microscopy (SEM)

transmission electron microscopy (TEM)

and electron backscattered diffraction (EBSD) were employed to observe and analyze the microstructural evolution of lath martensite (LM)

lath bainite (LB)

granular bainite (GB)

and retained austenite within the HAZ. The results show that with increasing heat input from 12 kJ/cm to 21 kJ/cm

the bainite content in the HAZ gradually increases

austenite grains coarsen

the lath structure transitions from parallel to interwoven distribution

and the amount of retained austenite increases. Granular bainite appears when the heat input reaches a higher level. The content of high-angle grain boundaries (HAGBs) first increases and then decreases with heat input

peaking at 18 kJ/cm

effectively hindering crack propagation and significantly improving the joint's low-temperature impact toughness. Impact tests at -40℃ reveal that the low-temperature impact energy absorption of the welded joints first rises and then falls with increasing heat input

peaking at 87.7 J at 18 kJ/cm. However

at 21 kJ/cm

due to grain coarsening and the emergence of granular bainite

the impact toughness noticeably decreases. This study provides important references for optimizing the process parameters of 900 MPa grade HSLA steel welded joints and enhancing their engineering application performance.

关键词

Keywords

references

司子华 . WELDOX960高强钢MAG焊的工艺研究［J］. 航天制造技术， 2012 （ 2 ）： 21 - 24 .

SI Z H . Process study of MAG welding of WELDOX960 high-strength steel ［J］. Aerospace manufacturing technologies ， 2012 （ 2 ）： 21 - 24 .

沈孝芹，李欢欢，于复生，等 . 工程机械用高强钢及其焊接研究现状［J］. 热加工工艺， 2017 ， 46 （ 1 ）： 18 - 22 .

SHEN X J ， LI H H ， YU F S ， et al . High-strength steels for construction machinery and the current status of welding research ［J］. Hot Working Technology ， 2017 ， 46 （ 1 ）： 18 - 22 .

杜锟源 . 矿用液压支架顶梁焊接变形控制措施实践分析［J］. 能源与节能， 2024 （ 10 ）： 286 - 288 .

DU K Y . Practical Analysis of Welding Deformation Control Measures for Mining Hydraulic Bracket Top Beam ［J］. Energy and Energy Conservation ， 2024 （ 10 ）： 286 - 288 .

袁智，蒋庆友，庞振忠 . 我国煤矿智能化综采开采技术装备应用现状与发展思考［J］. 煤炭科学技术， 2024 ， 52 （ 9 ）： 189 - 198 .

YUAN Z ， JIANG Q Y ， PANG Z Z . China's coal mine intelligent synthesis mining technology and equipment application status and development thinking ［J］. Coal Science and Technology ， 2024 ， 52 （ 9 ）： 189 - 198 .

曾道平，安同邦，郑韶先，等 . 热输入对船用440 MPa级低合金高强度钢焊缝组织及性能的影响［J］. 焊接学报， 2023 ， 44 （ 8 ）： 74 - 82+133 .

ZEANG D P ， AN T B ， ZHENG S X ， et al . Effect of heat input on weld organization and properties of marine 440 MPa grade low alloy high strength steel ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2023 ， 44 （ 8 ）： 74 - 82+133 .

周昶，黄乐庆，韩承良，等 . 焊接热输入对S420ML钢焊接接头组织及断裂韧性的影响［J］. 上海金属， 2023 ， 45 （ 6 ）： 12 - 18 .

ZHOU C ， HUANG L Q ， HAN C L ， et al . Effect of Welding Heat Input on Microstructure and Fracture Toughness of S420ML Steel Welded Joints ［J］. Shanghai Metals ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 12 - 18 .

孙琦，李太江，李巍，等 . 焊接热循环峰值温度对1000 MPa级超高强钢热影响区组织性能的影响［J］. 热力发电， 2024 ， 53 （ 4 ）： 165 - 173 .

SUN Q ， LI T J ， LI W ， et al . Effect of Peak Temperature of Welding Thermal Cycle on Microstructure and Properties of Heat-Affected Zone in 1000 MPa Grade Ultra-High Strength Steel ［J］. Thermal Power Generation ， 2024 ， 53 （ 4 ）： 165 - 173 .

Ślęzak T . Welding of S960QL high-strength steel by the manual–automated MAG technique—a study of mechanical properties， residual stresses and fracture mechanisms in the heat-affected zone ［J］. Materials ， 2024 ， 17 （ 23 ）： 5792 .

Ding Q ， Wang T ， Shi Z ， et al . Effect of welding heat input on the microstructure and toughness in simulated CGHAZ of 800 MPa-grade steel for hydropower penstocks ［J］. Metals ， 2017 ， 7 （ 4 ）： 115 .

Qin H ， Qiao Z ， Wu Q ， et al . Microstructure evolution and properties of reheated coarse grain heat-affected zone of 900 MPa grade HSLA steel ［J］. Metallic Materials ， 2020 ， 58 （ 2 ）： 121 - 128 .

Wen C ， Wang Z ， Deng X ， et al . Effect of heat input on the microstructure and mechanical properties of low alloy ultra‐high strength structural steel welded joint ［J］. Steel Research International ， 2018 ， 89 （ 6 ）： 1700500 .

Qi H ， Zhao H ， Pang Q ， et al . Coarse‐grain heat‐affected zone microstructure evolution and crack propagation of Ca‐treated Q550 thick‐steel plate by high‐heat input welding ［J/OL］. Steel Research International ， 2024 ： 2400473 . DOI： 10.1002/srin.202400473 http://dx.doi.org/10.1002/srin.202400473 .

Dong H ， Hao X ， Deng D . Effect of welding heat input on microstructure and mechanical properties of HSLA steel joint ［J］. Metallography，Microstructure，and Analysis ， 2014 ， 3 （ 2 ）： 138 - 146 .

Yang D X ， Sun Y F . Thermal simulation study of 900 MPa grade high-strength low alloy steel in welding procedures ［J］. Materials Science Forum ， 2011 ， 704-705 ： 1128 - 1132 .

Mao G ， Cayron C ， Mao X ， et al . Morphological and Crystallographic Characteristics of α Structure in a Low-Carbon Iron-Nickel Alloy ［J］. Crystals ， 2018 ， 8 （ 12 ）： 468 .

汪春民，刘文明，段永军，等 . 热输入对800 MPa级水电高强钢埋弧焊力学性能及微观组织的影响［J］. 焊接技术， 2024 ， 53 （ 8 ）： 49 - 52 .

WANG C M ， LIU W M ， DUAN Y J ， et al . Effect of heat input on mechanical properties and microstructure of submerged arc welding of 800 MPa grade hydroelectric high-strength steel ［J］. Welding Technology ， 2024 ， 53 （ 8 ）： 49 - 52 .

Barrick E J ， Jain D ， DuPont J N ， et al . Effects of Heating and Cooling Rates on Phase Transformations in 10 Wt Pct Ni Steel and Their Application to Gas Tungsten Arc Welding ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 2017 ， 48 （ 12 ）： 5890 - 5910 .

Wang H B ， Wang F L ， Shi G H ， et al . Effect of welding heat input on microstructure and impact toughness in CGHAZ of X100Q steel ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2019 ， 26 （ 6 ）： 637 - 646 .

Liu C ， Zhao Z B ， Northwood D O . Mechanical properties of heat affected zone in bainitic high strength low alloy steel ［J］. Materials Science and Technology ， 2002 ， 18 （ 11 ）： 1325 - 1328 .

Lei X ， Dong S ， Huang J ， et al . Phase evolution and mechanical properties of coarse-grained heat affected zone of a Cu-free high strength low alloy hull structure steel ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2018 ， 718 ： 437 - 448 ..

Furuhara T ， Kawata H ， Morito S ， et al . Crystallography of upper bainite in Fe-Ni-C alloys ［J］. Materials Science & Engineering A ， 2006 ， 431 （ 1/2 ）： 228 - 236 .

Choudhury B ， Singh V ， Selvarajan L ， et al . Synergic investigation of microstructure，precipitation，and micro-segregation on Inconel 825 weldments： A comparative study between GTAW and EBW ［J］. Materials Chemistry and Physics ， 2024 ， 318 ： 129249 .

Zhou Y ， Chen S ， Chen X ， et al . The evolution of bainite and mechanical properties of direct laser deposition 12CrNi2 alloy steel at different laser power ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2019 ， 742 ： 150 - 161 .

王博士，陈楠楠，蔡艳，等 . 低合金贝氏体高强钢模拟焊接粗晶热影响区低温疲劳韧脆转变行为及机制［J］. 机械工程学报， 2024 ， 60 （ 06 ）： 271 - 278 .

WANG B S ， CHEN N N ， CAI Y ， et al . Low Temperature Fatigue Brittle-Ductile Transition Behavior and Mechanism in Simulated Welding Coarse-Grained Heat-Affected Zone of Low-Alloy Bainitic High-Strength Steel ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2024 ， 60 （ 06 ）： 271 - 278 .

Yang Y ， Liu Y ， Wei Z ， et al . Microstructure characteristics and mechanical performances of the dissimilar welded joint of Q&P980 and Q&P1180 steels subjected to the paint-baking heat treatment ［J］. Materials Characterization ， 2024 ， 207 ： 113473 .

李静，曹睿，毛高军，等 . 不同热输入下F460钢焊接粗晶热影响区韧脆转变的内在机理［J］. 材料工程， 2016 ， 44 （ 8 ）： 70 - 76 .

LI J ， CAO R ， MAO G J ， et al . Intrinsic mechanism of tough-brittle transition in the welded coarse-grained heat-affected zone of F460 steel under different heat inputs ［J］. Materials Engineering ， 2016 ， 44 （ 8 ）： 70 - 76 .

王艳杰，赵琳，彭云，等 . 中锰汽车钢焊接热影响区组织与韧性［J］. 机械工程学报， 2022 ， 58 （ 24 ）： 84 - 93 .

WANG Y J ， ZHAO L ， PENG Y ， et al . Organization and toughness of weld heat affected zone of medium manganese automotive steels ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2022 ， 58 （ 24 ）： 84 - 93 .

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