低合金高強(qiáng)鋼焊縫組織的優(yōu)化方向是使其生成較多的針狀鐵素體。研究表明，針狀鐵素體具有細(xì)小的晶粒尺寸和高密度位錯，當(dāng)其含量大于65%，平均板條尺寸約為1μm時，焊縫金屬可具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性。
如何獲得上述組織呢？合適的焊材合金成分設(shè)計是關(guān)鍵。
1. C。C含量一般控制在0.05%～0.10%，碳當(dāng)量小于0.39。在這個范圍內(nèi)可生成側(cè)板條鐵素體和針狀鐵素體，焊縫再熱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S塊狀鐵素體。
2. Mn。Mn對焊縫金屬具有細(xì)化和硬化兩種相反的作用，適當(dāng)?shù)腗n含量可獲得較多的針狀鐵素體。但過多添加Mn，則會使得貝氏體的晶界形核率高于針狀鐵素體晶內(nèi)形核率，使焊縫硬度增加。Mn含量一般控制在0.6～1.8%。
3. Cr。隨著焊縫金屬中Cr含量增加，針狀鐵素體數(shù)量增加，焊縫微觀組織得到細(xì)化，柱狀區(qū)和粗晶區(qū)中先共析鐵素體減少。沖擊韌性隨著Cu含量增加而降低，隨Cr含量的增加而增加。Cr含量一般在0.9～1.0%。
4. Ti。獲得most優(yōu)組織和沖擊性能組合的Ti含量范圍為0.02%～0.05%。研究表明，當(dāng)焊縫金屬中Ti含量為0.014%～0.048%時，Q235板材焊縫組織主要由等軸鐵素體和針狀鐵素體組成，隨著Ti含量的增加，針狀鐵素體含量增加且長度減少，焊縫金屬韌性提高，這是由于焊縫金屬中Ti含量高于Al含量后，生成TiO2夾雜，有利于針狀鐵素體的形核。
5. B。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)B含量在0.0032%～0.0103%之間時，針狀鐵素體隨B含量的增加而減少，沖擊能顯著降低，這是B導(dǎo)致共析溫度的降低的緣故。但是，如向焊絲中添加較高的Ti，且保證較低的堿度，并當(dāng)焊縫金屬中硼氮比(B/N)在0.6～0.8的范圍內(nèi)時，則可以生成有利于針狀鐵素體形核的含Ti氧化物夾雜，焊縫金屬可獲得較高的沖擊韌性值；如B/N高于0.8，則沖擊韌性降低。B含量一般控制在0.003～0.006%。
6. O。O是焊縫金屬中限制性雜質(zhì)元素。焊縫金屬中常加入Al，Mg等強(qiáng)還原劑來脫氧固氮，然而容易生成多邊形的AlN脆性夾雜物，嚴(yán)重?fù)p害焊縫金屬的低溫韌性。有文獻(xiàn)提出通過向藥芯中加入適量LiF，會在電弧區(qū)與N生成Li3N，從而顯著降低焊縫金屬中N含量，減少AlN有害夾雜數(shù)量。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，N與V沉淀生成V(C，N)相可促進(jìn)針狀鐵素體形核。還有文獻(xiàn)指出，藥芯中添加適量Fe2O3、MnO2等，雖然提高了焊縫金屬中O含量，但生成了以Al2O3為主的圓形夾雜，仍有利于得到以針狀鐵素體為主的焊縫組織。一般認(rèn)為，在Al/O = 0.45限度內(nèi)，低合金鋼焊縫金屬中適當(dāng)提高Al/O比可促使產(chǎn)生較多的0.2～0.8μm尺寸的夾雜物，促進(jìn)針狀鐵素體形核，從而對韌性有利。
7. S。S也是焊縫金屬中限制性雜質(zhì)元素，但含有少量Mn和Cu的FeS顆粒對針狀鐵素體形核有效。
此外，夾雜物尺寸和形態(tài)的控制也非常重要。一般認(rèn)為，主要由MnS和其它非晶相組成的、尺寸為0.5～0.8μm，表面有TiO薄層的球形顆粒對針狀鐵素體形核most為有利。
