Q960高强钢具有较高强度和良好的塑韧性而广泛的应用在压力容器、桥梁、海洋平台等大型结构件中。但钢材在冶炼过程中加入了大量的合金元素而导致具有较大的淬硬性,焊后易出现冷裂纹、热影响区脆化和软化等焊接性问题,尤其是低温冲击韧性达不到要求而限制了在更大的范围内推广使用。自保护药芯焊丝是一种无需外加保护措施即可进行焊接的新型焊接材料,具有抗风能力强、焊接设备简单、适合野外施工等特点,因此可焊接出高质量的焊缝。本文以Fe-Mn-Mo-Cr-Ni为主要合金系,以BaF₂-CaF₂-Al-Mg为基础渣系,研究了焊缝金属中合金元素对组织和力学性能的影响规律和作用机理,并对高强钢焊缝金属强韧化机理进行了探索。通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验对自行研制的自保护药芯焊丝中Mn、Mo、Si、Cr、Ni、Al、Ti、B等元素对Q960高强钢焊缝金属力学性能的影响规律进行了研究,利用金相组织观察、扫描电镜观察、透射电镜观察、化学成分分析等手段并探索了合金元素的作用机理,通过飞溅率试验和脱渣率试验研究了焊丝的工艺性能,在此基础上对针状铁素体的形成机理和高强钢焊缝金属强韧化机理进行了研究。研究结果表明:（1）Mn和Si元素均为Q960钢焊缝金属强化元素,在一定范围内具有抑制晶界铁素体析出,利于针状铁素体形成的作用。焊缝金属中Mn元素具有固溶强化和细晶强化作用,最佳加入量在1.17%～1.25%之间。Si元素与Mn元素同为面心立方结构,二者有较强的相互吸引,最佳的Mn/Si比值在4～8之间。过高含量的Si会导致Mn原子无法进入Ti₂O₃氧化物结构中,减少了可供针状铁素体形核的复杂结构氧化物,不利于针状铁素体形核。（2）Mo、Cr、Ni元素均在一定范围内对Q960钢焊缝金属针状铁素体组织形成具有促进作用。因此改善了焊缝金属低温冲击韧性不足的问题。固溶强化和组织转变是焊缝金属的强度提高和冲击韧性改善的主要方法。（3）Ti和B作为焊缝金属中微量合金元素适量时对针状铁素体的形成有着促进作用。其中,Ti元素的加入可促进微夹杂物的形成,有利于针状铁素体形核。晶界处B元素具有抑制先共析铁素体析出,利于晶内针状铁素体形成的作用。但B元素易与N元素形成BN化合物减少了晶界B元素,Ti的加入可优先与N发生反应,从而保证了晶界有适量的B元素,这对提高Q960钢焊缝金属低温冲击韧性有重要的影响。（4）Al在Q960钢焊缝金属中可形成两种夹杂物。当焊缝金属Al含量较低时为Al₂O₃夹杂物,圆球形,尺寸较小,呈弥散分布,利于成为针状铁素体形核中心。当焊缝金属Al含量较高时为AlN,多边形结构,尺寸较大,易成为焊缝金属裂纹源。Al的氧化物利于针状铁素体形核是因为夹杂物具有较高的界面能而降低针状铁素体形核势垒,同时,夹杂物和焊缝金属基体的膨胀系数不同,所形成的高应力区可促使针状铁素体形核。（5）Zr元素加入到Q960钢焊缝金属中,具有抑制先共析铁素体和贝氏体析出,促进针状铁素体形成的作用。同时,可细化焊缝金属组织。因针状铁素体具有高密度位错和亚结构,从而具有较强的抗裂纹扩展能力,使得焊缝金属具有良好的冲击韧性。（6）从改善Q960高强钢焊缝金属低温冲击韧性的角度,针状铁素体是焊缝金属理想的组织,其形成与焊缝金属微夹杂物有关。当焊缝金属中存在Ti和Al等元素时,因其形成的微夹杂物与奥氏体基体热膨胀系数不同,导致晶格畸变,通过应变诱导机制提高针状铁素体数量。当焊缝金属中存在Ti和Mn等元素时,因Ti和Mn的氧化物形成为金属原子扩散提供了阳离子空位,微夹杂物作为形核质点而促进针状铁素体形核。同时,Ti和Mn元素氧化物的形成还导致相变平衡温度上升,在夹杂物周围形成贫Mn区和贫Ti区,使得周围基体的铁素体相变点升高,形核驱动力增加,促进针状铁素体以夹杂物为中心呈放射状生长。另外,焊缝金属中TiN、TiO和MnS等夹杂物结构与针状铁素体相近,降低了形核能,对针状铁素体形核有利。