近年,在造船、大型石油储罐、高层建筑和海洋工程等大型装备制造领域,随着钢铁构件的大型化和大跨度化,焊接作为二次加工的重要环节越来越受到重视。为了减少焊接工时,提高焊接施工效率,降低构件焊接制造成本,气电立焊、埋弧焊、电渣焊等大热输入焊接方法被广泛应用。但是在大热输入焊接过程中,焊接接头的温度升高,焊缝金属在高温的停留时间增长,冷速变慢,导致焊接热影响区(HAZ)和焊缝熔敷金属微观组织粗化,力学性能严重恶化,很容易给构件的使用安全带来负面影响。在此背景下,基于“氧化物冶金”的大热输入焊接用钢及其配套焊接材料的研究开发备受关注。本文仅针对大热输入焊接药芯焊丝焊缝熔敷金属中的合金元素选择、物理冶金工艺优化、焊缝金属相转变行为、夹杂物的选择性析出及晶内针状铁素体(Acicular Ferrite,AF)形核机制等进行了试验研究。论文的主要研究工作及结果如下:(1)根据不同化学元素对大热输入焊缝熔敷金属基本力学性能的影响规律,基于“氧化物冶金”基本原理,对大热输入焊接药芯焊丝的合金元素进行了优化选择,确定出大热输入焊接药芯焊丝化学成分的合理配比及焊丝制造工艺。(2)采用实验室试制的大热输入焊接药芯焊丝,在85kJ/cm的大热输入施焊条件下,研究分析了 Mn含量对大热输入焊缝熔敷金属组织和力学性能的影响规律。结果表明,1.85%Mn添加的焊缝熔敷金属分布着大量细小弥散的夹杂物,并以这些夹杂物为核心形成了大量可大幅度提高焊缝金属低温冲击韧性的AF组织。随着Mn含量的降低,AF组织比例减小,贝氏体组织比例增加是导致大热输入焊接焊缝熔敷金属强度增加、韧性降低的主要原因。(3)研究分析了氧含量对341kJ/cm热输入焊缝熔敷金属组织和冲击韧性的影响。结果表明,当焊缝熔敷金属中氧含量在610ppm以下时,随着氧含量的提高,焊缝熔敷金属中的微细夹杂物数量增多,夹杂物之间相互碰撞的机会增多,奥氏体晶内AF的形核位置增多,促成相变后生成的AF晶粒尺寸减小,焊缝熔敷金属低温冲击韧性提高;当焊缝金属中的氧含量大于610ppm并进一步增加后,微细夹杂物数量急剧增加,奥氏体晶粒尺寸大幅度减小,相转变温度升高,导致大量粗大的晶界铁素体(GBF)生成,焊缝熔敷金属低温冲击韧性降低。(4)利用电子背散射衍射(EBSD)研究分析不同热输入量焊缝金属中AF形核长大规律时发现:当焊接热输入量大于临界热输入量时,焊缝金属中冷速小于临界冷速,AF以多边形铁素体形态形核,随热输入量的降低,晶粒尺寸减小,并与母相γ偏离KS关系;当焊缝金属温度降低至相变开始温度后,AF以细长的针状形态长大,开始与母相γ满足KS关系。当焊接热输入量小于临界热输入量时,AF来不及形核便开始长大,与母相Y满足KS关系。(5)利用MMS-300型热力模拟实验机模拟了再加热焊缝金属的组织性能变化。结果表明,当模拟焊接热输入为200kJ/cm时,再加热焊缝金属中原GBF开始消失,AF组织比例减少,并出现了大量的块状多边形铁素体,再加热焊缝金属的冲击功比一次焊缝金属略有降低;随着模拟焊接热输入的增加,铁素体形状继续向着等轴方向转变,块状多边形铁素体数量增多,AF组织几乎消失,但再加热焊缝金属的冲击功略有提高。(6)采用实验室试制的大热输入焊接药芯焊丝,在焊接热输入205～425kJ/cm的范围内,研究分析了焊缝熔敷金属冲击韧性与焊接热输入的关系。结果表明,在热输入205～425kJ/cm的较大范围内,焊缝熔敷金属的各项力学性能满足GB712-2011标准中EH36～EH460级造船钢板的力学性能要求;当焊接热输入≤276kJ/cm时,焊缝熔敷金属的各项力学性能满足GB19189-2003标准中12MnNiVR石油储罐钢板的力学性能要求。本论文研究过程中所形成的药芯焊丝化学成分配比、制造工艺及相关机理,对国产大热输入焊接配套焊材的深入研究和产业化技术研发具有重要的参考价值。