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本文采用在Q345钢板表面V型槽内预置纯铜细丝和铌铁粉、普通C-Mn钢焊丝惰性气体保护堆焊的方法,制备了具有不同铜含量(0-3.2wt%)且加铌(0.03wt%)或不加铌的焊缝金属。采用GLEEBLE-3500热-力模拟试验机和截取的全焊缝试样,对多层焊不同区域(分别对应于650℃、725℃、850℃、950℃、1200℃和1300℃等不同峰值温度)及不同线能量(10-75kJ/cm)下的粗晶区进行了模拟,测试了模拟样品的硬度,观察了模拟多层焊缝的金相组织,利用透射电镜(TEM)分析了焊缝中的第二相粒子,研究了Cu和Nb对改善低合金高强度钢多层焊焊缝金属显微组织和力学性能及其均匀性的作用。结果表明:在单道焊缝中,Cu含量低于1.0 wt%时,对焊缝金属没有明显的强化作用;Cu含量达到3.0 wt%时,对焊缝的强化效果明显,焊缝金属的硬度(HVN)可达到280,相应的抗拉强度为900 Mpa;当焊缝中的Cu含量相同时,在焊缝中加入0.03 wt%的Nb与不加Nb相比,不能显著提高焊缝金属的强度。在模拟多层焊缝中,单独添加Cu的焊缝金属的硬度均匀性较差,在0.5-3.0wt%Cu与0.03 wt%Nb复合加入时,有利于在焊缝中获得综合性能良好的针状铁素体和下贝氏体组织,且组织和硬度分布均匀;在不同焊接线能量的模拟多层焊缝中,Cu、Nb复合加入与Cu单独加入的焊缝相比,其硬度值随线能量的增加,下降趋势相对平缓。3.0 wt%Cu与0.03 wt%Nb同时加入时,在模拟多层焊缝中产生了Cu与Nb的复合析出,使ε-Cu粒子析出的均匀性增强,相应焊缝金属的硬度(HVN)均达到280以上,获得了抗拉强度在900 Mpa以上且硬度分布均匀的高强度多层焊焊缝金属。