大線能量焊接用結構鋼的研究進展
發布時間：2010-01-14 共2頁
4 采用先進的生產工藝控制組織
為了改善厚板的HAZ韌性，研究人員除了改善合金成分以降低Ceq和細化奧氏體晶粒外，還從生產工藝著手分析了組織控制對材料韌性的改善作用。
TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技術：該技術把鋼的形變再結晶與相變效果結合起來，以細化晶粒為主，大大提高鋼材強韌性，使熱軋狀態鋼材具有良好的低溫韌性和強度。為提高韌性和焊接性能，必須降低鋼中的碳含量和碳當量，采用TMCP可以彌補強度的損失，保證鋼材具有足夠的強度和韌性。
控制冷卻super-OLAC技術：這是所謂的加速冷卻型TMCP在板材生產中應用的開始。該技術在軋制后加速冷卻過程中可以實現理論的冷卻速度，極大的擴大了傳統冷卻技術的冷卻能力。控制冷卻技術與控制軋制相結合，可以進一步降低厚板中的合金元素，從而減少碳當量，提高焊接性能。因為該工藝不要熱處理即可改善板材的強度和焊接性能，所以在世界范圍被引用。利用該技術，日本鋼鐵公司研制了從HBL325到HBL385系列低碳當量新鋼種，保證了基體材料的性能。此外，該技術還用于生產高性能橋梁用鋼、坦克和壓力容器用鋼、工程設備用鋼以及耐磨鋼和瀕海建筑用高強鋼等。
貝氏體組織控制技術：貝氏體組織的超低碳鋼其相變對冷速不敏感，在較大的冷速范圍內，該鋼的組織均為軸狀貝氏鐵素體(bainiticferrite)，焊后HAZ的硬度變化很小。當冷速達到25℃/s(相當于20kJ/mm)時仍然有很高的韌性，從而可生產出厚度超過75mm的高強鋼。采用該技術，KASAKI公司生產了厚38～75mm的TS570MPa鋼板，在電弧焊條件下HAZ最大硬度為280HV。在20kJ/mm的線能量下仍具有很高的夏比沖擊功。
TPCP(themo-mechanicalprecipitationcontrolprocess)工藝：可以在熱形變后獲得對冷速不敏感的均勻組織。將C量降低到0.02%，在奧氏體-鐵素體相變過程中不產生C的再分配，同時添加其他合金元素在較寬冷速范圍內獲得均勻超低碳貝氏體組織。該工藝的關鍵是沉淀控制技術，通過沉淀強化效應保持強度。日本利用該技術研制了高韌性超低碳貝氏體鋼。
EWEL技術：日本的EWEL技術是奧氏體晶粒細化技術、奧氏體晶內顯微組織控制技術、化學成分設計及生產工藝和通過焊縫金屬中的B擴散控制熱影響區組織這四種方法的綜合。其中，奧氏體晶內顯微組織控制技術就是通過降低Ceq將UB組織轉變為F+B或者F+P組織。此外，在γ!α相變過程中，還可以通過晶內鐵素體在BN和Ca的非金屬夾雜上的非均質形核而細化晶內組織。BN對提高基體金屬的韌性非常有利。JFE公司利用硫化物形貌控制技術(ACR，atomicconcentrationratio)實現對夾雜物形貌的控制，顯著提高熱影響區的韌性。
大線能量焊接用鋼的開發和應用
通過對提高鋼大線能量焊接性技術的研究，目前國外以日本為代表的國家已經研制出很多適用于大線能量焊接的鋼種，其組織主要為鐵素體和超低碳貝氏體。國內武鋼研制了WGJ510C2和WDL610D2鋼，具有較好的大線能量焊接性能，并申請了專利。
此外，武鋼還研制了大線能量焊接高韌性抗鋅液腐蝕用鋼。該鋼以Nb、V等微合金元素提高鋼的強度，采用Ti的復合氧化物獲得≥50kJ/cm的抗大線能量焊接性能。
船板鋼：高強鋼板用于造船目的在于減輕船身重量，降低油耗，也就是所謂的“節能船”。隨著鋼鐵生產和船舶設計技術的發展，船用鋼的屈服強度也從315MPa增加到355MPa。最近的趨勢是使用屈服強度更高的高價值鋼板，比如390MPa的屈服強度。日本已經開發出系列適應大線能量焊/考//接的船用板。如JFE公司采用MACS工藝研制了YP390船用厚鋼板，該鋼低N，含有少量的Nb并添加了REM-Ti，焊接接頭在大線能量條件下仍具有良好的低溫韌性。試驗測試結果表明，鋼板的性能以及在147~274kJ/cm線能量下氣電立焊接頭的性能均滿足使用要求。此外，日本還采用EWEL技術開發了YP355MPa級LPG低溫船用板，抗拉強度520MPa，承受的焊接線能量為106kJ/cm；而其開發的Q390MPa鋼板，在600kJ/cm的輸入能量下仍具有良好的焊接性能。
海洋建筑構件用鋼：近年來，隨著石油工業的發展，瀕海構件也用到了極地和深海地區。隨著強度的提高和厚度的增加，用于瀕海的鋼板必須滿足-40℃下的CTOD值，落錘試驗時零脆轉變溫度TNDT低于-85℃以保證充足的斷裂韌性和抗裂紋擴展能力。
日本最初應用于寒冷地區能源開發的大線能量焊接厚板為YP360MPa結構鋼板，最大厚度70mm，能夠承受130kJ/cm的線能量。適應更高強度的需要，通過控制Ceq和Pcm，降低C、N、Si和P成分以及REM-Ti處理并控制Ti/N比，并運用了控制軋制和加速冷卻工藝(MACS)，日本研制出厚75mm和101.2mm的YP420級鋼板。因為加入了1.1%的Ni，這些鋼板的低溫韌性也不錯。
橋梁用耐候鋼：現在的橋梁需要大量焊接。日本Kawasaki鋼鐵公司利用組織控制技術研制了超低碳貝氏體耐候鋼SMA570WTMC，鋼中加入了Ni、Cu、Cr、Mo和P合金元素，含碳量約0.02%。通過調整Mn量，按強度分為三個等級：400MPa級、490MPa級和570MPa級，鋼板厚25～75mm。在200kJ/cm的熱輸入條件下HAZ沖擊功超過47J。用這些耐候鋼制造的橋梁不用涂漆，降低了制造和維護成本。
此外，Kawasaki還研制了800MPa級的非熱處理高韌性超低碳貝氏體鋼棒，取代傳統的淬火回火鋼AISI417 3用于汽車和工業設備領域。該鋼軋后組織為貝氏體鐵素體(αB)，屈強比達到85%。利用Cu彌散強化，提高了鋼的耐磨損性能。
建筑結構用鋼：采用JFEEWEL技術，日本研制了包括SA440-E在內的系列高韌性建筑結構鋼，形成了從490MPa到590MPa的系列建筑結構鋼。運用ACR技術嚴格控制了Ti、N含量，生產出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉強度為590-740MPa，屈服強度約460MPa。在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm電渣焊條件下，HAZ無明顯粗化，焊縫金屬組織為細小的針狀鐵素體，奧氏體晶界處未發現粗大先共析鐵素體。
鋼板的研制也促進了焊料的開發。通過焊料向焊縫中添加提高淬透性元素、抑制晶界鐵素體形成元素、促進晶內針狀鐵素體形成元素和可以控制焊縫金屬的化學成分，使得基體金屬能夠承受大線能量埋弧焊和電渣焊，已經成為新型焊料的一個/考//發展趨勢。日本新開發的高B焊料，就是利用來自于焊縫的B的擴散，細化焊接熱影響區組織。利用傳統的焊材進行焊接沒有這種組織細化現象。同時，在焊料中引入合金元素降低Ms點，可以提高焊接接頭的疲勞強度。
結語
(1)隨著鋼板厚度、強度和焊接效率的提高，要求鋼板具有更高的焊接性能，以適應大線能量焊接。
(2)降低Ceq、利用微合金元素細化奧氏體晶粒并接合適當的生產工藝改善組織是提高鋼板焊接性能的主要方法，對部分元素對鋼板性能的影響作了分析，介紹了幾種可獲得良好焊接性能的厚板生產工藝。
(3)適應大線能量焊接已經成為厚板的發展趨勢。和國外特別是和日本相比，我國在該領域的研究還有較大差距，加之還有很多機理問題尚未澄清。面對巨大的市場需求，有必要加強這方面的研究工作。
為了改善厚板的HAZ韌性，研究人員除了改善合金成分以降低Ceq和細化奧氏體晶粒外，還從生產工藝著手分析了組織控制對材料韌性的改善作用。
TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技術：該技術把鋼的形變再結晶與相變效果結合起來，以細化晶粒為主，大大提高鋼材強韌性，使熱軋狀態鋼材具有良好的低溫韌性和強度。為提高韌性和焊接性能，必須降低鋼中的碳含量和碳當量，采用TMCP可以彌補強度的損失，保證鋼材具有足夠的強度和韌性。
控制冷卻super-OLAC技術：這是所謂的加速冷卻型TMCP在板材生產中應用的開始。該技術在軋制后加速冷卻過程中可以實現理論的冷卻速度，極大的擴大了傳統冷卻技術的冷卻能力。控制冷卻技術與控制軋制相結合，可以進一步降低厚板中的合金元素，從而減少碳當量，提高焊接性能。因為該工藝不要熱處理即可改善板材的強度和焊接性能，所以在世界范圍被引用。利用該技術，日本鋼鐵公司研制了從HBL325到HBL385系列低碳當量新鋼種，保證了基體材料的性能。此外，該技術還用于生產高性能橋梁用鋼、坦克和壓力容器用鋼、工程設備用鋼以及耐磨鋼和瀕海建筑用高強鋼等。
貝氏體組織控制技術：貝氏體組織的超低碳鋼其相變對冷速不敏感，在較大的冷速范圍內，該鋼的組織均為軸狀貝氏鐵素體(bainiticferrite)，焊后HAZ的硬度變化很小。當冷速達到25℃/s(相當于20kJ/mm)時仍然有很高的韌性，從而可生產出厚度超過75mm的高強鋼。采用該技術，KASAKI公司生產了厚38～75mm的TS570MPa鋼板，在電弧焊條件下HAZ最大硬度為280HV。在20kJ/mm的線能量下仍具有很高的夏比沖擊功。
TPCP(themo-mechanicalprecipitationcontrolprocess)工藝：可以在熱形變后獲得對冷速不敏感的均勻組織。將C量降低到0.02%，在奧氏體-鐵素體相變過程中不產生C的再分配，同時添加其他合金元素在較寬冷速范圍內獲得均勻超低碳貝氏體組織。該工藝的關鍵是沉淀控制技術，通過沉淀強化效應保持強度。日本利用該技術研制了高韌性超低碳貝氏體鋼。
EWEL技術：日本的EWEL技術是奧氏體晶粒細化技術、奧氏體晶內顯微組織控制技術、化學成分設計及生產工藝和通過焊縫金屬中的B擴散控制熱影響區組織這四種方法的綜合。其中，奧氏體晶內顯微組織控制技術就是通過降低Ceq將UB組織轉變為F+B或者F+P組織。此外，在γ!α相變過程中，還可以通過晶內鐵素體在BN和Ca的非金屬夾雜上的非均質形核而細化晶內組織。BN對提高基體金屬的韌性非常有利。JFE公司利用硫化物形貌控制技術(ACR，atomicconcentrationratio)實現對夾雜物形貌的控制，顯著提高熱影響區的韌性。
大線能量焊接用鋼的開發和應用
通過對提高鋼大線能量焊接性技術的研究，目前國外以日本為代表的國家已經研制出很多適用于大線能量焊接的鋼種，其組織主要為鐵素體和超低碳貝氏體。國內武鋼研制了WGJ510C2和WDL610D2鋼，具有較好的大線能量焊接性能，并申請了專利。
此外，武鋼還研制了大線能量焊接高韌性抗鋅液腐蝕用鋼。該鋼以Nb、V等微合金元素提高鋼的強度，采用Ti的復合氧化物獲得≥50kJ/cm的抗大線能量焊接性能。
船板鋼：高強鋼板用于造船目的在于減輕船身重量，降低油耗，也就是所謂的“節能船”。隨著鋼鐵生產和船舶設計技術的發展，船用鋼的屈服強度也從315MPa增加到355MPa。最近的趨勢是使用屈服強度更高的高價值鋼板，比如390MPa的屈服強度。日本已經開發出系列適應大線能量焊/考//接的船用板。如JFE公司采用MACS工藝研制了YP390船用厚鋼板，該鋼低N，含有少量的Nb并添加了REM-Ti，焊接接頭在大線能量條件下仍具有良好的低溫韌性。試驗測試結果表明，鋼板的性能以及在147~274kJ/cm線能量下氣電立焊接頭的性能均滿足使用要求。此外，日本還采用EWEL技術開發了YP355MPa級LPG低溫船用板，抗拉強度520MPa，承受的焊接線能量為106kJ/cm；而其開發的Q390MPa鋼板，在600kJ/cm的輸入能量下仍具有良好的焊接性能。
海洋建筑構件用鋼：近年來，隨著石油工業的發展，瀕海構件也用到了極地和深海地區。隨著強度的提高和厚度的增加，用于瀕海的鋼板必須滿足-40℃下的CTOD值，落錘試驗時零脆轉變溫度TNDT低于-85℃以保證充足的斷裂韌性和抗裂紋擴展能力。
日本最初應用于寒冷地區能源開發的大線能量焊接厚板為YP360MPa結構鋼板，最大厚度70mm，能夠承受130kJ/cm的線能量。適應更高強度的需要，通過控制Ceq和Pcm，降低C、N、Si和P成分以及REM-Ti處理并控制Ti/N比，并運用了控制軋制和加速冷卻工藝(MACS)，日本研制出厚75mm和101.2mm的YP420級鋼板。因為加入了1.1%的Ni，這些鋼板的低溫韌性也不錯。
橋梁用耐候鋼：現在的橋梁需要大量焊接。日本Kawasaki鋼鐵公司利用組織控制技術研制了超低碳貝氏體耐候鋼SMA570WTMC，鋼中加入了Ni、Cu、Cr、Mo和P合金元素，含碳量約0.02%。通過調整Mn量，按強度分為三個等級：400MPa級、490MPa級和570MPa級，鋼板厚25～75mm。在200kJ/cm的熱輸入條件下HAZ沖擊功超過47J。用這些耐候鋼制造的橋梁不用涂漆，降低了制造和維護成本。
此外，Kawasaki還研制了800MPa級的非熱處理高韌性超低碳貝氏體鋼棒，取代傳統的淬火回火鋼AISI417 3用于汽車和工業設備領域。該鋼軋后組織為貝氏體鐵素體(αB)，屈強比達到85%。利用Cu彌散強化，提高了鋼的耐磨損性能。
建筑結構用鋼：采用JFEEWEL技術，日本研制了包括SA440-E在內的系列高韌性建筑結構鋼，形成了從490MPa到590MPa的系列建筑結構鋼。運用ACR技術嚴格控制了Ti、N含量，生產出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉強度為590-740MPa，屈服強度約460MPa。在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm電渣焊條件下，HAZ無明顯粗化，焊縫金屬組織為細小的針狀鐵素體，奧氏體晶界處未發現粗大先共析鐵素體。
鋼板的研制也促進了焊料的開發。通過焊料向焊縫中添加提高淬透性元素、抑制晶界鐵素體形成元素、促進晶內針狀鐵素體形成元素和可以控制焊縫金屬的化學成分，使得基體金屬能夠承受大線能量埋弧焊和電渣焊，已經成為新型焊料的一個/考//發展趨勢。日本新開發的高B焊料，就是利用來自于焊縫的B的擴散，細化焊接熱影響區組織。利用傳統的焊材進行焊接沒有這種組織細化現象。同時，在焊料中引入合金元素降低Ms點，可以提高焊接接頭的疲勞強度。
結語
(1)隨著鋼板厚度、強度和焊接效率的提高，要求鋼板具有更高的焊接性能，以適應大線能量焊接。
(2)降低Ceq、利用微合金元素細化奧氏體晶粒并接合適當的生產工藝改善組織是提高鋼板焊接性能的主要方法，對部分元素對鋼板性能的影響作了分析，介紹了幾種可獲得良好焊接性能的厚板生產工藝。
(3)適應大線能量焊接已經成為厚板的發展趨勢。和國外特別是和日本相比，我國在該領域的研究還有較大差距，加之還有很多機理問題尚未澄清。面對巨大的市場需求，有必要加強這方面的研究工作。
