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大線能量焊接用結構鋼的研究進展

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:01:40 [收藏]

    鋼板被廣泛用于諸如建筑、橋梁、壓力容器、儲罐、管線和船舶等基礎建設和大型建筑中。建筑構件的大型化和高層化發展趨勢要求鋼板的厚度增加，同時具有更高的綜合性能，包括更高的力學性能、高效的加工性能以及優良的抗腐蝕性能和抗疲勞破壞性能等。

    但是，隨著鋼板強度的提高，其沖擊韌度和焊接性能顯著下降，焊接裂紋敏感性增加。特別是隨著焊接線能量的提高，傳統低合金高強鋼的焊接熱影響區性能(強度、韌性)惡化，易產生焊接冷裂紋問題，給大型鋼結構的制造帶來困難。由于焊接為厚板加工的主要方式，滿足大線能量焊接性能也逐步成為各種鋼種所具備的一種性能。所以，在追求高強度的同時，改善鋼板的韌性以提高鋼板的焊接性能越來越迫切。

    本文綜述了大線能量焊接用結構鋼的研究進展。

    提高鋼大線能量焊接性能的主要技術手段

    鋼大線能量焊接的主要難點在于其熱影響區(HAZ)的強度和韌性隨著輸入線能量的增大而降低。因此，HAZ的韌性成為制約鋼大線能量焊接的關鍵因素。為了解決HAZ的韌性問題，國內外相繼開展了大線能量焊接用鋼的研究工作，提出的改善韌性的方法主要有降低C含量和Ceq、利用微合金元素和氧化物夾雜細化奧氏體晶粒、獲得韌性好的組織如針狀鐵素體以及貝氏體組織的超低碳鋼、通過改進生產工藝提高韌性等。

    1 奧氏體晶粒的細化

    晶粒細化是同時提高鋼的強度和韌性的唯一途徑。通過降低奧氏體的晶粒尺寸來增加形核點密度以細化鐵素體晶粒的方法已經被廣泛研究。原奧氏體晶粒越細小，HAZ的晶粒也就越小，韌性也就會越好。

    在鋼中引入微量的合金元素，形成彌散分布的高熔點顆粒。這些顆粒一方面以“釘軋”的形式阻礙奧氏體晶界的遷移，限制奧氏體晶粒的長大，同時增加了相變過程中的形核點，從而使鋼的組織更加細小。目前研究較多的是Ti元素對高溫奧氏體的細化作用。研究發現，Ti在鋼中形成細小彌散的TiN粒子，在焊接熱循環過程中有效阻止奧氏體晶粒的長大，促進針狀鐵素體析出，從而改善HAZ的韌性。

    研究人員發現，Nb可以加強Ti的細化作用。Nb在鋼中與N也有著強烈的親和力，可以取代部分Ti，與N形成(Ti，Nb)N顆粒，其溶解溫度在1350℃以上，可以釘軋、拖拽高溫奧氏體晶界的遷移。進一步的研究發現，Ti-Nb微合金鋼中含有大量尺寸細小的TixNb1-x(CyN1-x)粒子，粒子中Nb的相對含量在0.25～0.82之間，形狀接近球形。這些粒子具有很高的穩定性，在焊接過程中這些粒子不僅能有效地阻止奧氏體晶粒長大、抑制粗大貝氏體的形成、還能夠促進針狀鐵素體的析出和M-A組元的分解，從而顯著改善低合金高強鋼HAZ粗晶區的韌性。

    2 HAZ組織的改善

    除了細化晶粒，改善HAZ組織也是提高鋼板韌性的一個途徑。當成分確定時，鋼的韌性由組織和晶粒尺寸決定。研究結果表明，當大線能量焊接后的HAZ含有一定數量的針狀鐵素體(AF)時，將具有較高的強度和良好的韌性，所以很多研究都致力于在HAZ獲得AF組織，并對AF的形核機理和合金元素對組織的影響做了探討分析。

    3 添加合金元素控制鋼的顯微組織

    通過添加微量合金元素，可改善鋼板的韌性，提高焊接性能。合金元素在鋼中形成細小的化合物顆粒，不僅細化晶粒，還充當AF的形核質點，形成更多的AF組織，或是降低有害夾雜的含量，從而提高材料的韌性。Ti、Nb、V的研究較多，此外Ni、Mn、Al、Si、Mo、B、Cu和RE等元素也有類似的效果。

    研究表明，鋼中加Ti有利于韌性的提高。TiN粒子能夠促進針狀鐵素體析出。由于TiN粒子與鐵素體的錯配度較小，雙方保持共格關系，從而有利于鐵素體晶核的長大。也有分析認為這與膨脹系數有關。因為TiN與奧氏體的膨脹系數不同，在TiN粒子周圍產生較大的晶格畸變，畸變區有大量的位錯，為鐵素體的形核提供了位置；同時，畸變促進了C原子的擴散，還為鐵素體形核提供了激活能。

    Nb可以在不損失韌性的情況下提高強度。試驗表明，加入0.02%的Nb即可使強度提高而韌性不降低。有研究認為，Ti、Nb復合微合金化中，加入的Nb部分固溶于奧氏體基體抑制奧氏體晶粒的長大；同時，化合態的Nb可以減少凝固期間形成的粗大富Ti的碳氮化物，增加釘軋粒子的體積分數；也可能是形成(Ti，Nb)N降低了粒子的熔點，從而使得第二相粒子在比固相線更低的溫度析出，但具有更高的粗化溫度，從而具有更細小的尺寸。

    Mn是防止熱裂紋的有益元素。有研究發現，Mn的存在改善了硫化物的分布形態，使薄膜狀的低熔點化合物FeS改變為球狀，并置換FeS形成MnS，從而減少了低熔點硫化物的數量；而Ti在焊接過程中也形成高熔點的硫化物，提高了焊縫的抗裂性。

    適量的Al能改善HAZ的低溫韌性，還有研究者發現，鋼中同時加入Ti更有效。隨著Al的加入，鋼中M-A島數量減少，其平均長度減少，并且M-A中殘余奧氏體數量增加，從而提高HAZ的韌性。加入Ti后，HAZ中有相當多的TiN質點，并有MnS依附于TiN質點析出的現象。

    Mo能夠有效降低Bs溫度。ULCB鋼中Mo和B共同作用能夠使鐵素體析出線明顯右移，使得在較寬的冷卻速度范圍內獲得完全的貝氏體組織。這樣，在較大的線能量范圍內，HAZ的組織沒有變化，從而保持了良好的韌性。當Mo增加時，鋼的強度明顯提高。另外，Mo和Mn還能增大Nb(CN)在奧氏體中的溶解度，從而降低TMCP工藝的再加熱溫度、軋制溫度及再結晶終止溫度。

    Ni是能夠增加基體金屬韌性并改善強化而不惡化HAZ韌性的元素，隨著Ni的加入，強度和韌性都有改善。尤其在ε-Cu時效強化ULCB鋼中，加入0.5～2倍的Ni可以防止銅的熱脆性，通常1.5%是其上限。

    B能減少焊縫中自由狀態的N，提高HAZ粗晶區的韌性。TiN粒子在溫度超過1450℃時易熔解，產生的自由N原子對HAZ韌性不利。B與N結合形成BN，從而改善韌性。

    Re2O3對熔敷金屬中的夾雜物有球化、細化作用，提高HAZ的韌性。在焊劑中加入適量的Re2O3后，夾雜物數量減少。而且，REM在鋼中形成穩定細小的O、S化物，一方面取代TiN顆粒抑制奧氏體晶粒的粗化，還充當鐵素體的形核核心阻止上貝氏體的形成。

    在焊口中加入Cr粉能增加AF的數量，但削弱沖擊韌度。不同的合金成分下，隨著Cr量的增加AF有不同程度的增加，但進一步增加Cr量，AF將被FS(ferritewithsecondphase)取代。國外有研究者認為Cr量的增加將減少(通常抑制)PF(primaryferrite)的形核，因為在AF晶內形核前貝氏體已經可以在晶界自由形核。

    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接的船用板。如JFE公司采用MACS(multipurposeacceleratedcoolingsystem)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。


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