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大线能量焊接用结构钢的研究进展

作者：中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:01:40 [收藏]

    钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。

    但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型中国建筑金属结构信息网的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。

    本文综述了大线能量焊接用结构钢的研究进展。

    提高钢大线能量焊接性能的主要技术手段

    钢大线能量焊接的主要难点在于其热影响区(HAZ)的强度和韧性随着输入线能量的增大而降低。因此，HAZ的韧性成为制约钢大线能量焊接的关键因素。为了解决HAZ的韧性问题，国内外相继开展了大线能量焊接用钢的研究工作，提出的改善韧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夹杂细化奥氏体晶粒、获得韧性好的组织如针状铁素体以及贝氏体组织的超低碳钢、通过改进生产工艺提高韧性等。

    1 奥氏体晶粒的细化

    晶粒细化是同时提高钢的强度和韧性的唯一途径。通过降低奥氏体的晶粒尺寸来增加形核点密度以细化铁素体晶粒的方法已经被广泛研究。原奥氏体晶粒越细小，HAZ的晶粒也就越小，韧性也就会越好。

    在钢中引入微量的合金元素，形成弥散分布的高熔点颗粒。这些颗粒一方面以“钉轧”的形式阻碍奥氏体晶界的迁移，限制奥氏体晶粒的长大，同时增加了相变过程中的形核点，从而使钢的组织更加细小。目前研究较多的是Ti元素对高温奥氏体的细化作用。研究发现，Ti在钢中形成细小弥散的TiN粒子，在焊接热循环过程中有效阻止奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体析出，从而改善HAZ的韧性。

    研究人员发现，Nb可以加强Ti的细化作用。Nb在钢中与N也有着强烈的亲和力，可以取代部分Ti，与N形成(Ti，Nb)N颗粒，其溶解温度在1350℃以上，可以钉轧、拖拽高温奥氏体晶界的迁移。进一步的研究发现，Ti-Nb微合金钢中含有大量尺寸细小的TixNb1-x(CyN1-x)粒子，粒子中Nb的相对含量在0.25～0.82之间，形状接近球形。这些粒子具有很高的稳定性，在焊接过程中这些粒子不仅能有效地阻止奥氏体晶粒长大、抑制粗大贝氏体的形成、还能够促进针状铁素体的析出和M-A组元的分解，从而显著改善低合金高强钢HAZ粗晶区的韧性。

    2 HAZ组织的改善

    除了细化晶粒，改善HAZ组织也是提高钢板韧性的一个途径。当成分确定时，钢的韧性由组织和晶粒尺寸决定。研究结果表明，当大线能量焊接后的HAZ含有一定数量的针状铁素体(AF)时，将具有较高的强度和良好的韧性，所以很多研究都致力于在HAZ获得AF组织，并对AF的形核机理和合金元素对组织的影响做了探讨分析。

    3 添加合金元素控制钢的显微组织

    通过添加微量合金元素，可改善钢板的韧性，提高焊接性能。合金元素在钢中形成细小的化合物颗粒，不仅细化晶粒，还充当AF的形核质点，形成更多的AF组织，或是降低有害夹杂的含量，从而提高材料的韧性。Ti、Nb、V的研究较多，此外Ni、Mn、Al、Si、Mo、B、Cu和RE等元素也有类似的效果。

    研究表明，钢中加Ti有利于韧性的提高。TiN粒子能够促进针状铁素体析出。由于TiN粒子与铁素体的错配度较小，双方保持共格关系，从而有利于铁素体晶核的长大。也有分析认为这与膨胀系数有关。因为TiN与奥氏体的膨胀系数不同，在TiN粒子周围产生较大的晶格畸变，畸变区有大量的位错，为铁素体的形核提供了位置；同时，畸变促进了C原子的扩散，还为铁素体形核提供了激活能。

    Nb可以在不损失韧性的情况下提高强度。试验表明，加入0.02%的Nb即可使强度提高而韧性不降低。有研究认为，Ti、Nb复合微合金化中，加入的Nb部分固溶于奥氏体基体抑制奥氏体晶粒的长大；同时，化合态的Nb可以减少凝固期间形成的粗大富Ti的碳氮化物，增加钉轧粒子的体积分数；也可能是形成(Ti，Nb)N降低了粒子的熔点，从而使得第二相粒子在比固相线更低的温度析出，但具有更高的粗化温度，从而具有更细小的尺寸。

    Mn是防止热裂纹的有益元素。有研究发现，Mn的存在改善了硫化物的分布形态，使薄膜状的低熔点化合物FeS改变为球状，并置换FeS形成MnS，从而减少了低熔点硫化物的数量；而Ti在焊接过程中也形成高熔点的硫化物，提高了焊缝的抗裂性。

    适量的Al能改善HAZ的低温韧性，还有研究者发现，钢中同时加入Ti更有效。随着Al的加入，钢中M-A岛数量减少，其平均长度减少，并且M-A中残余奥氏体数量增加，从而提高HAZ的韧性。加入Ti后，HAZ中有相当多的TiN质点，并有MnS依附于TiN质点析出的现象。

    Mo能够有效降低Bs温度。ULCB钢中Mo和B共同作用能够使铁素体析出线明显右移，使得在较宽的冷却速度范围内获得完全的贝氏体组织。这样，在较大的线能量范围内，HAZ的组织没有变化，从而保持了良好的韧性。当Mo增加时，钢的强度明显提高。另外，Mo和Mn还能增大Nb(CN)在奥氏体中的溶解度，从而降低TMCP工艺的再加热温度、轧制温度及再结晶终止温度。

    Ni是能够增加基体金属韧性并改善强化而不恶化HAZ韧性的元素，随着Ni的加入，强度和韧性都有改善。尤其在ε-Cu时效强化ULCB钢中，加入0.5～2倍的Ni可以防止铜的热脆性，通常1.5%是其上限。

    B能减少焊缝中自由状态的N，提高HAZ粗晶区的韧性。TiN粒子在温度超过1450℃时易熔解，产生的自由N原子对HAZ韧性不利。B与N结合形成BN，从而改善韧性。

    Re2O3对熔敷金属中的夹杂物有球化、细化作用，提高HAZ的韧性。在焊剂中加入适量的Re2O3后，夹杂物数量减少。而且，REM在钢中形成稳定细小的O、S化物，一方面取代TiN颗粒抑制奥氏体晶粒的粗化，还充当铁素体的形核核心阻止上贝氏体的形成。

    在焊口中加入Cr粉能增加AF的数量，但削弱冲击韧度。不同的合金成分下，随着Cr量的增加AF有不同程度的增加，但进一步增加Cr量，AF将被FS(ferritewithsecondphase)取代。国外有研究者认为Cr量的增加将减少(通常抑制)PF(primaryferrite)的形核，因为在AF晶内形核前贝氏体已经可以在晶界自由形核。

    4 采用先进的生产工艺控制组织

    为了改善厚板的HAZ韧性，研究人员除了改善合金成分以降低Ceq和细化奥氏体晶粒外，还从生产工艺着手分析了组织控制对材料韧性的改善作用。

    TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技术：该技术把钢的形变再结晶与相变效果结合起来，以细化晶粒为主，大大提高钢材强韧性，使热轧状态钢材具有良好的低温韧性和强度。为提高韧性和焊接性能，必须降低钢中的碳含量和碳当量，采用TMCP可以弥补强度的损失，保证钢材具有足够的强度和韧性。

    控制冷却super-OLAC技术：这是所谓的加速冷却型TMCP在板材生产中应用的开始。该技术在轧制后加速冷却过程中可以实现理论的冷却速度，极大的扩大了传统冷却技术的冷却能力。控制冷却技术与控制轧制相结合，可以进一步降低厚板中的合金元素，从而减少碳当量，提高焊接性能。因为该工艺不要热处理即可改善板材的强度和焊接性能，所以在世界范围被引用。利用该技术，日本钢铁公司研制了从HBL325到HBL385系列低碳当量新钢种，保证了基体材料的性能。此外，该技术还用于生产高性能桥梁用钢、坦克和压力容器用钢、工程设备用钢以及耐磨钢和濒海建筑用高强钢等。

    贝氏体组织控制技术：贝氏体组织的超低碳钢其相变对冷速不敏感，在较大的冷速范围内，该钢的组织均为轴状贝氏铁素体(bainiticferrite)，焊后HAZ的硬度变化很小。当冷速达到25℃/s(相当于20kJ/mm)时仍然有很高的韧性，从而可生产出厚度超过75mm的高强钢。采用该技术，KASAKI公司生产了厚38～75mm的TS570MPa钢板，在电弧焊条件下HAZ最大硬度为280HV。在20kJ/mm的线能量下仍具有很高的夏比冲击功。

    TPCP(themo-mechanicalprecipitationcontrolprocess)工艺：可以在热形变后获得对冷速不敏感的均匀组织。将C量降低到0.02%，在奥氏体-铁素体相变过程中不产生C的再分配，同时添加其他合金元素在较宽冷速范围内获得均匀超低碳贝氏体组织。该工艺的关键是沉淀控制技术，通过沉淀强化效应保持强度。日本利用该技术研制了高韧性超低碳贝氏体钢。

    EWEL技术：日本的EWEL技术是奥氏体晶粒细化技术、奥氏体晶内显微组织控制技术、化学成分设计及生产工艺和通过焊缝金属中的B扩散控制热影响区组织这四种方法的综合。其中，奥氏体晶内显微组织控制技术就是通过降低Ceq将UB组织转变为F+B或者F+P组织。此外，在γ!α相变过程中，还可以通过晶内铁素体在BN和Ca的非金属夹杂上的非均质形核而细化晶内组织。BN对提高基体金属的韧性非常有利。JFE公司利用硫化物形貌控制技术(ACR，atomicconcentrationratio)实现对夹杂物形貌的控制，显著提高热影响区的韧性。

    大线能量焊接用钢的开发和应用

    通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊接的钢种，其组织主要为铁素体和超低碳贝氏体。国内武钢研制了WGJ510C2和WDL610D2钢，具有较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。

    此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。该钢以Nb、V等微合金元素提高钢的强度，采用Ti的复合氧化物获得≥50kJ/cm的抗大线能量焊接性能。

    船板钢：高强钢板用于造船目的在于减轻船身重量，降低油耗，也就是所谓的“节能船”。随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用钢的屈服强度也从315MPa增加到355MPa。最近的趋势是使用屈服强度更高的高价值钢板，比如390MPa的屈服强度。日本已经开发出系列适应大线能量焊接的船用板。如JFE公司采用MACS(multipurposeacceleratedcoolingsystem)工艺研制了YP390船用厚钢板，该钢低N，含有少量的Nb并添加了REM-Ti，焊接接头在大线能量条件下仍具有良好的低温韧性。试验测试结果表明，钢板的性能以及在147~274kJ/cm线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。此外，日本还采用EWEL技术开发了YP355MPa级LPG低温船用板，抗拉强度520MPa，承受的焊接线能量为106kJ/cm；而其开发的Q390MPa钢板，在600kJ/cm的输入能量下仍具有良好的焊接性能。

    海洋建筑构件用钢：近年来，随着石油工业的发展，濒海构件也用到了极地和深海地区。随着强度的提高和厚度的增加，用于濒海的钢板必须满足-40℃下的CTOD值，落锤试验时零脆转变温度TNDT低于-85℃以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。

    日本最初应用于寒冷地区能源开发的大线能量焊接厚板为YP360MPa结构钢板，最大厚度70mm，能够承受130kJ/cm的线能量。适应更高强度的需要，通过控制Ceq和Pcm，降低C、N、Si和P成分以及REM-Ti处理并控制Ti/N比，并运用了控制轧制和加速冷却工艺(MACS)，日本研制出厚75mm和101.2mm的YP420级钢板。因为加入了1.1%的Ni，这些钢板的低温韧性也不错。

    桥梁用耐候钢：现在的桥梁需要大量焊接。日本Kawasaki钢铁公司利用组织控制技术研制了超低碳贝氏体耐候钢SMA570WTMC，钢中加入了Ni、Cu、Cr、Mo和P合金元素，含碳量约0.02%。通过调整Mn量，按强度分为三个等级：400MPa级、490MPa级和570MPa级，钢板厚25～75mm。在200kJ/cm的热输入条件下HAZ冲击功超过47J。用这些耐候钢制造的桥梁不用涂漆，降低了制造和维护成本。

    此外，Kawasaki还研制了800MPa级的非热处理高韧性超低碳贝氏体钢棒，取代传统的淬火回火钢AISI417 3用于汽车和工业设备领域。该钢轧后组织为贝氏体铁素体(αB)，屈强比达到85%。利用Cu弥散强化，提高了钢的耐磨损性能。

    建筑结构用钢：采用JFEEWEL技术，日本研制了包括SA440-E在内的系列高韧性建筑结构钢，形成了从490MPa到590MPa的系列建筑结构钢。运用ACR技术严格控制了Ti、N含量，生产出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉强度为590-740MPa，屈服强度约460MPa。在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm电渣焊条件下，HAZ无明显粗化，焊缝金属组织为细小的针状铁素体，奥氏体晶界处未发现粗大先共析铁素体。

    钢板的研制也促进了焊料的开发。通过焊料向焊缝中添加提高淬透性元素、抑制晶界铁素体形成元素、促进晶内针状铁素体形成元素和可以控制焊缝金属的化学成分，使得基体金属能够承受大线能量埋弧焊和电渣焊，已经成为新型焊料的一个发展趋势。日本新开发的高B焊料，就是利用来自于焊缝的B的扩散，细化焊接热影响区组织。利用传统的焊材进行焊接没有这种组织细化现象。同时，在焊料中引入合金元素降低Ms点，可以提高焊接接头的疲劳强度。

    结语

    (1)随着钢板厚度、强度和焊接效率的提高，要求钢板具有更高的焊接性能，以适应大线能量焊接。

    (2)降低Ceq、利用微合金元素细化奥氏体晶粒并接合适当的生产工艺改善组织是提高钢板焊接性能的主要方法，对部分元素对钢板性能的影响作了分析，介绍了几种可获得良好焊接性能的厚板生产工艺。

    (3)适应大线能量焊接已经成为厚板的发展趋势。和国外特别是和日本相比，我国在该领域的研究还有较大差距，加之还有很多机理问题尚未澄清。面对巨大的市场需求，有必要加强这方面的研究工作。


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