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大線能量焊接用結(jié)構(gòu)鋼的研究進(jìn)展

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)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(chǔ)罐、管線和船舶等基礎(chǔ)建設(shè)和大型建筑中。建筑構(gòu)件的大型化和高層化發(fā)展趨勢(shì)要求鋼板的厚度增加，同時(shí)具有更高的綜合性能，包括更高的力學(xué)性能、高效的加工性能以及優(yōu)良的抗腐蝕性能和抗疲勞破壞性能等。

    但是，隨著鋼板強(qiáng)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(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼的焊接熱影響區(qū)性能(強(qiáng)度、韌性)惡化，易產(chǎn)生焊接冷裂紋問(wèn)題，給大型鋼結(jié)構(gòu)的制造帶來(lái)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(qiáng)度的同時(shí)，改善鋼板的韌性以提高鋼板的焊接性能越來(lái)越迫切。

    本文綜述了大線能量焊接用結(jié)構(gòu)鋼的研究進(jìn)展。

    提高鋼大線能量焊接性能的主要技術(shù)手段

    鋼大線能量焊接的主要難點(diǎn)在于其熱影響區(qū)(HAZ)的強(qiáng)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(guān)鍵因素。為了解決HAZ的韌性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)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(xì)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(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝提高韌性等。

    1 奧氏體晶粒的細(xì)化

    晶粒細(xì)化是同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性的唯一途徑。通過(guò)降低奧氏體的晶粒尺寸來(lái)增加形核點(diǎn)密度以細(xì)化鐵素體晶粒的方法已經(jīng)被廣泛研究。原奧氏體晶粒越細(xì)小，HAZ的晶粒也就越小，韌性也就會(huì)越好。

    在鋼中引入微量的合金元素，形成彌散分布的高熔點(diǎn)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(zhǎng)大，同時(shí)增加了相變過(guò)程中的形核點(diǎn)，從而使鋼的組織更加細(xì)小。目前研究較多的是Ti元素對(duì)高溫奧氏體的細(xì)化作用。研究發(fā)現(xiàn)，Ti在鋼中形成細(xì)小彌散的TiN粒子，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中有效阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，促進(jìn)針狀鐵素體析出，從而改善HAZ的韌性。

    研究人員發(fā)現(xiàn)，Nb可以加強(qiáng)Ti的細(xì)化作用。Nb在鋼中與N也有著強(qiáng)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(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Ti-Nb微合金鋼中含有大量尺寸細(xì)小的TixNb1-x(CyN1-x)粒子，粒子中Nb的相對(duì)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(wěn)定性，在焊接過(guò)程中這些粒子不僅能有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大、抑制粗大貝氏體的形成、還能夠促進(jìn)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(qiáng)鋼HAZ粗晶區(qū)的韌性。

    2 HAZ組織的改善

    除了細(xì)化晶粒，改善HAZ組織也是提高鋼板韌性的一個(gè)途徑。當(dāng)成分確定時(shí)，鋼的韌性由組織和晶粒尺寸決定。研究結(jié)果表明，當(dāng)大線能量焊接后的HAZ含有一定數(shù)量的針狀鐵素體(AF)時(shí)，將具有較高的強(qiáng)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(duì)AF的形核機(jī)理和合金元素對(duì)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(guò)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(xì)小的化合物顆粒，不僅細(xì)化晶粒，還充當(dāng)AF的形核質(zhì)點(diǎn)，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(jìn)針狀鐵素體析出。由于TiN粒子與鐵素體的錯(cuò)配度較小，雙方保持共格關(guān)系，從而有利于鐵素體晶核的長(zhǎng)大。也有分析認(rèn)為這與膨脹系數(shù)有關(guān)。因?yàn)門iN與奧氏體的膨脹系數(shù)不同，在TiN粒子周圍產(chǎn)生較大的晶格畸變，畸變區(qū)有大量的位錯(cuò)，為鐵素體的形核提供了位置；同時(shí)，畸變促進(jìn)了C原子的擴(kuò)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(qiáng)度。試驗(yàn)表明，加入0.02%的Nb即可使強(qiáng)度提高而韌性不降低。有研究認(rèn)為，Ti、Nb復(fù)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(zhǎng)大；同時(shí)，化合態(tài)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?jǐn)?shù)；也可能是形成(Ti，Nb)N降低了粒子的熔點(diǎn)，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(xì)小的尺寸。

    Mn是防止熱裂紋的有益元素。有研究發(fā)現(xiàn)，Mn的存在改善了硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀的低熔點(diǎn)化合物FeS改變?yōu)榍驙?，并置換FeS形成MnS，從而減少了低熔點(diǎn)硫化物的數(shù)量；而Ti在焊接過(guò)程中也形成高熔點(diǎn)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(fā)現(xiàn)，鋼中同時(shí)加入Ti更有效。隨著Al的加入，鋼中M-A島數(shù)量減少，其平均長(zhǎng)度減少，并且M-A中殘余奧氏體數(shù)量增加，從而提高HAZ的韌性。加入Ti后，HAZ中有相當(dāng)多的TiN質(zhì)點(diǎn)，并有MnS依附于TiN質(zhì)點(diǎn)析出的現(xiàn)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(nèi)獲得完全的貝氏體組織。這樣，在較大的線能量范圍內(nèi)，HAZ的組織沒(méi)有變化，從而保持了良好的韌性。當(dāng)Mo增加時(shí)，鋼的強(qiáng)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(jié)晶終止溫度。

    Ni是能夠增加基體金屬韌性并改善強(qiáng)化而不惡化HAZ韌性的元素，隨著Ni的加入，強(qiáng)度和韌性都有改善。尤其在ε-Cu時(shí)效強(qiáng)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(tài)的N，提高HAZ粗晶區(qū)的韌性。TiN粒子在溫度超過(guò)1450℃時(shí)易熔解，產(chǎn)生的自由N原子對(duì)HAZ韌性不利。B與N結(jié)合形成BN，從而改善韌性。

    Re2O3對(duì)熔敷金屬中的夾雜物有球化、細(xì)化作用，提高HAZ的韌性。在焊劑中加入適量的Re2O3后，夾雜物數(shù)量減少。而且，REM在鋼中形成穩(wěn)定細(xì)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(dāng)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(shù)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(jìn)一步增加Cr量，AF將被FS(ferritewithsecondphase)取代。國(guó)外有研究者認(rèn)為Cr量的增加將減少(通常抑制)PF(primaryferrite)的形核，因?yàn)樵贏F晶內(nèi)形核前貝氏體已經(jīng)可以在晶界自由形核。

    4 采用先進(jìn)的生產(chǎn)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(xì)化奧氏體晶粒外，還從生產(chǎn)工藝著手分析了組織控制對(duì)材料韌性的改善作用。

    TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技術(shù)：該技術(shù)把鋼的形變?cè)俳Y(jié)晶與相變效果結(jié)合起來(lái)，以細(xì)化晶粒為主，大大提高鋼材強(qiáng)韌性，使熱軋狀態(tài)鋼材具有良好的低溫韌性和強(qiáng)度。為提高韌性和焊接性能，必須降低鋼中的碳含量和碳當(dāng)量，采用TMCP可以彌補(bǔ)強(qiáng)度的損失，保證鋼材具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

    控制冷卻super-OLAC技術(shù)：這是所謂的加速冷卻型TMCP在板材生產(chǎn)中應(yīng)用的開(kāi)始。該技術(shù)在軋制后加速冷卻過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)理論的冷卻速度，極大的擴(kuò)大了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的冷卻能力。控制冷卻技術(shù)與控制軋制相結(jié)合，可以進(jìn)一步降低厚板中的合金元素，從而減少碳當(dāng)量，提高焊接性能。因?yàn)樵摴に嚥灰獰崽幚砑纯筛纳瓢宀牡膹?qiáng)度和焊接性能，所以在世界范圍被引用。利用該技術(shù)，日本鋼鐵公司研制了從HBL325到HBL385系列低碳當(dāng)量新鋼種，保證了基體材料的性能。此外，該技術(shù)還用于生產(chǎn)高性能橋梁用鋼、坦克和壓力容器用鋼、工程設(shè)備用鋼以及耐磨鋼和瀕海建筑用高強(qiáng)鋼等。

    貝氏體組織控制技術(shù)：貝氏體組織的超低碳鋼其相變對(duì)冷速不敏感，在較大的冷速范圍內(nèi)，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(dāng)冷速達(dá)到25℃/s(相當(dāng)于20kJ/mm)時(shí)仍然有很高的韌性，從而可生產(chǎn)出厚度超過(guò)75mm的高強(qiáng)鋼。采用該技術(shù)，KASAKI公司生產(chǎn)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(duì)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(guò)程中不產(chǎn)生C的再分配，同時(shí)添加其他合金元素在較寬冷速范圍內(nèi)獲得均勻超低碳貝氏體組織。該工藝的關(guān)鍵是沉淀控制技術(shù)，通過(guò)沉淀強(qiáng)化效應(yīng)保持強(qiáng)度。日本利用該技術(shù)研制了高韌性超低碳貝氏體鋼。

    EWEL技術(shù)：日本的EWEL技術(shù)是奧氏體晶粒細(xì)化技術(shù)、奧氏體晶內(nèi)顯微組織控制技術(shù)、化學(xué)成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝和通過(guò)焊縫金屬中的B擴(kuò)散控制熱影響區(qū)組織這四種方法的綜合。其中，奧氏體晶內(nèi)顯微組織控制技術(shù)就是通過(guò)降低Ceq將UB組織轉(zhuǎn)變?yōu)镕+B或者F+P組織。此外，在γ!α相變過(guò)程中，還可以通過(guò)晶內(nèi)鐵素體在BN和Ca的非金屬夾雜上的非均質(zhì)形核而細(xì)化晶內(nèi)組織。BN對(duì)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(shù)(ACR，atomicconcentrationratio)實(shí)現(xiàn)對(duì)夾雜物形貌的控制，顯著提高熱影響區(qū)的韌性。

    大線能量焊接用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

    通過(guò)對(duì)提高鋼大線能量焊接性技術(shù)的研究，目前國(guó)外以日本為代表的國(guó)家已經(jīng)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(guó)內(nèi)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(qǐng)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(qiáng)度，采用Ti的復(fù)合氧化物獲得≥50kJ/cm的抗大線能量焊接性能。

    船板鋼：高強(qiáng)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(jié)能船”。隨著鋼鐵生產(chǎn)和船舶設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，船用鋼的屈服強(qiáng)度也從315MPa增加到355MPa。最近的趨勢(shì)是使用屈服強(qiáng)度更高的高價(jià)值鋼板，比如390MPa的屈服強(qiáng)度。日本已經(jīng)開(kāi)發(fā)出系列適應(yīng)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(yàn)測(cè)試結(jié)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(shù)開(kāi)發(fā)了YP355MPa級(jí)LPG低溫船用板，抗拉強(qiáng)度520MPa，承受的焊接線能量為106kJ/cm；而其開(kāi)發(fā)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(gòu)件用鋼：近年來(lái)，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，瀕海構(gòu)件也用到了極地和深海地區(qū)。隨著強(qiáng)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(yàn)時(shí)零脆轉(zhuǎn)變溫度TNDT低于-85℃以保證充足的斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。

    日本最初應(yīng)用于寒冷地區(qū)能源開(kāi)發(fā)的大線能量焊接厚板為YP360MPa結(jié)構(gòu)鋼板，最大厚度70mm，能夠承受130kJ/cm的線能量。適應(yīng)更高強(qiáng)度的需要，通過(guò)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(yùn)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(jí)鋼板。因?yàn)榧尤肓?.1%的Ni，這些鋼板的低溫韌性也不錯(cuò)。

    橋梁用耐候鋼：現(xiàn)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(shù)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(guò)調(diào)整Mn量，按強(qiáng)度分為三個(gè)等級(jí)：400MPa級(jí)、490MPa級(jí)和570MPa級(jí)，鋼板厚25～75mm。在200kJ/cm的熱輸入條件下HAZ沖擊功超過(guò)47J。用這些耐候鋼制造的橋梁不用涂漆，降低了制造和維護(hù)成本。

    此外，Kawasaki還研制了800MPa級(jí)的非熱處理高韌性超低碳貝氏體鋼棒，取代傳統(tǒng)的淬火回火鋼AISI417 3用于汽車和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。該鋼軋后組織為貝氏體鐵素體(αB)，屈強(qiáng)比達(dá)到85%。利用Cu彌散強(qiáng)化，提高了鋼的耐磨損性能。

    建筑結(jié)構(gòu)用鋼：采用JFEEWEL技術(shù)，日本研制了包括SA440-E在內(nèi)的系列高韌性建筑結(jié)構(gòu)鋼，形成了從490MPa到590MPa的系列建筑結(jié)構(gòu)鋼。運(yùn)用ACR技術(shù)嚴(yán)格控制了Ti、N含量，生產(chǎn)出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉強(qiáng)度為590-740MPa，屈服強(qiáng)度約460MPa。在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm電渣焊條件下，HAZ無(wú)明顯粗化，焊縫金屬組織為細(xì)小的針狀鐵素體，奧氏體晶界處未發(fā)現(xiàn)粗大先共析鐵素體。

    鋼板的研制也促進(jìn)了焊料的開(kāi)發(fā)。通過(guò)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(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形成元素和可以控制焊縫金屬的化學(xué)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(jīng)成為新型焊料的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。日本新開(kāi)發(fā)的高B焊料，就是利用來(lái)自于焊縫的B的擴(kuò)散，細(xì)化焊接熱影響區(qū)組織。利用傳統(tǒng)的焊材進(jìn)行焊接沒(méi)有這種組織細(xì)化現(xiàn)象。同時(shí)，在焊料中引入合金元素降低Ms點(diǎn)，可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

    結(jié)語(yǔ)

    (1)隨著鋼板厚度、強(qiáng)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(yīng)大線能量焊接。

    (2)降低Ceq、利用微合金元素細(xì)化奧氏體晶粒并接合適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝改善組織是提高鋼板焊接性能的主要方法，對(duì)部分元素對(duì)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(chǎn)工藝。

    (3)適應(yīng)大線能量焊接已經(jīng)成為厚板的發(fā)展趨勢(shì)。和國(guó)外特別是和日本相比，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究還有較大差距，加之還有很多機(jī)理問(wèn)題尚未澄清。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，有必要加強(qiáng)這方面的研究工作。


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