大線能量焊接用結(jié)構(gòu)鋼的研究進(jìn)展

1、-真理惟一可靠的標(biāo)準(zhǔn)就是永遠(yuǎn)自相符合大線能量焊接用結(jié)構(gòu)鋼的研究進(jìn)展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(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(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)生焊接冷裂紋問題，給大型鋼結(jié)構(gòu)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

2、能。所以，在追求高強(qiáng)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(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的韌性問題，國內(nèi)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(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)化是同時提高鋼的強(qiáng)度和韌性的途徑。

3、通過降低奧氏體的晶粒尺 寸來增加形核點(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大，同時 增加了相變過程中的形核點(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)過程中有效阻止奧氏體晶粒的長大，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,

4、與N形成(Ti, Nb)N顆粒，其溶解溫度在1350C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的相對含量在0.250.82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(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。2HAZ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途徑。 當(dāng)成分確 定時，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

5、HAZ含有一定數(shù)量的針狀鐵素體（AF時，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AF的形核機(jī)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(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TiN與奧氏體析出。由于TiN粒子與鐵素體的錯配

6、度較小，雙方保持共格關(guān)系，從而有利 于鐵素體晶核的長大。也有分析認(rèn)為這與膨脹系數(shù)有關(guān)。因?yàn)?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，為鐵素體的形核提供了位置；同時，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大；同時，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

7、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

8、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的組織沒有變化，從而保持了良好的韌性。當(dāng)Mo增加時，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TMC P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&Cu時效強(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1450C時易熔解，產(chǎn)生的自由N原子對HAZ韌性不利。B與N結(jié)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(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0、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