大線能量焊接用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展講解課件

安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院2015年10月萊鋼-安徽工業(yè)大學(xué)技術(shù)交流大線能量焊接用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院2015年10月萊鋼-安徽主要內(nèi)容1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀2大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征3實驗室研究情況介紹4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果5結(jié)語主要內(nèi)容1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀焊縫金屬焊接過程中融合線附近的溫度分布焊接線能量（焊接熱輸入）為：Q=I×E/ν

（kJ/cm）I焊接電流(A)、E電弧電壓(V)、ν焊接速度

(cm/s)，一般地將能夠承受線能量超過50kJ/cm的鋼材稱為大線能量焊接用鋼。

大線能量焊接用鋼的定義焊縫金屬焊接過程中融合線附近的溫度分布焊接線能量（焊接熱輸入大熱輸入焊接的關(guān)鍵問題—組織脆化

由于焊接熱輸入的增大，焊接熱影響區(qū)高溫停留時間變長，奧氏體晶粒嚴重粗化；且由于焊后冷卻速度緩慢，在隨后的相變過程中容易形成粗大的側(cè)板條鐵素體、魏氏組織、上貝氏體等異常組織，M-A島數(shù)量增加且粗大，使焊接熱影響區(qū)強度和韌性嚴重惡化，并容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，影響整體結(jié)構(gòu)件的安全使用性能。焊槍及焊絲保護氣背襯材料銅滑塊鋼板氣電立焊示意圖大熱輸入焊接的關(guān)鍵問題—組織脆化由于焊接熱輸入造船過程中焊接工時約占造船總工時的30%-40%，由于中國目前仍不能生產(chǎn)大線能量焊接用鋼，造船效率僅為日本的1/4～1/7。造船廠為提高施工效率和降低成本，已逐步采用更為高效的大線能量焊接方法。建造一艘10萬噸級的船，若采用大線能量焊接鋼板，可提前3個月完工。而國內(nèi)現(xiàn)有的船板鋼只能夠承受50kJ/cm以下的焊接熱輸入。按照目前現(xiàn)有的船舶設(shè)計要求，需要線能量達200~400kJ/cm的船板鋼，而目前國內(nèi)沒有供貨。焊縫金屬的性能可以通過調(diào)整焊接材料和焊接工藝來滿足要求，而焊接熱影響區(qū)（HAZ）性能的改善則必須從根本上改變傳統(tǒng)鋼板本身的固有性能。采用2電極VEGA設(shè)備1次焊接，焊接作業(yè)時間可縮短1/10.板厚60mm大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征示例船板鋼船板焊接造船過程中焊接工時約占造船總工時的30%-40%，由于中國目1水冷滑塊2金屬熔池3渣池4焊接電源5焊絲6送絲輪7導(dǎo)電桿8引出板9出水管10金屬熔滴11進水管12焊縫13起焊槽21mm50mm普通熱輸入焊接—手工焊大熱輸入焊接—電渣焊普通熱輸入焊接：多道次、生產(chǎn)效率低大熱輸入焊接：單道次、生產(chǎn)效率高，成本低

手工焊焊縫電渣焊焊縫50mm大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征示例高層建筑用鋼1水冷滑塊2金屬熔池3渣池4焊接電源5焊絲

近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，使用低合金高強鋼的下游企業(yè)為提高施工效率和降低成本，逐步開始采用更為高效的大線能量焊接方法。目前國內(nèi)常見的大線能量焊接方法如下：（1）雙絲串列埋弧自動焊（2）FCB法多絲埋弧自動單面焊適合9mm～35mm鋼板的雙面單道焊，焊接線能量范圍：9～140kJ/cm適合8mm～35mm鋼板的單面焊，焊接線能量范圍：40～220kJ/cm1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，使用低合金高強鋼（3）單絲氣電自動立焊（4）雙絲氣電自動立焊

為了適應(yīng)大線能量焊接技術(shù)對鋼板的特殊要求，早在90年代日本的新日鐵、JFE等鋼鐵企業(yè)先后采用不同的理念，開發(fā)出適用于造船、橋梁、高層建筑、海洋結(jié)構(gòu)、儲油罐、管線鋼等不同強度級別的大線能量焊接用寬厚鋼板。其中具有代表性的是超高層建筑用SA440鋼板，該鋼板的焊接熱輸入已經(jīng)達到了1100kJ/cm。適合50mm～80mm鋼板，焊接線能量范圍：250～680kJ/cm適合9mm～32mm鋼板，焊接線能量范圍：40～220kJ/cm（3）單絲氣電自動立焊（4）雙絲氣電自動立焊為了適大線能量焊接用鋼板的應(yīng)用領(lǐng)域

船舶

橋梁

高層建筑

海洋結(jié)構(gòu)

石油儲罐

球罐大線能量焊接用鋼板的應(yīng)用領(lǐng)域船舶國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司的EH40船板鋼的焊接熱輸入量已經(jīng)達到680kJ/cm，40至100mm厚度的鋼板可實現(xiàn)一道次焊接成形，其焊接效率比傳統(tǒng)方法提高數(shù)十倍。日本新日鐵公司開發(fā)的EH40造船鋼板，其焊接熱輸入量能夠達到390kJ/cm；日本神戶制鋼開發(fā)出的80mm厚度EH36和EH40鋼板，焊接熱輸入量可達到580kJ/cm；韓國浦項鋼廠開發(fā)的EH40鋼板，焊接熱輸入能夠達到350kJ/cm。造船國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司的EH40船板鋼JFE公司用于海洋結(jié)構(gòu)的高強度鋼種有7個鋼種，耐海水腐蝕鋼的焊接熱輸入能夠達到200kJ/cm，生產(chǎn)的屈服強度400MPa級的低溫海域用TMCP結(jié)構(gòu)鋼，板厚達60mm，其焊接熱輸入量達到193kJ/cm，-60℃的沖擊功最低值大于60J。新日鐵開發(fā)的屈服強度大于420MPa級的低溫海域用TMCP結(jié)構(gòu)鋼，鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-120℃。經(jīng)204kJ/cm的單面單道焊接，-60℃的沖擊功最低值大于60J。住友金屬開發(fā)的抗拉強度500MPa級別的海洋結(jié)構(gòu)用鋼，焊接熱輸入量能夠達到219kJ/cm。海洋工程北極海域石油平臺國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀JFE公司用于海洋結(jié)構(gòu)的高強度鋼種有7個鋼種，耐海水腐蝕鋼的日本JFE公司開發(fā)的MAC355-AD，SA440-E建筑用鋼，其焊接熱輸入量能夠達到1100kJ/cm以上；日本新日鐵開發(fā)的BT-HT440C-HF鋼板，焊接熱輸入量能夠達到1000kJ/cm；日本神戶制鋼開發(fā)的SA440鋼板最大焊接熱輸入量為990kJ/cm；抗拉強度為780MPa級別的建筑用鋼，焊接熱輸入能夠達到400kJ/cm；住友金屬開發(fā)的抗拉強度大于590MPa的建筑用鋼HT590焊接熱輸入量達到980kJ/cm。日本新丸內(nèi)，樓高198m。高層建筑國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司開發(fā)的MAC355-AD，SA440-E建筑用日本采用多位向貝氏體技術(shù)開發(fā)的780MPa級高層建筑用鋼開發(fā)鋼與傳統(tǒng)鋼的力學(xué)性能對比400kJ/cm焊接熱輸入后的沖擊功優(yōu)點：屈強比降低，焊接免預(yù)熱，焊接熱輸入為傳統(tǒng)鋼的8倍。開發(fā)鋼傳統(tǒng)鋼標(biāo)準(zhǔn)日本采用多位向貝氏體技術(shù)開發(fā)的780MPa級神戶制鋼開發(fā)的抗拉強度大于490MPa的橋梁鋼，不需要進行預(yù)熱而實現(xiàn)焊接，焊接熱輸入量達到350kJ/cm。2002年開發(fā)的抗拉強度為≥490MPa的橋梁鋼，焊接熱輸入量能夠達到114kJ/cm，還同時具有良好的耐腐蝕性能，所建成的橋梁可以實現(xiàn)無需做另外的防腐處理；且開發(fā)的抗拉強度大于570MPa的橋梁用鋼BHS500，焊接熱輸入量達到150kJ/cm；JFE公司生產(chǎn)的抗拉強度570MPa級的橋梁鋼可承受240kJ/cm的焊接熱輸入；

新日鐵公司開發(fā)的BHS500橋梁用鋼，焊接熱輸入量可達到100kJ/cm。橋梁日本明石海峽大橋國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀神戶制鋼開發(fā)的抗拉強度大于490MPa的橋梁鋼，不需要進行預(yù)儲油罐、壓力容器與管線日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力容器制造方面也廣泛使用大熱輸入焊接用鋼，在高強度管線鋼X60～X80等也已經(jīng)實現(xiàn)大熱輸入焊接。日本新日鐵、JEF、住友等幾大鋼鐵公司均能夠生產(chǎn)焊接熱輸入達400kJ/cm的石油儲罐鋼板，而供給我國的石油儲罐焊接熱輸入只達到100kJ/cm。此外，日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力容器制造領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛使用大熱輸入焊接用鋼。國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀儲油罐、壓力容器與管線日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力日本新日鐵HTUFF開發(fā)的主要大線能量焊接用鋼種日本新日鐵HTUFF開發(fā)的主要大線能量焊接用鋼種新日鐵HTUFF

技術(shù)生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼產(chǎn)量統(tǒng)計國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀新日鐵HTUFF技術(shù)生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼產(chǎn)量統(tǒng)計國外大線類別國外國內(nèi)公司名稱牌號或主要性能最高熱輸入kJ/cm目前國內(nèi)的正火或TMCP鋼板焊接熱輸入≤50kJ/cm,達到100kJ/cm的鋼板僅有石油儲罐和造船板兩個鋼種船舶JFE公司EH40不預(yù)熱680新日鐵EH40不預(yù)熱390浦項EH40不預(yù)熱350海洋平臺JFE公司Rel＞420MPa,保證焊接接頭-40℃的CTOD和DWT,采用Super-OLAC工藝200新日鐵Rel＞420MPa韌脆轉(zhuǎn)變溫度-120℃;YS500焊接接頭-10℃的CTOD遠高于標(biāo)準(zhǔn);采用TMCP或DQ-T工藝204住友金屬Rm＞500MPa，采用TMCP219橋梁神戶制鋼Rm＞490MPa,不預(yù)熱350管線新日鐵X80150高層建筑JFE、新日鐵、神戶制鋼、住友金屬440MPa、590MPa1100

電渣焊HAZ性能多不合格大線能量焊接用鋼國內(nèi)外對比類別國外國內(nèi)公司名稱牌號或主要性能最高熱輸入kJ/cm目前國日本大熱輸入焊接用鋼的生產(chǎn)技術(shù)——氧化物冶金技術(shù)使鋼中形成納米級Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子，細化奧氏體晶粒的同時利用這些氧化物作為晶內(nèi)針狀鐵素體的形核點，提高大熱輸入焊接CGHAZ的韌性。JFE公司采用的是自己研發(fā)的“JFEEWEL”技術(shù)：神戶制鋼早期采用的是稱為“神戶超韌化技術(shù)”即“KST”技術(shù)并結(jié)合TMCP的精確控制來生產(chǎn)大熱輸入焊接用鋼，而目前采用的是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上又引入新手段的“低碳多方位貝氏體”技術(shù)。新日鐵的“HTUFF”技術(shù)：即控制O、S、Ca的原子濃度比，并控制硫化物形態(tài)。(atomicconcentrationratio，簡稱ACR)

日本大線能量焊接用鋼生產(chǎn)技術(shù)簡介但是，日本各鋼鐵公司有關(guān)大線能量焊接用鋼的信息披露大多只限于說明應(yīng)用效果，而對其理論與技術(shù)細節(jié)卻很少涉及，甚至?xí)吹叫д`導(dǎo)性的報道。日本大熱輸入焊接用鋼的生產(chǎn)技術(shù)——氧化物冶金技術(shù)使鋼中形成納日本的大線能量焊接用鋼廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，最高熱輸入水平達1000kJ/cm；而我國的大線能量焊接用鋼的最高熱輸入水平為100kJ/cm，且僅應(yīng)用于石油儲罐和造船這兩個領(lǐng)域，其它應(yīng)用領(lǐng)域的鋼種熱輸入水平僅為50kJ/cm。在造船鋼板、海洋工程、橋梁、高層建筑、管線、水電、核電、石油化工容器等許多急需大線能量焊接性能的品種鋼，目前尚無應(yīng)用業(yè)績報道。造成這巨大差異的原因是我國還沒有掌握生產(chǎn)大線能量焊接用鋼的工藝控制技術(shù)。這種技術(shù)一直被國外壟斷并實現(xiàn)嚴格的技術(shù)封鎖，國內(nèi)企業(yè)至今還沒有掌握其核心工藝控制技術(shù)而實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。大線能量焊接用鋼國內(nèi)外現(xiàn)狀

打破傳統(tǒng)的TiN機制，引入“氧化物冶金”新概念，利用熱穩(wěn)定性好的高熔點氧化物，采用新型工藝控制方法使鋼中的夾雜物破碎細化。從而在大輸入焊接熱循環(huán)過程中釘扎奧氏體晶粒并促進形成大量針狀鐵素體或貝氏體，細化HAZ組織提高韌性。開發(fā)策略使夾雜物變害為利新工藝日本的大線能量焊接用鋼廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，

晶內(nèi)無夾雜物晶內(nèi)有夾雜物改變晶界組織晶界無鐵素體存在塊狀多邊形鐵素體抑制γ晶粒長大提高HAZ韌性機理通過控制鋼中夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量來控制HAZ相變組織提高鋼板焊接性能的途徑晶內(nèi)無夾雜物晶傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接用鋼焊縫金屬焊縫金屬焊縫金屬針狀鐵素體能夠抑制裂紋傳播、增強抗裂紋傳播的能力。a：貝氏體組織

b：針狀鐵素體提高鋼板大線能量焊接性能的途徑傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊縫金屬焊縫金屬焊縫金屬針狀鐵素體能夠抑制裂紋晶內(nèi)針狀鐵素體分割了原奧氏體晶粒，其位向與晶界形核連續(xù)推進的鐵素體晶粒的位向完全不一樣，由此可明顯抑制非等軸鐵素體晶粒的形成及定向長大；晶內(nèi)針狀鐵素體的形成增加了鐵素體的體積分數(shù)，使鐵素體晶粒細化的同時形狀和分布趨于更加合理；使鋼材在塑、韌性不降低的情況下得到有效強化；韌性較高的晶內(nèi)針狀鐵素體完全包圍了傳統(tǒng)意義上屬于有害的非金屬夾雜物粒子，使夾雜物對鋼材塑、韌性和疲勞性能等的損害程度顯著降低甚至消除；鋼中第二相，包括傳統(tǒng)意義上的夾雜物微細化及其形狀和分布狀態(tài)的有效控制是未來鋼鐵材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的重要方向。晶內(nèi)針狀鐵素體在未來鋼鐵材料研究開發(fā)中的作用晶內(nèi)針狀鐵素體分割了原奧氏體晶粒，其位向與晶界形核連續(xù)推進的晶內(nèi)針狀鐵素體含量與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系只有當(dāng)HAZ組織中的針狀鐵素體含量達到50％以上時，焊接熱影響區(qū)才會顯現(xiàn)出良好的低溫韌性晶內(nèi)針狀鐵素體含量與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系只有當(dāng)HAZ組織中的針HAZ部位奧氏體晶粒尺寸對韌性的影響HAZ部位奧氏體晶粒細小有利于提高韌性HAZ部位奧氏體晶粒尺寸對韌性的影響HAZ部位奧氏體晶粒細小PT1350℃PT1400℃利用TiN機理生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼，當(dāng)溫度達到1300℃時，HAZ區(qū)域約50%的TiN質(zhì)點會發(fā)生溶解而失去抑制晶粒長大的作用；當(dāng)溫度達到1400℃時，在靠近熔合線部位，約88%的TiN質(zhì)點會發(fā)生溶解。當(dāng)焊接線能量＞100kJ/cm后，HAZ區(qū)域的TiN質(zhì)點的分解將更加嚴重，最終導(dǎo)致TiN質(zhì)點失去釘扎作用，造成HAZ韌性的大幅度下降。

TiN粒子在靠近熔合線處溫度達到1400℃溶解，失去形核作用；并且弱化釘扎奧氏體晶界作用，使奧氏體晶粒長大。PT1350℃PT1400℃利用TiN機氮化鈦與氧化鈦改善HAZ韌性效果的對比

在靠近熔合線溫度達1400℃時，TiN機理改善HAZ韌性的效果降低，Ti的氧化物在此高溫區(qū)域發(fā)揮作用，改善韌性。氮化鈦與氧化鈦改善HAZ韌性效果的對比在靠近熔合線溫●

良好的熱穩(wěn)定性（在1400℃左右高溫下不發(fā)生溶解或長大）●微細夾雜物粒徑的有效范圍（阻止奧氏體晶粒粗大并促進晶內(nèi)鐵素體生成）●合理的體積分率（足夠數(shù)量的微細夾雜物，并滿足鋼的純凈度要求）●能夠在鋼中均勻、彌散分布微細第二相粒子的選擇原則●根據(jù)熱力學(xué)計算夾雜物粒子的形核率可得到從大到小分別為MgO＞CaO＞SiO2＞Ti2O3

＞Al2O3

＞MnO●根據(jù)LWS理論計算的理論粒子半徑隨時間變化從小到大分別為MgO＜CaO＜

Al2O3

＜

Ti2O3

＜

SiO2

＜

MnO如何選擇合適的微細第二相粒子類型●良好的熱穩(wěn)定性微細第二相粒子的選擇原則●根據(jù)熱力學(xué)計算夾利用夾雜物形核，促進晶內(nèi)微細針狀鐵素體生成●鐵素體容易在奧氏體內(nèi)非金屬夾雜物處形核●夾雜物周圍溶質(zhì)貧乏區(qū)促進鐵素體形核●夾雜物與鐵素體的晶格錯排度小，造成在低能量界面上優(yōu)先形核●非金屬夾雜物作為惰性介質(zhì)表面，有利于鐵素體形核●在一次鐵素體與奧氏體的高能界面上生成二次鐵素體以夾雜物為核形成的針狀鐵素體組織IAF夾雜物IAF利用夾雜物形核，促進晶內(nèi)微細針狀鐵素體生成●鐵素體容易在奧

Mn是奧氏體穩(wěn)定元素，在γ鐵中Mn的擴散速度比S小，且Mn3+離子半徑和Ti3+相近，(Ti,Mn)2O3顆粒從鐵基中吸收錳原子，造成貧Mn區(qū)的存在，使A3溫度上升，增加了鐵素體形核的化學(xué)自由能。

貧Mn區(qū)的寬度和深度取決于S的含量，還與Si、Al等其它元素有關(guān)，MnS的尺寸也會對IGF形核產(chǎn)生影響。能夠作為IAF的形核質(zhì)點的夾雜物類型有多種。

測試點與界面距離(nm)濃度（wt%）Mn晶內(nèi)針狀鐵素體形核機理之一溶質(zhì)貧乏區(qū)AFMn是奧氏體穩(wěn)定元素，在γ鐵中Mn的擴散速度比S小，且Mn用高溫激光顯微鏡觀察到的針狀鐵素體形成過程用高溫激光顯微鏡觀察到的針狀鐵素體形成過程大線能量焊接用鋼開發(fā)的難點大線能量焊接用鋼開發(fā)的難點

夾雜物OM統(tǒng)計結(jié)果A鋼為傳統(tǒng)冶煉方法，即采用鋼廠現(xiàn)行的合金化方法，不嚴格控制合金添加順序和添加時機；B鋼在冶煉過程中，采用新工藝，控制添加各合金的添加順序和添加時機。3實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼1225個/mm2B鋼4256個/mm2兩爐鋼主要化學(xué)成分相同夾雜物OM統(tǒng)計結(jié)果A鋼為傳統(tǒng)冶煉方法，即采用鋼廠現(xiàn)行的合金

萃取復(fù)型試樣的夾雜物形貌

B鋼中的TiN粒子數(shù)量約為A鋼的4倍，且B鋼中大于0.5μm的TiN粒子并未發(fā)現(xiàn)，A鋼中卻存在大量尺寸大于0.5μm甚至大于1μm的TiN粒子。

兩爐鋼TiN對比結(jié)果實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果兩爐鋼含TiN夾雜物對比結(jié)果萃取復(fù)型試樣的夾雜物形貌B鋼中的TiN粒子數(shù)量A鋼B鋼兩爐鋼的夾雜物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM統(tǒng)計結(jié)果2346個/mm283個/mm25362個/mm2482個/mm2兩爐鋼含TiOx夾雜物對比結(jié)果采用新工藝冶煉的B鋼，含Ti氧化物的夾雜物數(shù)量高于A鋼10倍以上。實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼B鋼兩爐鋼的夾雜物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM統(tǒng)計結(jié)A鋼中大尺寸夾雜物SEM結(jié)果TiN(b)6.7μm5μm16.5μm10μm(a)實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼中大尺寸夾雜物SEM結(jié)果TiN(b)6.7μm5μm16(a)3.1μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果(a)3.1μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物(b)2.9μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果(b)2.9μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物編號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)12014003199263，198，214(225)(b)50014003550163，170，203(179)(c)800140030730185，196，167(183)50μmIAF

IPFGBF(a)GBFIPF

IAF(b)

IPFGBFIAF(c)GranularBainiticFerrite(GBF)IntraGranularFerrite(IGF)IntraPolygonalFerrite(IPF)IntraAcicularFerrite(IAF）新工藝鋼板大線能量焊接后的組織與性能

焊接熱輸入對試驗鋼組織性能的影響實驗室研究結(jié)果編號熱輸入峰值溫度停留時間t8/5Akv(-20℃)(a)傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接熱模擬結(jié)果(a)粗大γ與板片狀GBF;(b)粗大γ與貝氏體，γ尺寸>1mm;(c)粗大GBF、貝氏體與側(cè)板條鐵素體編號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)100140011384(b)100140011386(c)100140011385(b)100μm(c)100μm100μm(a)傳統(tǒng)鋼大線能量焊接后的組織與性能

3實驗室研究結(jié)果傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接熱模擬結(jié)果(a)粗大γ與板片狀GBF;(a)、(c)傳統(tǒng)鋼(b)、(d)新工藝鋼裂紋(c)20μm20μm裂紋C1C2C3C4(d)20μm(a)50μm(b)50μm傳統(tǒng)鋼與工業(yè)試制鋼HAZ區(qū)組織抵抗裂紋傳播形貌對比(a)、(c)傳統(tǒng)鋼(b)、(d)新工2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2μm(a)(b)(c)夾雜物A、B尺寸分別為520nm、600nm；夾雜物C尺寸為450nm，位于GBF晶粒內(nèi)；夾雜物D為尺寸為1.5μm，位于GBF晶粒邊界；夾雜物E尺寸為1.9μm，GBF在長大到此夾雜物時，因受到阻礙而發(fā)生了晶界彎曲，并沒有將夾雜物包覆在GBF晶粒內(nèi)。γ晶界處的夾雜物與組織形貌3實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2夾雜物A尺寸1.2μm；夾雜物B尺寸為2.3μm；夾雜物C尺寸為1.4μm。1μmAα2α12μm4μmCα1

α4α3α28μm2μmBα4α3

α2α1α54μm(a)(b)(c)γ晶粒內(nèi)的夾雜物與組織形貌圖C中α3，α4為二次晶內(nèi)鐵素體(SecondaryintragranularFerrite)3實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響IAF的形成不僅與夾雜物的類型和尺寸有關(guān)，還與夾雜物組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。夾雜物A尺寸1.2μm；1μmAα2α12μm4(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于5μm的復(fù)合夾雜物與IGF形核OM形貌A和B為較大尺寸(3～5μm)夾雜物；C、D、E為中等尺寸(1～3μm)夾雜物；F、G、H，為小尺寸(小于1μm)夾雜物。夾雜物越細小HAZ韌性越好。

3.實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果1、第五代原油儲罐用鋼

新工藝鋼板各項力學(xué)性能匹配合理，全厚度規(guī)格鋼板屈強比小于0.9；焊接熱輸入可達到400kJ/cm，針狀鐵素體含量達80％以上；合金成本比原成分節(jié)省約300元/噸鋼。已通過中石化十建焊接檢測，可滿足15萬m3及以上儲罐要求；中科院金屬所耐H2S腐蝕性能檢測；湖南省科技鑒定。已對國家戰(zhàn)略石油儲備工程批量供貨，獲2013年冶金科學(xué)技術(shù)獎二等獎。2、造船用鋼板

工業(yè)生產(chǎn)的TMCP態(tài)70mm的EH36、EH40鋼板具有良好的大線能量焊接性能，模擬焊接熱輸入可穩(wěn)定達到800kJ/cm；鋼板送中船造船廠進行實際焊接熱輸入達到400kJ/cm以上，滿足船舶焊接設(shè)計的需求。3、壓力容器用鋼板提高壓力容器用鋼板的焊接性能，包括石油化工、水電、核電用鋼。4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果1、第五代原油儲罐用鋼新工藝類別鋼板號板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%Akv(-20℃)/J鋼廠原鋼板30200326357150.8923269試制鋼52200325606450.8725278工業(yè)應(yīng)用結(jié)果類別鋼板號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J鋼廠原鋼板30200100130011389，17，16125130012159，17，14400140033269，3，6試制鋼5220010013001138201，179，12112513001215217，218，19040014003326174，183，152原鋼板

試制鋼第五代原油儲罐用鋼類別鋼板號板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%A類別板厚mm熱輸入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J非試制鋼40196WM103,107,115FL12,8,10FL+1mm20,47,36試制鋼40202WM118,120,125FL100,90,101FL+1mm155,173,175(a)非試制鋼(b)試制鋼兩種鋼板氣電立焊金相組織工業(yè)應(yīng)用結(jié)果(b)(a)原工藝鋼板的HAZ組織粗大；新工藝鋼板的HAZ組織細小。氣電立焊結(jié)果第五代原油儲罐用鋼類別板厚mm熱輸入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J湘鋼儲油罐氣電立焊焊接接頭金相組織(200kJ/cm)(500X)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果第五代原油儲罐用鋼湘鋼儲油罐氣電立焊焊接接頭金相組織(200kJ/cm)(熱輸入kJ/cm峰值溫度℃停留時間st8/5s-20℃AkvJ10014001138287,225,17420014001215267,168,22630014003309262,119,25940014003325231,232,24350014005550196,207,209800140030730217,145,198焊接熱模擬結(jié)果300kJ/cm400kJ/cm焊接熱模擬金相組織(100X)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果造船用鋼板EH40熱輸入kJ/cm峰值溫度℃停留時間st8/5s-20℃Ak

采用新工藝試制的船板鋼的HAZ典型組織與針狀鐵素體

（Q=800kJ/cm；PT=1400℃、t8/5=730s、保溫30s；AKV(-20℃)=188J）

該工藝生產(chǎn)的鋼板的焊接結(jié)果應(yīng)該是目前國內(nèi)的最好研究水平，有望在電渣焊等要求更高線能量的焊接條件下使用。夾雜物工業(yè)應(yīng)用結(jié)果采用新工藝試制的船板鋼的HAZ典型組織與針狀鐵素體線能量/kJ﹒cm-1Rm/MPa沖擊試樣取樣位置Akv(-20℃)/J430545；530上表面焊縫81，70，90熔合線187，136，144熔合線外2mm133，131，140熔合線外5mm218，270，258熔合線外10mm243，231，224下表面焊縫118，140，125熔合線106，73，130熔合線外2mm201，183，137熔合線外5mm205，281，212熔合線外10mm303，303，300工業(yè)應(yīng)用結(jié)果造船廠大線能量焊接結(jié)果線能量/kJ﹒cm-1Rm/MPa沖擊試樣取樣位置Akv(

工業(yè)應(yīng)用結(jié)果與南鋼合作的大線能量焊接項目以海洋工程用正火鋼為基礎(chǔ)，采用新型生產(chǎn)工藝技術(shù)來生產(chǎn)大線能量焊接用鋼，目前已經(jīng)完成了工業(yè)試制，獲得了圓滿成功。試制鋼在Ceq值高達0.44的條件下，焊接線能量水平達到300kJ/cm，已經(jīng)超過國際最高200kJ/cm的水平。大線能量焊接熔合線部位金相組織工業(yè)應(yīng)用結(jié)果與南鋼合作的大線能量焊接項目以海洋基于新技術(shù)實驗室已經(jīng)開發(fā)出的原型鋼有：造船板日本的造船效率是我國的4~7倍，大型船舶使用的厚鋼板焊接線能量可達400kJ/cm，這類鋼板的焊接效率是傳統(tǒng)鋼板的10倍以上，而目前國內(nèi)無此類產(chǎn)品供貨；原型鋼可承受800kJ/cm的焊接熱輸入；(2)高層建筑用鋼目前國內(nèi)的高層建筑用鋼常用的電渣焊熱輸入為200~400kJ/cm左右，其HAZ韌性基本不合格，制定國家標(biāo)準(zhǔn)的幾家單位對此只能采取結(jié)構(gòu)性彌補措施，不采用大線能量焊接用鋼則難以消除HAZ脆化的安全隱患。國內(nèi)至今還不能生產(chǎn)這類鋼板，且這類鋼板不需要認證即可迅速擴大市場份額；原型鋼可承受1000kJ/cm的焊接熱輸入；(3)橋梁鋼開發(fā)出國產(chǎn)的大線能量焊接用橋梁鋼，將大幅度降低施工單位的焊接成本，加快施工進度，且不需要認證即可實現(xiàn)供貨；原型鋼可承受400kJ/cm的焊接熱輸入；

最新研究成果基于新技術(shù)實驗室已經(jīng)開發(fā)出的原型鋼有：最新研究成果(4)管線鋼國產(chǎn)管線鋼的焊接一直是瓶頸，X80實際焊接線能量多為30kJ/cm，可采用新技術(shù)將焊接線能量提高到50kJ/cm以上，在能夠解決夾雜物超標(biāo)問題的同時，還可解決施工單位焊接難的問題；原型鋼可承受200kJ/cm的焊接熱輸入；(5)水電、核電、石油化工壓力容器鋼板采用新技術(shù)可生產(chǎn)出易焊接、免預(yù)熱類鋼板，或?qū)崿F(xiàn)大線能量焊接性能。原型鋼可承受300kJ/cm的焊接熱輸入；(6)海工鋼

十三五規(guī)劃中重點發(fā)展海洋工程，大量中厚板及型鋼需要良好的焊接性能，采用新技術(shù)可大幅度提高鋼板的焊接效率。原型鋼可承受300kJ/cm的焊接熱輸入；

最新研究成果(4)管線鋼最新研究成果(6)特厚鋼板對于特厚鋼板的軋制，由于鋼板厚度的增加，現(xiàn)行的TMCP工藝對鋼材晶粒細化的效果非常有限，尤其是厚鋼板的心部組織難以實現(xiàn)細化。采用新工藝可改善這類厚鋼板的心部組織并借助于晶內(nèi)鐵素體或多位向貝氏體的形成，提高鋼板的強韌性能。原型鋼采用控制析出+控制冷卻新工藝，取消了未再結(jié)晶軋制；(7)高強鋼及超高強度鋼

目前國產(chǎn)80~100kg級別高強度鋼的焊接一直是個難題，除了要嚴格控制熱輸入以外，還要嚴格控制預(yù)熱及冷卻。采用新技術(shù)開發(fā)出的80～100kg級別的高強度鋼及超高強度鋼，使這類鋼板具有易焊接性能，能夠?qū)崿F(xiàn)免預(yù)熱。該技術(shù)也可應(yīng)用于提高軍工類用鋼的焊接性能，包括航母用鋼及軍用艦艇、裝甲等鋼材。(8)大型H型鋼等型材、軸承鋼等線棒材、鑄鍛件等特鋼通過夾雜物的充分細化，可提高其綜合性能。

最新研究成果(6)特厚鋼板最新研究成果

原料

壓縮比

綜合分析

特厚規(guī)格板坯4-6坯厚增加，雙鼓變形道次增加，變形滲透更加困難，中心偏析、疏松、裂紋、夾雜等缺陷不能被有效減弱或消除，相反還會更加惡化心部性能雙坯焊接復(fù)合特厚板坯4-6中心偏析、疏松、裂紋、夾雜等缺陷被轉(zhuǎn)移到坯料的1/4處，有利于變形滲透并改善鋼板心部組織性能，但需要增加設(shè)備改造的額外投資傳統(tǒng)規(guī)格板坯2-3坯厚減薄，有利于變形滲透和心部質(zhì)量性能的改善，無額外投資，但總變形量嚴重不足，需探討能夠保證使用性能的低壓縮比特厚板制造新技術(shù)

問題的提出：隨連鑄坯技術(shù)的進步，逐漸形成以連鑄板坯取代傳統(tǒng)鑄鋼錠生產(chǎn)特厚板的趨勢，而隨著板厚規(guī)格的增加，從滿足壓縮比的角度考慮，又出現(xiàn)了連鑄坯厚度不斷增大的趨勢。幾種主要特厚板生產(chǎn)工藝存在的問題如下：

最新研究成果原料壓縮比綜合分析新思路—控制析出+控制冷卻受大線能量焊接熱影響區(qū)組織的細化是在高溫、無變形、慢冷條件下形成的事實啟發(fā)，提出將這種組織應(yīng)用于低壓縮比特厚板制造的新思路：控制析出+控制冷卻。具體措施：弱化或完全取消奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，將幾乎全部變形量用于高溫區(qū)的鑄坯缺陷消除，達到將有效壓縮比由大約2-3提高到約4-6的相同效果；同時通過奧氏體形態(tài)和軋后冷卻過程的精細控制，促成微細第二相粒子誘導(dǎo)的晶內(nèi)鐵素體或多位向貝氏體在線生成，以保障特厚板的綜合使用性能并兼?zhèn)浯缶€能量焊接性能。可適用于無法充分發(fā)揮TMCP工藝優(yōu)勢的鋼材工業(yè)生產(chǎn)。小的奧氏體晶粒奧氏體形變硬化奧氏體析出第二相（再結(jié)晶）（應(yīng)變累積）（氧化物冶金技術(shù)）鐵素體形核率增加冷卻速度增大（快速冷卻技術(shù)）（鐵素體相變驅(qū)動力增加）新思路

最新研究成果新思路—控制析出+控制冷卻受大線能量焊接熱影響區(qū)組織的細化是（a）傳統(tǒng)鋼（b）開發(fā)鋼增加氧化物質(zhì)點能夠有效細化鑄態(tài)晶粒有氧化鈦類夾雜物

無氧化鈦類夾雜物高Mn鋼連鑄坯微觀組織

采用“氧化物冶金”原理，將本屬于有害的夾雜物經(jīng)有利化處理后，生成高溫下穩(wěn)定的微細氧化物或復(fù)合夾雜物粒子并使這些第二相粒子成為凝固過程中二次析出粒子和鋼液凝固的形核質(zhì)點，縮小枝晶間距，降低元素偏析，細化鑄坯原始晶粒組織。能夠在連鑄坯、大型鑄件工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

最新研究成果-鑄態(tài)組織改善（a）傳統(tǒng)鋼（b）開發(fā)鋼增加氧化物質(zhì)點能夠有效謝謝大家！謝謝大家！

安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院2015年10月萊鋼-安徽工業(yè)大學(xué)技術(shù)交流大線能量焊接用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院2015年10月萊鋼-安徽主要內(nèi)容1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀2大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征3實驗室研究情況介紹4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果5結(jié)語主要內(nèi)容1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀焊縫金屬焊接過程中融合線附近的溫度分布焊接線能量（焊接熱輸入）為：Q=I×E/ν

（kJ/cm）I焊接電流(A)、E電弧電壓(V)、ν焊接速度

(cm/s)，一般地將能夠承受線能量超過50kJ/cm的鋼材稱為大線能量焊接用鋼。

大線能量焊接用鋼的定義焊縫金屬焊接過程中融合線附近的溫度分布焊接線能量（焊接熱輸入大熱輸入焊接的關(guān)鍵問題—組織脆化

由于焊接熱輸入的增大，焊接熱影響區(qū)高溫停留時間變長，奧氏體晶粒嚴重粗化；且由于焊后冷卻速度緩慢，在隨后的相變過程中容易形成粗大的側(cè)板條鐵素體、魏氏組織、上貝氏體等異常組織，M-A島數(shù)量增加且粗大，使焊接熱影響區(qū)強度和韌性嚴重惡化，并容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，影響整體結(jié)構(gòu)件的安全使用性能。焊槍及焊絲保護氣背襯材料銅滑塊鋼板氣電立焊示意圖大熱輸入焊接的關(guān)鍵問題—組織脆化由于焊接熱輸入造船過程中焊接工時約占造船總工時的30%-40%，由于中國目前仍不能生產(chǎn)大線能量焊接用鋼，造船效率僅為日本的1/4～1/7。造船廠為提高施工效率和降低成本，已逐步采用更為高效的大線能量焊接方法。建造一艘10萬噸級的船，若采用大線能量焊接鋼板，可提前3個月完工。而國內(nèi)現(xiàn)有的船板鋼只能夠承受50kJ/cm以下的焊接熱輸入。按照目前現(xiàn)有的船舶設(shè)計要求，需要線能量達200~400kJ/cm的船板鋼，而目前國內(nèi)沒有供貨。焊縫金屬的性能可以通過調(diào)整焊接材料和焊接工藝來滿足要求，而焊接熱影響區(qū)（HAZ）性能的改善則必須從根本上改變傳統(tǒng)鋼板本身的固有性能。采用2電極VEGA設(shè)備1次焊接，焊接作業(yè)時間可縮短1/10.板厚60mm大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征示例船板鋼船板焊接造船過程中焊接工時約占造船總工時的30%-40%，由于中國目1水冷滑塊2金屬熔池3渣池4焊接電源5焊絲6送絲輪7導(dǎo)電桿8引出板9出水管10金屬熔滴11進水管12焊縫13起焊槽21mm50mm普通熱輸入焊接—手工焊大熱輸入焊接—電渣焊普通熱輸入焊接：多道次、生產(chǎn)效率低大熱輸入焊接：單道次、生產(chǎn)效率高，成本低

手工焊焊縫電渣焊焊縫50mm大線能量焊接用鋼的技術(shù)特征示例高層建筑用鋼1水冷滑塊2金屬熔池3渣池4焊接電源5焊絲

近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，使用低合金高強鋼的下游企業(yè)為提高施工效率和降低成本，逐步開始采用更為高效的大線能量焊接方法。目前國內(nèi)常見的大線能量焊接方法如下：（1）雙絲串列埋弧自動焊（2）FCB法多絲埋弧自動單面焊適合9mm～35mm鋼板的雙面單道焊，焊接線能量范圍：9～140kJ/cm適合8mm～35mm鋼板的單面焊，焊接線能量范圍：40～220kJ/cm1大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，使用低合金高強鋼（3）單絲氣電自動立焊（4）雙絲氣電自動立焊

為了適應(yīng)大線能量焊接技術(shù)對鋼板的特殊要求，早在90年代日本的新日鐵、JFE等鋼鐵企業(yè)先后采用不同的理念，開發(fā)出適用于造船、橋梁、高層建筑、海洋結(jié)構(gòu)、儲油罐、管線鋼等不同強度級別的大線能量焊接用寬厚鋼板。其中具有代表性的是超高層建筑用SA440鋼板，該鋼板的焊接熱輸入已經(jīng)達到了1100kJ/cm。適合50mm～80mm鋼板，焊接線能量范圍：250～680kJ/cm適合9mm～32mm鋼板，焊接線能量范圍：40～220kJ/cm（3）單絲氣電自動立焊（4）雙絲氣電自動立焊為了適大線能量焊接用鋼板的應(yīng)用領(lǐng)域

船舶

橋梁

高層建筑

海洋結(jié)構(gòu)

石油儲罐

球罐大線能量焊接用鋼板的應(yīng)用領(lǐng)域船舶國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司的EH40船板鋼的焊接熱輸入量已經(jīng)達到680kJ/cm，40至100mm厚度的鋼板可實現(xiàn)一道次焊接成形，其焊接效率比傳統(tǒng)方法提高數(shù)十倍。日本新日鐵公司開發(fā)的EH40造船鋼板，其焊接熱輸入量能夠達到390kJ/cm；日本神戶制鋼開發(fā)出的80mm厚度EH36和EH40鋼板，焊接熱輸入量可達到580kJ/cm；韓國浦項鋼廠開發(fā)的EH40鋼板，焊接熱輸入能夠達到350kJ/cm。造船國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司的EH40船板鋼JFE公司用于海洋結(jié)構(gòu)的高強度鋼種有7個鋼種，耐海水腐蝕鋼的焊接熱輸入能夠達到200kJ/cm，生產(chǎn)的屈服強度400MPa級的低溫海域用TMCP結(jié)構(gòu)鋼，板厚達60mm，其焊接熱輸入量達到193kJ/cm，-60℃的沖擊功最低值大于60J。新日鐵開發(fā)的屈服強度大于420MPa級的低溫海域用TMCP結(jié)構(gòu)鋼，鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-120℃。經(jīng)204kJ/cm的單面單道焊接，-60℃的沖擊功最低值大于60J。住友金屬開發(fā)的抗拉強度500MPa級別的海洋結(jié)構(gòu)用鋼，焊接熱輸入量能夠達到219kJ/cm。海洋工程北極海域石油平臺國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀JFE公司用于海洋結(jié)構(gòu)的高強度鋼種有7個鋼種，耐海水腐蝕鋼的日本JFE公司開發(fā)的MAC355-AD，SA440-E建筑用鋼，其焊接熱輸入量能夠達到1100kJ/cm以上；日本新日鐵開發(fā)的BT-HT440C-HF鋼板，焊接熱輸入量能夠達到1000kJ/cm；日本神戶制鋼開發(fā)的SA440鋼板最大焊接熱輸入量為990kJ/cm；抗拉強度為780MPa級別的建筑用鋼，焊接熱輸入能夠達到400kJ/cm；住友金屬開發(fā)的抗拉強度大于590MPa的建筑用鋼HT590焊接熱輸入量達到980kJ/cm。日本新丸內(nèi)，樓高198m。高層建筑國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀日本JFE公司開發(fā)的MAC355-AD，SA440-E建筑用日本采用多位向貝氏體技術(shù)開發(fā)的780MPa級高層建筑用鋼開發(fā)鋼與傳統(tǒng)鋼的力學(xué)性能對比400kJ/cm焊接熱輸入后的沖擊功優(yōu)點：屈強比降低，焊接免預(yù)熱，焊接熱輸入為傳統(tǒng)鋼的8倍。開發(fā)鋼傳統(tǒng)鋼標(biāo)準(zhǔn)日本采用多位向貝氏體技術(shù)開發(fā)的780MPa級神戶制鋼開發(fā)的抗拉強度大于490MPa的橋梁鋼，不需要進行預(yù)熱而實現(xiàn)焊接，焊接熱輸入量達到350kJ/cm。2002年開發(fā)的抗拉強度為≥490MPa的橋梁鋼，焊接熱輸入量能夠達到114kJ/cm，還同時具有良好的耐腐蝕性能，所建成的橋梁可以實現(xiàn)無需做另外的防腐處理；且開發(fā)的抗拉強度大于570MPa的橋梁用鋼BHS500，焊接熱輸入量達到150kJ/cm；JFE公司生產(chǎn)的抗拉強度570MPa級的橋梁鋼可承受240kJ/cm的焊接熱輸入；

新日鐵公司開發(fā)的BHS500橋梁用鋼，焊接熱輸入量可達到100kJ/cm。橋梁日本明石海峽大橋國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀神戶制鋼開發(fā)的抗拉強度大于490MPa的橋梁鋼，不需要進行預(yù)儲油罐、壓力容器與管線日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力容器制造方面也廣泛使用大熱輸入焊接用鋼，在高強度管線鋼X60～X80等也已經(jīng)實現(xiàn)大熱輸入焊接。日本新日鐵、JEF、住友等幾大鋼鐵公司均能夠生產(chǎn)焊接熱輸入達400kJ/cm的石油儲罐鋼板，而供給我國的石油儲罐焊接熱輸入只達到100kJ/cm。此外，日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力容器制造領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛使用大熱輸入焊接用鋼。國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀儲油罐、壓力容器與管線日本在水電、核電、石油化工等行業(yè)的壓力日本新日鐵HTUFF開發(fā)的主要大線能量焊接用鋼種日本新日鐵HTUFF開發(fā)的主要大線能量焊接用鋼種新日鐵HTUFF

技術(shù)生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼產(chǎn)量統(tǒng)計國外大線能量焊接用鋼的研究現(xiàn)狀新日鐵HTUFF技術(shù)生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼產(chǎn)量統(tǒng)計國外大線類別國外國內(nèi)公司名稱牌號或主要性能最高熱輸入kJ/cm目前國內(nèi)的正火或TMCP鋼板焊接熱輸入≤50kJ/cm,達到100kJ/cm的鋼板僅有石油儲罐和造船板兩個鋼種船舶JFE公司EH40不預(yù)熱680新日鐵EH40不預(yù)熱390浦項EH40不預(yù)熱350海洋平臺JFE公司Rel＞420MPa,保證焊接接頭-40℃的CTOD和DWT,采用Super-OLAC工藝200新日鐵Rel＞420MPa韌脆轉(zhuǎn)變溫度-120℃;YS500焊接接頭-10℃的CTOD遠高于標(biāo)準(zhǔn);采用TMCP或DQ-T工藝204住友金屬Rm＞500MPa，采用TMCP219橋梁神戶制鋼Rm＞490MPa,不預(yù)熱350管線新日鐵X80150高層建筑JFE、新日鐵、神戶制鋼、住友金屬440MPa、590MPa1100

電渣焊HAZ性能多不合格大線能量焊接用鋼國內(nèi)外對比類別國外國內(nèi)公司名稱牌號或主要性能最高熱輸入kJ/cm目前國日本大熱輸入焊接用鋼的生產(chǎn)技術(shù)——氧化物冶金技術(shù)使鋼中形成納米級Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子，細化奧氏體晶粒的同時利用這些氧化物作為晶內(nèi)針狀鐵素體的形核點，提高大熱輸入焊接CGHAZ的韌性。JFE公司采用的是自己研發(fā)的“JFEEWEL”技術(shù)：神戶制鋼早期采用的是稱為“神戶超韌化技術(shù)”即“KST”技術(shù)并結(jié)合TMCP的精確控制來生產(chǎn)大熱輸入焊接用鋼，而目前采用的是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上又引入新手段的“低碳多方位貝氏體”技術(shù)。新日鐵的“HTUFF”技術(shù)：即控制O、S、Ca的原子濃度比，并控制硫化物形態(tài)。(atomicconcentrationratio，簡稱ACR)

日本大線能量焊接用鋼生產(chǎn)技術(shù)簡介但是，日本各鋼鐵公司有關(guān)大線能量焊接用鋼的信息披露大多只限于說明應(yīng)用效果，而對其理論與技術(shù)細節(jié)卻很少涉及，甚至?xí)吹叫д`導(dǎo)性的報道。日本大熱輸入焊接用鋼的生產(chǎn)技術(shù)——氧化物冶金技術(shù)使鋼中形成納日本的大線能量焊接用鋼廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，最高熱輸入水平達1000kJ/cm；而我國的大線能量焊接用鋼的最高熱輸入水平為100kJ/cm，且僅應(yīng)用于石油儲罐和造船這兩個領(lǐng)域，其它應(yīng)用領(lǐng)域的鋼種熱輸入水平僅為50kJ/cm。在造船鋼板、海洋工程、橋梁、高層建筑、管線、水電、核電、石油化工容器等許多急需大線能量焊接性能的品種鋼，目前尚無應(yīng)用業(yè)績報道。造成這巨大差異的原因是我國還沒有掌握生產(chǎn)大線能量焊接用鋼的工藝控制技術(shù)。這種技術(shù)一直被國外壟斷并實現(xiàn)嚴格的技術(shù)封鎖，國內(nèi)企業(yè)至今還沒有掌握其核心工藝控制技術(shù)而實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。大線能量焊接用鋼國內(nèi)外現(xiàn)狀

打破傳統(tǒng)的TiN機制，引入“氧化物冶金”新概念，利用熱穩(wěn)定性好的高熔點氧化物，采用新型工藝控制方法使鋼中的夾雜物破碎細化。從而在大輸入焊接熱循環(huán)過程中釘扎奧氏體晶粒并促進形成大量針狀鐵素體或貝氏體，細化HAZ組織提高韌性。開發(fā)策略使夾雜物變害為利新工藝日本的大線能量焊接用鋼廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，

晶內(nèi)無夾雜物晶內(nèi)有夾雜物改變晶界組織晶界無鐵素體存在塊狀多邊形鐵素體抑制γ晶粒長大提高HAZ韌性機理通過控制鋼中夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量來控制HAZ相變組織提高鋼板焊接性能的途徑晶內(nèi)無夾雜物晶傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接用鋼焊縫金屬焊縫金屬焊縫金屬針狀鐵素體能夠抑制裂紋傳播、增強抗裂紋傳播的能力。a：貝氏體組織

b：針狀鐵素體提高鋼板大線能量焊接性能的途徑傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊縫金屬焊縫金屬焊縫金屬針狀鐵素體能夠抑制裂紋晶內(nèi)針狀鐵素體分割了原奧氏體晶粒，其位向與晶界形核連續(xù)推進的鐵素體晶粒的位向完全不一樣，由此可明顯抑制非等軸鐵素體晶粒的形成及定向長大；晶內(nèi)針狀鐵素體的形成增加了鐵素體的體積分數(shù)，使鐵素體晶粒細化的同時形狀和分布趨于更加合理；使鋼材在塑、韌性不降低的情況下得到有效強化；韌性較高的晶內(nèi)針狀鐵素體完全包圍了傳統(tǒng)意義上屬于有害的非金屬夾雜物粒子，使夾雜物對鋼材塑、韌性和疲勞性能等的損害程度顯著降低甚至消除；鋼中第二相，包括傳統(tǒng)意義上的夾雜物微細化及其形狀和分布狀態(tài)的有效控制是未來鋼鐵材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的重要方向。晶內(nèi)針狀鐵素體在未來鋼鐵材料研究開發(fā)中的作用晶內(nèi)針狀鐵素體分割了原奧氏體晶粒，其位向與晶界形核連續(xù)推進的晶內(nèi)針狀鐵素體含量與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系只有當(dāng)HAZ組織中的針狀鐵素體含量達到50％以上時，焊接熱影響區(qū)才會顯現(xiàn)出良好的低溫韌性晶內(nèi)針狀鐵素體含量與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系只有當(dāng)HAZ組織中的針HAZ部位奧氏體晶粒尺寸對韌性的影響HAZ部位奧氏體晶粒細小有利于提高韌性HAZ部位奧氏體晶粒尺寸對韌性的影響HAZ部位奧氏體晶粒細小PT1350℃PT1400℃利用TiN機理生產(chǎn)的大線能量焊接用鋼，當(dāng)溫度達到1300℃時，HAZ區(qū)域約50%的TiN質(zhì)點會發(fā)生溶解而失去抑制晶粒長大的作用；當(dāng)溫度達到1400℃時，在靠近熔合線部位，約88%的TiN質(zhì)點會發(fā)生溶解。當(dāng)焊接線能量＞100kJ/cm后，HAZ區(qū)域的TiN質(zhì)點的分解將更加嚴重，最終導(dǎo)致TiN質(zhì)點失去釘扎作用，造成HAZ韌性的大幅度下降。

TiN粒子在靠近熔合線處溫度達到1400℃溶解，失去形核作用；并且弱化釘扎奧氏體晶界作用，使奧氏體晶粒長大。PT1350℃PT1400℃利用TiN機氮化鈦與氧化鈦改善HAZ韌性效果的對比

在靠近熔合線溫度達1400℃時，TiN機理改善HAZ韌性的效果降低，Ti的氧化物在此高溫區(qū)域發(fā)揮作用，改善韌性。氮化鈦與氧化鈦改善HAZ韌性效果的對比在靠近熔合線溫●

良好的熱穩(wěn)定性（在1400℃左右高溫下不發(fā)生溶解或長大）●微細夾雜物粒徑的有效范圍（阻止奧氏體晶粒粗大并促進晶內(nèi)鐵素體生成）●合理的體積分率（足夠數(shù)量的微細夾雜物，并滿足鋼的純凈度要求）●能夠在鋼中均勻、彌散分布微細第二相粒子的選擇原則●根據(jù)熱力學(xué)計算夾雜物粒子的形核率可得到從大到小分別為MgO＞CaO＞SiO2＞Ti2O3

＞Al2O3

＞MnO●根據(jù)LWS理論計算的理論粒子半徑隨時間變化從小到大分別為MgO＜CaO＜

Al2O3

＜

Ti2O3

＜

SiO2

＜

MnO如何選擇合適的微細第二相粒子類型●良好的熱穩(wěn)定性微細第二相粒子的選擇原則●根據(jù)熱力學(xué)計算夾利用夾雜物形核，促進晶內(nèi)微細針狀鐵素體生成●鐵素體容易在奧氏體內(nèi)非金屬夾雜物處形核●夾雜物周圍溶質(zhì)貧乏區(qū)促進鐵素體形核●夾雜物與鐵素體的晶格錯排度小，造成在低能量界面上優(yōu)先形核●非金屬夾雜物作為惰性介質(zhì)表面，有利于鐵素體形核●在一次鐵素體與奧氏體的高能界面上生成二次鐵素體以夾雜物為核形成的針狀鐵素體組織IAF夾雜物IAF利用夾雜物形核，促進晶內(nèi)微細針狀鐵素體生成●鐵素體容易在奧

Mn是奧氏體穩(wěn)定元素，在γ鐵中Mn的擴散速度比S小，且Mn3+離子半徑和Ti3+相近，(Ti,Mn)2O3顆粒從鐵基中吸收錳原子，造成貧Mn區(qū)的存在，使A3溫度上升，增加了鐵素體形核的化學(xué)自由能。

貧Mn區(qū)的寬度和深度取決于S的含量，還與Si、Al等其它元素有關(guān)，MnS的尺寸也會對IGF形核產(chǎn)生影響。能夠作為IAF的形核質(zhì)點的夾雜物類型有多種。

測試點與界面距離(nm)濃度（wt%）Mn晶內(nèi)針狀鐵素體形核機理之一溶質(zhì)貧乏區(qū)AFMn是奧氏體穩(wěn)定元素，在γ鐵中Mn的擴散速度比S小，且Mn用高溫激光顯微鏡觀察到的針狀鐵素體形成過程用高溫激光顯微鏡觀察到的針狀鐵素體形成過程大線能量焊接用鋼開發(fā)的難點大線能量焊接用鋼開發(fā)的難點

夾雜物OM統(tǒng)計結(jié)果A鋼為傳統(tǒng)冶煉方法，即采用鋼廠現(xiàn)行的合金化方法，不嚴格控制合金添加順序和添加時機；B鋼在冶煉過程中，采用新工藝，控制添加各合金的添加順序和添加時機。3實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼1225個/mm2B鋼4256個/mm2兩爐鋼主要化學(xué)成分相同夾雜物OM統(tǒng)計結(jié)果A鋼為傳統(tǒng)冶煉方法，即采用鋼廠現(xiàn)行的合金

萃取復(fù)型試樣的夾雜物形貌

B鋼中的TiN粒子數(shù)量約為A鋼的4倍，且B鋼中大于0.5μm的TiN粒子并未發(fā)現(xiàn)，A鋼中卻存在大量尺寸大于0.5μm甚至大于1μm的TiN粒子。

兩爐鋼TiN對比結(jié)果實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果兩爐鋼含TiN夾雜物對比結(jié)果萃取復(fù)型試樣的夾雜物形貌B鋼中的TiN粒子數(shù)量A鋼B鋼兩爐鋼的夾雜物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM統(tǒng)計結(jié)果2346個/mm283個/mm25362個/mm2482個/mm2兩爐鋼含TiOx夾雜物對比結(jié)果采用新工藝冶煉的B鋼，含Ti氧化物的夾雜物數(shù)量高于A鋼10倍以上。實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼B鋼兩爐鋼的夾雜物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM統(tǒng)計結(jié)A鋼中大尺寸夾雜物SEM結(jié)果TiN(b)6.7μm5μm16.5μm10μm(a)實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果A鋼中大尺寸夾雜物SEM結(jié)果TiN(b)6.7μm5μm16(a)3.1μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果(a)3.1μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物(b)2.9μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物的控制研究結(jié)果(b)2.9μm3μmB鋼中夾雜物SEM結(jié)果示例實驗室夾雜物編號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)12014003199263，198，214(225)(b)50014003550163，170，203(179)(c)800140030730185，196，167(183)50μmIAF

IPFGBF(a)GBFIPF

IAF(b)

IPFGBFIAF(c)GranularBainiticFerrite(GBF)IntraGranularFerrite(IGF)IntraPolygonalFerrite(IPF)IntraAcicularFerrite(IAF）新工藝鋼板大線能量焊接后的組織與性能

焊接熱輸入對試驗鋼組織性能的影響實驗室研究結(jié)果編號熱輸入峰值溫度停留時間t8/5Akv(-20℃)(a)傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接熱模擬結(jié)果(a)粗大γ與板片狀GBF;(b)粗大γ與貝氏體，γ尺寸>1mm;(c)粗大GBF、貝氏體與側(cè)板條鐵素體編號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)100140011384(b)100140011386(c)100140011385(b)100μm(c)100μm100μm(a)傳統(tǒng)鋼大線能量焊接后的組織與性能

3實驗室研究結(jié)果傳統(tǒng)鋼大熱輸入焊接熱模擬結(jié)果(a)粗大γ與板片狀GBF;(a)、(c)傳統(tǒng)鋼(b)、(d)新工藝鋼裂紋(c)20μm20μm裂紋C1C2C3C4(d)20μm(a)50μm(b)50μm傳統(tǒng)鋼與工業(yè)試制鋼HAZ區(qū)組織抵抗裂紋傳播形貌對比(a)、(c)傳統(tǒng)鋼(b)、(d)新工2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2μm(a)(b)(c)夾雜物A、B尺寸分別為520nm、600nm；夾雜物C尺寸為450nm，位于GBF晶粒內(nèi)；夾雜物D為尺寸為1.5μm，位于GBF晶粒邊界；夾雜物E尺寸為1.9μm，GBF在長大到此夾雜物時，因受到阻礙而發(fā)生了晶界彎曲，并沒有將夾雜物包覆在GBF晶粒內(nèi)。γ晶界處的夾雜物與組織形貌3實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2夾雜物A尺寸1.2μm；夾雜物B尺寸為2.3μm；夾雜物C尺寸為1.4μm。1μmAα2α12μm4μmCα1

α4α3α28μm2μmBα4α3

α2α1α54μm(a)(b)(c)γ晶粒內(nèi)的夾雜物與組織形貌圖C中α3，α4為二次晶內(nèi)鐵素體(SecondaryintragranularFerrite)3實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響IAF的形成不僅與夾雜物的類型和尺寸有關(guān)，還與夾雜物組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。夾雜物A尺寸1.2μm；1μmAα2α12μm4(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于5μm的復(fù)合夾雜物與IGF形核OM形貌A和B為較大尺寸(3～5μm)夾雜物；C、D、E為中等尺寸(1～3μm)夾雜物；F、G、H，為小尺寸(小于1μm)夾雜物。夾雜物越細小HAZ韌性越好。

3.實驗室研究結(jié)果夾雜物對鐵素體形核的影響(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果1、第五代原油儲罐用鋼

新工藝鋼板各項力學(xué)性能匹配合理，全厚度規(guī)格鋼板屈強比小于0.9；焊接熱輸入可達到400kJ/cm，針狀鐵素體含量達80％以上；合金成本比原成分節(jié)省約300元/噸鋼。已通過中石化十建焊接檢測，可滿足15萬m3及以上儲罐要求；中科院金屬所耐H2S腐蝕性能檢測；湖南省科技鑒定。已對國家戰(zhàn)略石油儲備工程批量供貨，獲2013年冶金科學(xué)技術(shù)獎二等獎。2、造船用鋼板

工業(yè)生產(chǎn)的TMCP態(tài)70mm的EH36、EH40鋼板具有良好的大線能量焊接性能，模擬焊接熱輸入可穩(wěn)定達到800kJ/cm；鋼板送中船造船廠進行實際焊接熱輸入達到400kJ/cm以上，滿足船舶焊接設(shè)計的需求。3、壓力容器用鋼板提高壓力容器用鋼板的焊接性能，包括石油化工、水電、核電用鋼。4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果1、第五代原油儲罐用鋼新工藝類別鋼板號板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%Akv(-20℃)/J鋼廠原鋼板30200326357150.8923269試制鋼52200325606450.8725278工業(yè)應(yīng)用結(jié)果類別鋼板號熱輸入/kJ·cm-1峰值溫度/℃停留時間/st8/5/sAkv(-20℃)/J鋼廠原鋼板30200100130011389，17，16125130012159，17，14400140033269，3，6試制鋼5220010013001138201，179，12112513001215217，218，19040014003326174，183，152原鋼板

試制鋼第五代原油儲罐用鋼類別鋼板號板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%A類別板厚mm熱輸入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J非試制鋼40196WM103,107,115FL12,8,10FL+1mm20,47,36試制鋼40202WM118,120,125FL100,90,101FL+1mm155,173,175(a)非試制鋼(b)試制鋼兩種鋼板氣電立焊金相組織工業(yè)應(yīng)用結(jié)果(b)(a)原工藝鋼板的HAZ組織粗大；新工藝鋼板的HAZ組織細小。氣電立焊結(jié)果第五代原油儲罐用鋼類別板厚mm熱輸入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J湘鋼儲油罐氣電立焊焊接接頭金相組織(200kJ/cm)(500X)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果第五代原油儲罐用鋼湘鋼儲油罐氣電立焊焊接接頭金相組織(200kJ/cm)(熱輸入kJ/cm峰值溫度℃停留時間st8/5s-20℃AkvJ10014001138287,225,17420014001215267,168,22630014003309262,119,25940014003325231,232,24350014005550196,207,209800140030730217,145,198焊接熱模擬結(jié)果300kJ/cm400kJ/cm焊接熱模擬金相組織(100X)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果造船用鋼板EH40熱輸入