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材料韌性的改善作用。
TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技術(shù)：該技術(shù)把鋼的形變再結(jié)晶與相變效果結(jié)合起來，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)用的開始。該技術(shù)在軋制后加速冷卻過程中可以實(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?？刂评鋮s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)時仍然有很高的韌性，從而可生產(chǎn)出厚度超過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(chǎn)生C的再分配，同時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)計及生產(chǎn)工藝和通過焊縫金屬中的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相變過程中，還可以通過晶內(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發(fā)和應(yīng)用
通過對提高鋼大線能量焊接性技術(shù)的研究，目前國外以日本為代表的國家已經(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。最近的趨勢是使用屈服強(qiáng)度更高的高價值鋼板，比如390MPa的屈服強(qiáng)度。日本已經(jīng)開發(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)開發(fā)了YP355MPa級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，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)能源開發(fā)的大線能量焊接厚板為YP360MPa結(jié)構(gòu)鋼板，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級鋼板。因?yàn)榧尤肓?.1%的Ni，這些鋼板的低溫韌性也不錯。
橋梁用耐候鋼：現(xiàn)%考試大%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%。通過調(diào)整Mn量，按強(qiáng)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(hù)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(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)了焊料的開發(fā)。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(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發(fā)展趨勢。日本新開發(fā)的高B焊料，就是利用來自于焊縫的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)行焊接沒有這種組織細(xì)化現(xiàn)象。同時，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
(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(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。和國外特別是和日本相比，我國在該領(lǐng)域的研究還有較大差距，加之還有很多機(jī)理問題尚未澄清。面對巨大的市場需求，有必要加強(qiáng)這方面的研究工作。
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材料韌性的改善作用。
TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess)技術(shù)：該技術(shù)把鋼的形變再結(jié)晶與相變效果結(jié)合起來，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)用的開始。該技術(shù)在軋制后加速冷卻過程中可以實(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?？刂评鋮s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)時仍然有很高的韌性，從而可生產(chǎn)出厚度超過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(chǎn)生C的再分配，同時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)計及生產(chǎn)工藝和通過焊縫金屬中的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相變過程中，還可以通過晶內(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發(fā)和應(yīng)用
通過對提高鋼大線能量焊接性技術(shù)的研究，目前國外以日本為代表的國家已經(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。最近的趨勢是使用屈服強(qiáng)度更高的高價值鋼板，比如390MPa的屈服強(qiáng)度。日本已經(jīng)開發(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)開發(fā)了YP355MPa級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，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)能源開發(fā)的大線能量焊接厚板為YP360MPa結(jié)構(gòu)鋼板，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級鋼板。因?yàn)榧尤肓?.1%的Ni，這些鋼板的低溫韌性也不錯。
橋梁用耐候鋼：現(xiàn)%考試大%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%。通過調(diào)整Mn量，按強(qiáng)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(hù)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(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)了焊料的開發(fā)。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(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發(fā)展趨勢。日本新開發(fā)的高B焊料，就是利用來自于焊縫的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)行焊接沒有這種組織細(xì)化現(xiàn)象。同時，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
(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(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。和國外特別是和日本相比，我國在該領(lǐng)域的研究還有較大差距，加之還有很多機(jī)理問題尚未澄清。面對巨大的市場需求，有必要加強(qiáng)這方面的研究工作。