大线能量焊接用钢的现状与发展

安徽工业大学冶金工程学院2015年10月莱钢-安徽工业大学技术交流大线能量焊接用钢的现状与发展主要内容1大线能量焊接用钢的研究现状2大线能量焊接用钢的技术特征3实验室研究情况介绍4工业应用结果5结语焊缝金属焊接过程中融合线附近的温度分布焊接线能量（焊接热输入）为：Q=I×E/ν（kJ/cm）I焊接电流(A)、E电弧电压(V)、ν焊接速度(cm/s)，一般地将能够承受线能量超过50kJ/cm的钢材称为大线能量焊接用钢。大线能量焊接用钢的定义大热输入焊接的关键问题—组织脆化由于焊接热输入的增大，焊接热影响区高温停留时间变长，奥氏体晶粒严重粗化；且由于焊后冷却速度缓慢，在随后的相变过程中容易形成粗大的侧板条铁素体、魏氏组织、上贝氏体等异常组织，M-A岛数量增加且粗大，使焊接热影响区强度和韧性严重恶化，并容易产生裂纹等缺陷，影响整体结构件的安全使用性能。焊枪及焊丝保护气背衬材料铜滑块钢板气电立焊示意图造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%，由于中国目前仍不能生产大线能量焊接用钢，造船效率仅为日本的1/4～1/7。造船厂为提高施工效率和降低成本，已逐步采用更为高效的大线能量焊接方法。建造一艘10万吨级的船，若采用大线能量焊接钢板，可提前3个月完工。而国内现有的船板钢只能够承受50kJ/cm以下的焊接热输入。按照目前现有的船舶设计要求，需要线能量达200~400kJ/cm的船板钢，而目前国内没有供货。焊缝金属的性能可以通过调整焊接材料和焊接工艺来满足要求，而焊接热影响区（HAZ）性能的改善则必须从根本上改变传统钢板本身的固有性能。采用2电极VEGA设备1次焊接，焊接作业时间可缩短1/10.板厚60mm大线能量焊接用钢的技术特征示例船板钢船板焊接1水冷滑块2金属熔池3渣池4焊接电源5焊丝6送丝轮7导电杆8引出板9出水管10金属熔滴11进水管12焊缝13起焊槽21mm50mm普通热输入焊接—手工焊大热输入焊接—电渣焊普通热输入焊接：多道次、生产效率低大热输入焊接：单道次、生产效率高，成本低手工焊焊缝电渣焊焊缝50mm大线能量焊接用钢的技术特征示例高层建筑用钢近年，随着构件的大型化和大跨度化，使用低合金高强钢的下游企业为提高施工效率和降低成本，逐步开始采用更为高效的大线能量焊接方法。目前国内常见的大线能量焊接方法如下：（1）双丝串列埋弧自动焊（2）FCB法多丝埋弧自动单面焊适合9mm～35mm钢板的双面单道焊，焊接线能量范围：9～140kJ/cm适合8mm～35mm钢板的单面焊，焊接线能量范围：40～220kJ/cm1大线能量焊接用钢的研究现状（3）单丝气电自动立焊（4）双丝气电自动立焊为了适应大线能量焊接技术对钢板的特殊要求，早在90年代日本的新日铁、JFE等钢铁企业先后采用不同的理念，开发出适用于造船、桥梁、高层建筑、海洋结构、储油罐、管线钢等不同强度级别的大线能量焊接用宽厚钢板。其中具有代表性的是超高层建筑用SA440钢板，该钢板的焊接热输入已经达到了1100kJ/cm。适合50mm～80mm钢板，焊接线能量范围：250～680kJ/cm适合9mm～32mm钢板，焊接线能量范围：40～220kJ/cm大线能量焊接用钢板的应用领域船舶桥梁高层建筑海洋结构石油储罐球罐国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司的EH40船板钢的焊接热输入量已经达到680kJ/cm，40至100mm厚度的钢板可实现一道次焊接成形，其焊接效率比传统方法提高数十倍。日本新日铁公司开发的EH40造船钢板，其焊接热输入量能够达到390kJ/cm；日本神户制钢开发出的80mm厚度EH36和EH40钢板，焊接热输入量可达到580kJ/cm；韩国浦项钢厂开发的EH40钢板，焊接热输入能够达到350kJ/cm。造船JFE公司用于海洋结构的高强度钢种有7个钢种，耐海水腐蚀钢的焊接热输入能够达到200kJ/cm，生产的屈服强度400MPa级的低温海域用TMCP结构钢，板厚达60mm，其焊接热输入量达到193kJ/cm，-60℃的冲击功最低值大于60J。新日铁开发的屈服强度大于420MPa级的低温海域用TMCP结构钢，钢板的韧脆转变温度为-120℃。经204kJ/cm的单面单道焊接，-60℃的冲击功最低值大于60J。住友金属开发的抗拉强度500MPa级别的海洋结构用钢，焊接热输入量能够达到219kJ/cm。海洋工程北极海域石油平台国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司开发的MAC355-AD，SA440-E建筑用钢，其焊接热输入量能够达到1100kJ/cm以上；日本新日铁开发的BT-HT440C-HF钢板，焊接热输入量能够达到1000kJ/cm；日本神户制钢开发的SA440钢板最大焊接热输入量为990kJ/cm；抗拉强度为780MPa级别的建筑用钢，焊接热输入能够达到400kJ/cm；住友金属开发的抗拉强度大于590MPa的建筑用钢HT590焊接热输入量达到980kJ/cm。日本新丸内，楼高198m。高层建筑国外大线能量焊接用钢的研究现状日本采用多位向贝氏体技术开发的780MPa级高层建筑用钢开发钢与传统钢的力学性能对比400kJ/cm焊接热输入后的冲击功优点：屈强比降低，焊接免预热，焊接热输入为传统钢的8倍。开发钢传统钢标准神户制钢开发的抗拉强度大于490MPa的桥梁钢，不需要进行预热而实现焊接，焊接热输入量达到350kJ/cm。2002年开发的抗拉强度为≥490MPa的桥梁钢，焊接热输入量能够达到114kJ/cm，还同时具有良好的耐腐蚀性能，所建成的桥梁可以实现无需做另外的防腐处理；且开发的抗拉强度大于570MPa的桥梁用钢BHS500，焊接热输入量达到150kJ/cm；JFE公司生产的抗拉强度570MPa级的桥梁钢可承受240kJ/cm的焊接热输入；新日铁公司开发的BHS500桥梁用钢，焊接热输入量可达到100kJ/cm。桥梁日本明石海峡大桥国外大线能量焊接用钢的研究现状储油罐、压力容器与管线日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造方面也广泛使用大热输入焊接用钢，在高强度管线钢X60～X80等也已经实现大热输入焊接。日本新日铁、JEF、住友等几大钢铁公司均能够生产焊接热输入达400kJ/cm的石油储罐钢板，而供给我国的石油储罐焊接热输入只达到100kJ/cm。此外，日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造领域已经开始广泛使用大热输入焊接用钢。国外大线能量焊接用钢的研究现状日本新日铁HTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种新日铁HTUFF技术生产的大线能量焊接用钢产量统计国外大线能量焊接用钢的研究现状类别国外国内公司名称牌号或主要性能最高热输入kJ/cm目前国内的正火或TMCP钢板焊接热输入≤50kJ/cm,达到100kJ/cm的钢板仅有石油储罐和造船板两个钢种船舶JFE公司EH40不预热680新日铁EH40不预热390浦项EH40不预热350海洋平台JFE公司Rel＞420MPa,保证焊接接头-40℃的CTOD和DWT,采用Super-OLAC工艺200新日铁Rel＞420MPa韧脆转变温度-120℃;YS500焊接接头-10℃的CTOD远高于标准;采用TMCP或DQ-T工艺204住友金属Rm＞500MPa，采用TMCP219桥梁神户制钢Rm＞490MPa,不预热350管线新日铁X80150高层建筑JFE、新日铁、神户制钢、住友金属440MPa、590MPa1100电渣焊HAZ性能多不合格大线能量焊接用钢国内外对比日本大热输入焊接用钢的生产技术——氧化物冶金技术使钢中形成纳米级Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子，细化奥氏体晶粒的同时利用这些氧化物作为晶内针状铁素体的形核点，提高大热输入焊接CGHAZ的韧性。JFE公司采用的是自己研发的“JFEEWEL”技术：神户制钢早期采用的是称为“神户超韧化技术”即“KST”技术并结合TMCP的精确控制来生产大热输入焊接用钢，而目前采用的是在原有技术基础上又引入新手段的“低碳多方位贝氏体”技术。新日铁的“HTUFF”技术：即控制O、S、Ca的原子浓度比，并控制硫化物形态。(atomicconcentrationratio，简称ACR)日本大线能量焊接用钢生产技术简介但是，日本各钢铁公司有关大线能量焊接用钢的信息披露大多只限于说明应用效果，而对其理论与技术细节却很少涉及，甚至会看到些带误导性的报道。日本的大线能量焊接用钢广泛应用于多个领域，最高热输入水平达1000kJ/cm；而我国的大线能量焊接用钢的最高热输入水平为100kJ/cm，且仅应用于石油储罐和造船这两个领域，其它应用领域的钢种热输入水平仅为50kJ/cm。在造船钢板、海洋工程、桥梁、高层建筑、管线、水电、核电、石油化工容器等许多急需大线能量焊接性能的品种钢，目前尚无应用业绩报道。造成这巨大差异的原因是我国还没有掌握生产大线能量焊接用钢的工艺控制技术。这种技术一直被国外垄断并实现严格的技术封锁，国内企业至今还没有掌握其核心工艺控制技术而实现工业化生产。大线能量焊接用钢国内外现状打破传统的TiN机制，引入“氧化物冶金”新概念，利用热稳定性好的高熔点氧化物，采用新型工艺控制方法使钢中的夹杂物破碎细化。从而在大输入焊接热循环过程中钉扎奥氏体晶粒并促进形成大量针状铁素体或贝氏体，细化HAZ组织提高韧性。开发策略使夹杂物变害为利新工艺晶内无夹杂物晶内有夹杂物改变晶界组织晶界无铁素体存在块状多边形铁素体抑制γ晶粒长大提高HAZ韧性机理通过控制钢中夹杂物的类型、尺寸、数量来控制HAZ相变组织提高钢板焊接性能的途径传统钢大热输入焊接用钢焊缝金属焊缝金属焊缝金属针状铁素体能够抑制裂纹传播、增强抗裂纹传播的能力。a：贝氏体组织b：针状铁素体提高钢板大线能量焊接性能的途径•晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界形核连续推进的铁素体晶粒的位向完全不一样，由此可明显抑制非等轴铁素体晶粒的形成及定向长大；•晶内针状铁素体的形成增加了铁素体的体积分数，使铁素体晶粒细化的同时形状和分布趋于更加合理；使钢材在塑、韧性不降低的情况下得到有效强化；•韧性较高的晶内针状铁素体完全包围了传统意义上属于有害的非金属夹杂物粒子，使夹杂物对钢材塑、韧性和疲劳性能等的损害程度显著降低甚至消除；•钢中第二相，包括传统意义上的夹杂物微细化及其形状和分布状态的有效控制是未来钢铁材料科学与技术发展的重要方向。晶内针状铁素体在未来钢铁材料研究开发中的作用晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系只有当HAZ组织中的针状铁素体含量达到50％以上时，焊接热影响区才会显现出良好的低温韧性HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响HAZ部位奥氏体晶粒细小有利于提高韧性PT1350℃PT1400℃利用TiN机理生产的大线能量焊接用钢，当温度达到1300℃时，HAZ区域约50%的TiN质点会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用；当温度达到1400℃时，在靠近熔合线部位，约88%的TiN质点会发生溶解。当焊接线能量＞100kJ/cm后，HAZ区域的TiN质点的分解将更加严重，最终导致TiN质点失去钉扎作用，造成HAZ韧性的大幅度下降。TiN粒子在靠近熔合线处温度达到1400℃溶解，失去形核作用；并且弱化钉扎奥氏体晶界作用，使奥氏体晶粒长大。氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比在靠近熔合线温度达1400℃时，TiN机理改善HAZ韧性的效果降低，Ti的氧化物在此高温区域发挥作用，改善韧性。●良好的热稳定性（在1400℃左右高温下不发生溶解或长大）●微细夹杂物粒径的有效范围（阻止奥氏体晶粒粗大并促进晶内铁素体生成）●合理的体积分率（足够数量的微细夹杂物，并满足钢的纯净度要求）●能够在钢中均匀、弥散分布微细第二相粒子的选择原则●根据热力学计算夹杂物粒子的形核率可得到从大到小分别为MgO＞CaO＞SiO2＞Ti2O3＞Al2O3＞MnO●根据LWS理论计算的理论粒子半径随时间变化从小到大分别为MgO＜CaO＜Al2O3＜Ti2O3＜SiO2＜MnO如何选择合适的微细第二相粒子类型利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生成●铁素体容