含Nb低合金高强度钢的焊接性

含铌低合金高强度钢的焊接性能A D Batte(1), P J Boothby(1), AB Rothwell(2)(1) Advantica Technologies, Loughborough, UK(2) TransCanada Pipelines, Calgary, Canada摘要：在过去的40年里，用于管线、海洋结构、船舶和建筑等结构的低合金高强度钢已取得了较大的进步。

这些进展与社会对产品的规模化需求、经济性及对强度、韧性、焊接性等综合性能的需求是密不可分的。

同时，这些进展与各相关工业部门的努力也是分不开的，如冶金业、制造业、建筑业和安全标准制定部门等。

另外，这些成就也涉及了从理论模型到生产制造，甚至现场操作等各领域。

这些成就的核心是对钢的物理和化学冶金；相关工艺及其对钢的性能、最终结构可靠性的影响等问题有了更深入的了解。

研究工作主要关心的是焊接热影响区（组织和性能），特别是研究钢的化学成分、工艺参数、热输入、预热和焊后热处理对焊接性和韧性的影响。

在过去几年时间里，通过降低钢的C当量已使钢的焊接性能显著提高，其直接结果是热机械处理（TMCP）工艺应用更加广泛，材料的强化机制也从以C 为主的强化机制发展到以微合金化为主的细晶强化机制。

由此，材料经多道次焊接后热影响区韧性的改善已使热影响区不再是钢中最薄弱的环节。

人们对更高强度钢（特别是管线钢）的渴求促进了对许多在工程应用中十分重要, 并与焊接热影响区综合性能相关的参数的仔细考察。

本文总结了最新的一些研究成果，这些成果使我们对焊接参数、化学成分对焊接性和韧性，特别是对母材金属热影响区的韧性的影响有了更深入的了解，说明了应如何平衡这些不同的影响因数，从而保证新一代管线和结构用钢的可靠性。

1 引言在过去的40年里，低合金高强度钢已取得了较大的进步。

这些进展与社会对产品的规模化、经济性及对强度、韧性、焊接性等综合性能的需求是密不可分的。

这些钢主要应用于石油管线、海洋结构和造船，它们的应用目的基本相同，当然，根据设计和应用的需要可以对材料的性能关系进行适当地调整。

为达到这些目标，冶金业、制造业、建筑业及安全法规制定等部门都做了大量的工作。

在这项技术的总体发展过程中，早期的发展是艰苦、漫长的，但因其良好的应用效果而最终被广泛接受和应用。

该项技术的逐步成熟和完善为该技术的工业应用奠定了坚实的基础。

Nb因其碳化物和氮化物在钢中沉淀析出对热力学和动力学的特殊贡献使其成为在现代高强度低合金控轧钢生产中最有效的微合金化元素。

在很多领域中，应用这些含Nb高强度低合金钢使高效、经济的现代化设计和建造成为现实。

例如石油输送管道建设在过去的40年中，因管线钢强度水平的逐渐提高（从X52到X70，甚至达到X100水平）而累计效益达10余亿美元。

应用于管线和结构用钢的炼钢、压力加工和焊接工艺的相同和不同之处揭示了其对焊接热影响区的广泛影响，也揭示了人们为什么如此重视对构成热影响区的不同区域的组织和性能关系研究的原因。

人们也十分关注低合金高强度钢的焊接金属。

焊接金属、组织和性能之间的关系可能比热影响区更为复杂，因为，对焊接金属来说，除了上述提到的问题之外，焊接金属的成分与母材和耗材的化学成分及焊接工艺参数等都有关系。

过去40年已发表了大量的文章来研究和探讨不同的工艺参数对焊接金属和热影响区的组织和性能的影响。

本文的主要目标是重点关注母材金属的热影响区，阐明为深入了解低合金高强度钢焊接性的一些重点发展趋势和影响因素。

本文首先考核了冶金因素和热参数是如何影响热影响区的组织变化；其次考核了热影响区组织如何影响钢的焊接性和韧性。

2 炼钢与轧制的趋势炼钢与轧制技术发展的核心问题是对钢铁产品的物理和化学冶金的深入认识和了解，炼钢、轧制和焊接工艺等的影响均是十分重要的。

这些工艺技术间精确地配合与合理地应用方可使终端产品安全、可靠，满足原始设计的需求。

由于冶金公司已进行大规模投资来改造和新建冶金厂或冶金生产设备以满足低成本高质量钢的生产，因而，炼钢技术已有了大幅度提高。

主要的技术改进有氧气炼钢、提高控制精度、采用钢包冶金等精炼技术降低S、P含量等。

另外，除降低钢中残余元素含量之外，钢的成分及均匀性的控制也得到明显地改善。

产品的均匀性主要是通过连铸技术的应用而提高的，通过连铸坯组织的细化，降低了铸坯中心线偏析的程度。

另一种发展趋势是广泛采用控制轧制和热机械处理技术。

40年前人们便开始开展管线钢的控制轧制工作。

在早期的工作中，人们主要是采用控制轧制与正火相结合的生产技术来降低材料的碳当量，后期热机械处理技术的应用使材料的碳当量和微合金元素进一步降低，与此同时，材料的焊接性不降低，而强度大幅度提高。

在过去的20年中，加速冷却技术的广泛应用使热机械处理技术得到了更好地运用。

起初，控制轧制和热机械处理技术仅应用于较薄规格的产品，如厚度小于25mm的管线钢板等；后来，冶金工艺技术进步使厚度超过50mm的海洋结构用钢也可采用相同的工艺路线和方法，并获得了相同的优异结果。

然而，对很多海洋结构来说提高钢板的强度并不是十分有益的，因为对很多海洋结构来说，塑性断裂和疲劳可能更为严重，其主要的改进方法是提高焊接性热影响区的韧性。

目前，只有极厚的钢板，如海洋结构和船舶用钢等仍保持采用正火热处理工艺制造。

C-Mn-Nb一直是这类钢的基本合金化体系，然而，我们必须说明的是，随炼钢和轧制工艺技术的进步，Nb的加入量已显著降低。

例如，从1972年到1981年间，海洋用钢中Nb 的加入量几乎降低了一半，从0.05%下降到了0.03%（见图1）。

图1 海洋结构钢中Nb含量的变化这一结果主要源于控制轧制和热机械处理技术的应用使Nb的应用效率提高，从而使在更少量的合金元素添加的基础上达到与较高合金元素添加时相同的组织细化控制效果。

与此同时，钢中的C含量也显著降低，从而降低了Nb-C平衡的影响。

3 焊接工艺对终端产品的综合性能的另一个主要影响因素是钢的焊接工艺。

对大口径管线钢来说，早期关注的焦点是获得足够高的埋弧焊焊接韧性，以此来保证焊缝具有与母材相同的抗裂纹起始能力。

这种焊接方法是典型的两道次焊接模式，其热输入为2-4kJ/mm（50-100kJ/in）。

后来，因几何因素和超作载荷而导致的轴向应力的重要性被认识之后，人们关注的焦点又转向了手工环缝焊。

半自动化和机械化焊接技术的应用和“可适用的”焊接缺陷的评定方法的逐步建立使人们十分重视对环缝焊的焊接热影响区和焊接金属的韧性的研究。

对这种焊接工艺来说, 手工焊的热输入一般为0.7-2kJj/mm（15-50kJ/in），自动焊的热输入一般为0.5-1kJ/mm（10-20kJ/in）。

在海洋结构建设中，手工焊和半自动焊的应用十分广泛，然而，随钢板厚度增加，焊接道次增加，而且焊接预备过程也往往是非对称的。

为了缩短焊接时间，人们开始使用比管线钢环缝焊略高的热输入，达到3-5kJ/mm（75-125kJ/in），然而，这样的措施受到应避免制造过程中出现氢致裂纹和热影响区韧性恶化两个方面的限制。

对船舶应用来说，首要的问题是通过大线能量焊接来获得高的焊接熔敷速率。

焊缝的韧性并不是最重要的。

对埋弧焊来说，热输入可在2-10kJ/mm范围内，对电渣焊来说，热输入应为25-50kJ/mm。

如此高的热输入参数将使热影响区的范围增加并使热影响区的组织粗化，具体情况将在下面分析。

3.1 焊接区显微组织的变化焊接热影响区由各种微观组织而构成，这些组织特征主要是由加热速度、峰值温度和相邻于熔敷金属处的凝固和冷却速度所决定的（见图2）。

对应用于低合金高强度结构钢的焊接热输入来说，峰值温度（及宽度）可能是导致最邻近熔和线处奥氏体晶粒粗大的主要原因。

相应的从800℃-500℃的冷却时间（t8-5）也将发生很大变化。

当热输入为1kJ/mm时，t8-5为15秒或更低；当热输入为 5kJ/mm时，t8-5为30秒；而热输入为40kJ/mm时， t8-5可达到200秒，相应的原始奥氏体晶粒尺寸也从50微米变化至250微米，同时，显微组织也发生了从自回火马氏体到铁素体珠光体的变化。

在多道次焊接工艺中，由第二焊道产生的热影响区与第一焊道产生的热影响区相互叠加，从而出现了部分地和充分地再加热区(图2)，其中最主要的区域是亚临界和中间临界再加热晶粒粗化热影响区，在此区域内，原始组织被重新回火或部分再相变和再冷却。

图2 两道次或多道次焊接热影响区组织3.2 粗晶热影响区许多研究报告已考核了焊接热循环和钢的化学成分对粗晶热影响区显微组织的影响。

从合金元素间复杂而又相互影响的角度来看，所报导的一些实验结果有时是混乱甚至是相互矛盾的。

一些主要的组织参数及其性能情况将在下面详细分析。

3.2.1 奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒在1000℃以上迅速长大，除非其被微合金碳、氮化物的微细沉淀物阻止。

一般来说，Nb便可起到这样的作用(图3)，然而，对Nb含量必需进行严格控制以保证微合金沉淀物既不太粗，也不太细。

近年来，由于Ti在更高的温度条件可形成稳定氮化物并可控制高温奥氏体晶粒长大，因而，其被越来越广泛地应用于管线、结构和造船等工程用钢中。

图3 Ti、Nb和N对原始奥氏体晶粒尺寸的影响3.2.2 晶内组织冷却时形成的显微组织与材料的淬透性和奥氏体向铁素体和碳化物转变时的温度范围密切相关，Mn、Cr、Mo、V、Cu和Ni等元素对其有显著的影响，同时，其也受晶界铁素体形核被B抑制的程度和晶内铁素体形核被Ti的氧化物粒子促进的程度的影响。

另外，最重要的是显微组织与钢中的C含量密切相关，C含量是决定最终组织状态中铁素体与碳化物相平衡的关键因素。

图4 Nb、Ti对铁素体晶粒尺寸的影响，TMCP：热机械处理工艺图5、6显示了相变温度与显微组织之间的关系。

最高相变温度条件下，在原始奥氏体晶界处倾向于形成等轴铁素体，而在原始奥氏体晶内倾向于形成自由位向的晶粒，富碳区域相变后会形成相对粗化的碳化物聚集相，当相变温度降低时，晶界铁素体被晶内的平行方向的板条束或魏氏组织所取代；较高的相变温度条件下，在板条界面上形成不连续的碳化物，相变温度降低时会逐步形成富碳的马氏体—奥氏体岛；最低的相变温度条件下，由于没有充分的时间使C进行长程扩散和分配，因而将发生贝氏体和马氏体相变，如果发生了马氏体相变，在随后的冷却过程中，马氏体可以进行自回火。

微合金元素可以在如下几个方面影响粗晶热影响区的组织：在高温形成的稳定、弥散分布的微细沉淀物（如Ti）能抑制晶粒长大，促进晶内铁素体形核，提高相变温度范围。

诸如Mn、Ni等元素可固溶于奥氏体中并可降低相变温度范围，也对相变产物起固溶强化作用。

图5 冷却速率和淬透性对热影响区显微组织的影响图6 相变温度对船板钢ESW焊接热影响区显微组织的影响在焊接热循环的峰值温度被大量溶解的元素在冷却时形成微细的碳化物和氮化物沉淀，从而促进铁素体的形成（如V钢），还可提高相变温度范围并减少板条内碳化物；另外，Mo、Cr等元素可抑制铁素体相变，降低相变温度范围，促进马氏体-奥氏体岛形成。