大线能量焊接用厚钢板的发展

大线能量焊接用厚钢板的发展

廖建国

(三明钢铁(集团)有限责任公司)

D evelop m en t i n Structural Steel Plates for

H igh-heat I nputW eld i ng

L iao J ianguo

(Sanm ing Iron and Steel(Group)Co.L td.)

1　前言

厚钢板的重要特性是焊接性能,而焊接效率则尤其重要,因此从降低结构钢板的建设成本来看,最大的课题就是大线能量焊接钢板的应用。当钢板使用大线能量焊接时,由于焊接部,尤其是焊接热影响区(HA Z)的韧性会随焊接线能量的增大而变差,因此为确保结构钢板的安全性,重要的课题就是要确保结构钢板的韧性。

造船行业为适应大量物流时代的到来,需要建造大型船舶;城市发展,需要建超高层大楼和大型桥梁等,为适应这些建设对厚钢板的强度和韧性要求不断提高的需要,已相继开发了新型大线能量焊接用钢板。

大线能量焊接技术是以造船行业采用钢板单面焊接技术为契机而提出的一种能确保钢板韧性的焊接方法。从合金设计来看,大线能量焊接用钢板通过添加微量元素可确保钢板的韧性,因此在70年代后期已被各钢铁厂采用。添加微量钛(T i),利用氮化钛(T i N)的沉淀物可以抑制焊接时奥氏体的粗大化,增大铁素体的沉淀核,这种处理技术已成为大线能量焊接技术的根基。

另一方面,作为厚钢板的新制造法——TM2 CP(形变热处理)技术出现于80年代,它除了利用以往添加微量元素的技术外,通过在轧制工序中控制钢的组织,可提高钢的强度。结果,由于确立了降低碳当量(Ceq)可进一步提高焊接效果的技术,因此大大提高了钢板大线能量焊接部的性能。

表1示出以造船用钢板为主发展起来的大线能量焊接用钢板的开发经过。本文在回顾厚钢板生产从炼钢到轧制的一系列相关技术的提高经过和大线能量焊接用钢板的开发过程及现状的同时,对今后的发展趋势进行了介绍。

2　T i处理技术的确立

60年代初,以造船厂使用钢板的大型化为契机,外板的焊接已从双面焊接变成单面自动焊接,省略了大型钢板的反转焊接工序。与此同时日本的各造船厂在外板的纵向焊接中也开始采用二氧化碳气体保护焊,由于采用了焊接线能量超过10kJ mm的大线能量焊接,因此可提高建造能力。

使用的钢板以软钢为主,而到了70年代以石油危机为契机,船舶向大型化和节能化方面发展,尤其是为降低成本,开始采用高强度钢板。在此背景下,I A CS(国际船级协会)于1971年制定了高强度钢板的标准。但是,由于当时的钢材是在轧制原有状态下和正火热处理后制造的,因此为达到高强度化,存在着碳当量高、焊接部尤其是焊接热影响区的韧性变差的问题,毫无疑问所采用的焊接线能量比软钢的更低。

如果对钢板实施10kJ mm的大线能量焊接,钢板会因所投入的焊接线能量而暴露在高温中,焊接后的冷却会随之变慢。结果,焊接热影响区的结晶颗粒变得粗大,同时出现了被称为上贝氏体的组织,使钢的韧性变差。

如何防止采用大线能量焊接时HA Z韧性变差,确保对脆性裂纹安全性是最大的课题。

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・宽厚板第8卷第2期

表1　大线能量焊接用钢板的开发经过

年　份环　境

新开发钢板

生产技术

～1970

单面埋弧焊KST 处理(T i N 的利用技术)

I A CS 制定的高抗拉强度钢板的标准(1971)造船用高抗拉强度钢板(KST 50)(t ≤30mm ,焊接线能量≤10kJ mm )

石油危机

管道管用X 70的大量生产

造船用控轧型YP 355钢板(t ≤40mm ,焊接线能量≤25kJ mm )

空冷型TM CP 技术

～1980

韩国造船业的发展(与日本造船业的激烈竞争)

KCL 型造船用YP 355钢板(t ≤50mm ,焊接线能量为50kJ mm )

水冷型TM CP 技术石油和气体开采用大型海洋钢

结构

极地海洋钢结构用厚壁低温钢板

直接淬火技术

～1985

高层建筑的大量涌现

建筑用厚壁TM CP 型YP 325和355钢板(t ≤100mm ,焊接线能量≤100kJ mm )

洁净钢的生产技术(P 、S 和H 较低)

在平行剪切后防止变形的保证技术

～1990大型集装箱船

造船用厚壁YP 390钢板

(t ≤65mm ,焊接线能量≤40kJ mm )采用高精度钢板轧制控制技术

造船用YP 460钢板(t ≤55mm )采用大跨度的高层建筑建筑用H T 590钢板减少桥梁建设的周期寿命费用

海岸用耐候钢板

残余应力控制技术

现在和将来

厚壁和强度性能高的钢板

大线能量焊接用厚壁高抗拉强度钢板(超过H T 590的高抗拉强度)

改善HA Z 的新方法在合金元素添加量高时钢的韧性(H T 590～H T 780)

有助于提高焊接加工精度的新型TM 2

CP 钢板

没有残余应力的TM CP 钢的生产技术

对于这一技术课题,从金相组织和结晶颗粒的观点出发,研究了各种添加元素的效果。结果可知,添加微量T i 的效果最好,据此确立了KST 处理技术。

根据钢中存在的氮(N )量,适当添加T i ,使T i N 成细粒状弥散是很重要的(图1和图2)。在实际生产中为实现T i 量和N 量的最佳平衡,应在炼钢过程中调整微量成分,控制气体成分

。

图1　焊接热循环中T i 量和T i N

颗粒数量的关系

图2　T i N 颗粒数量和焊接连结部vEo 的关系

而且,还对HA Z 韧性变差的主要原因进行了研究,弄清了韧性变差是受上贝氏体中生成的被称作岛状马氏体(M -A )的硬化组织所支配。根据其生成机理,实施了表2所示的不同韧性等级所应采取的措施。为改善大线能量焊接时HA Z 韧性,重要的是要减少岛状马氏体,实现T i 量和N 量的最佳平衡,这一点直至今日仍在大线能量

焊接用钢板生产的基本原理中脉脉相传。

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54・宽厚板