低合金高强钢的焊接性

低合金高强钢的焊接性

钢铁研究总院田志凌

1 前言

低合金高强（HSLA）钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接热影响区的力学性能。过去40年，在钢材焊接性的研究方面，我国几代科技工作者进行了卓有成效的工作[1-5]。

在过去的40年，HSLA钢取得了显著进展，精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理（TMCP）等一些先进技术的应用，使得现代HSLA钢的焊接性大大改善，尤其是HAZ冷列裂纹敏感性大大降低，粗晶区韧性大幅度提高，高效率、大线能量焊接工艺得以应用。然而，新的问题也伴随着出现，如母材的低碳当量高强度化使得冷裂纹从HAZ转移到焊缝金属中，多层焊接头中的局部脆性区问题等。本文将论述HSLA钢制造技术的进步给焊接性带来的变化，以及技术发展趋势。

2 HSLA钢的技术进步及其对焊接性的改善

过去40年，低成本、高性能是钢铁行业技术进步的主要发展方向，从焊接性的角度来看，影响最大的是精炼技术和轧制技术。

2.1 精炼技术的影响

焊接热裂纹、液化裂纹曾经是低碳钢、低合金钢焊接的一个重要问题，随着铁水预处理、碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等精炼技术的采用，钢中S、P等杂质元素的含量越来越低，热裂纹、液化裂纹发生的频率已降得非常低。

以管线钢为例，目前的超纯净冶炼技术能够达到如下水平：

P≤20ppm, S≤5ppm, N≤20ppm, O≤10ppm, H≤1.0ppm

此外，上世纪80年代以来，模铸已逐渐被连铸所代替，2001年我国的连铸比已超过90%，高均匀性连铸技术的应用，大大降低了铸坯中间偏析。

一方面，S、P等杂质元素的含量越来越低，另一方面，杂质元素的偏析程度越来越小，因此，HSLA钢焊接性评定中已不再进行热裂纹、液化裂纹敏感性评定。

2.2 轧钢技术和微合金化的影响

在上世纪五、六十年代，最广泛应用的结构钢就是C-Mn钢，钢材的强度主要靠提高C 的含量和合金元素的含量来实现，强度越高，冷裂纹敏感性就越大。

控制轧制的应用始于六、七十年代，控制轧制与正火处理相结合，能够降低钢的碳当量，提高钢材的抗裂性能，同时HAZ的韧性也得到了一定程度的提高。然而，生产力的发展要求采用大线能量焊接，如造船业，焊接效率是加快制造进度、降低成本的关键因素，而对于轧制原有状态和正火状态钢而言，大线能量焊接使得HAZ晶粒变得粗大，同时在粗晶区形成韧性很差的上贝氏体组织，针对这一技术问题，确立了Ti处理技术（1975年之前）：根据钢中存在的氮（N）量，适当加入Ti，使TiN成细粒状均匀分布，TiN能够抑制奥氏体晶粒长大，促进晶内铁素体的形核。基于同一机理，微合金化技术得以发展，利用Nb, V, Ti 等微量元素形成细小的碳氮化物生产的细晶粒钢，能够适应较大线能量焊接，图1为Nb, V, Ti三种微合金元素形成的第二相粒子的溶解曲线，由此可见TiN对晶粒长大的阻力最大，Nb(CN)次之，VC最小。

图1：Nb, V, Ti第二相粒子的溶解曲线

2.3 变形热处理技术的影响

七十年代以后，非水冷型TMCP控制轧制技术应用于热轧钢板材的生产。其特点是根据Ar3以上的温度进行轧制时，利用再结晶使奥氏体晶粒细化的同时，在奥氏体的未再结晶区导入形变带（位错）来实现高强度乃至减少碳当量的技术。利用此技术，能将微合金钢中添加的Nb和V减少到0.02%以下，而且能将碳当量减少到0.38%以下。

八十年代以来，水冷型TMCP控制轧制技术受到广泛重视。根据对轧制后的钢板实施在线水冷却可以提高强度的观点，世界各主要钢铁厂都采用了这一技术。水冷型TMCP技术能够进一步提高强度而无须提高碳含量和微合金元素的含量。最初，水冷型TMCP技术只适用于厚度小于25mm的薄板的生产，1985年以后，随着冷却设备冷却能力的加强，更大厚度钢板（>50mm）也能用此技术生产。现在，只有一些极大厚度的钢板（如海上采油平台用钢）依然采用正火工序生产。

总之、控制轧制技术、微合金化技术和TMCP技术的发展和应用使得钢材的碳含量和碳当量大幅度降低，HSLA钢的焊接性和焊接区韧性显著改善。

3 现代HSLA钢的焊接性

3.1 冷裂纹问题

众所周知，扩散氢、脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素，碳当量公式（如IIW 的CEN公式）、HAZ最大硬度等都被用来评价钢材的冷裂敏感性。Pcm是应用最多、影响最广的经验公式。

对于现代HSLA钢，由于TMCP技术和微合金化技术的广泛应用，碳含量和碳当量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明显，除非在极端情况下（很大的拘束度或扩散氢含量很高），一般不会遭遇冷裂纹。

值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题。母材强度的提高和焊接性的改善，促使冷裂纹发生的位置从HAZ转移到焊缝（WM）。基于焊后随时间变化氢对局部临界开裂应力的影响，Matsuda等提出了判别高强钢冷裂纹位置的基本方法[7]，焊后焊缝中的氢含量随时间单调减少，而HAZ的氢含量先从母材基础值升高到峰值然后下降，整个过程只有几分钟，恰好与残余应力发生的过程同步，通过计算残余应力值-时间的变化、以及HAZ和WM受实时扩散氢含量影响的临界开裂应力，即可预测冷裂纹发生的位置。高强度焊缝金属对裂纹敏感性大，当然有利于WM冷裂纹。影响WM冷裂纹的还有残余应力值及其产生的时间，如果较早地产生较大的残余应力，则有利于WM冷裂纹值。相反，低强度焊缝金属、低残余应力或较晚产生残余应力有利于HAZ冷裂纹的产生。

WM冷裂纹的控制因素也和HAZ冷裂纹一样，既应力、组织和氢三要素，文献[7]通过残余应力、扩散氢的累积表明多层焊对WM冷裂纹更敏感，并给出多层焊防止WM冷裂纹的预热温度为：

T( C) = ARm + Blog[H] + C

式中Rm为焊缝金属的抗拉强度，它代表了焊缝金属的组织特性。

3.2 热影响区的组织和韧性

HAZ由不同区域的组织构成，每一区域的组织都受加热速度、峰值温度和冷却速度的