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1、 安徽工业大学冶金工程学院安徽工业大学冶金工程学院 2015 2015年年1010月月 莱钢莱钢- -安徽工业大学技术交流安徽工业大学技术交流 大线能量焊接用钢的现状与发展大线能量焊接用钢的现状与发展 主主 要要 内内 容容 1 1 大线能量焊接用钢的研究现状大线能量焊接用钢的研究现状 2 2 大线能量焊接用钢的技术特征大线能量焊接用钢的技术特征 3 3 实验室研究情况介绍实验室研究情况介绍 4 4 工业应用结果工业应用结果 5 5 结语结语 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=IE / （kJ/cm） I焊接电流 (A) 、E电弧电压 (V)、焊接速度
2、( 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
3、量焊接用钢，造船效率仅为日本的1/41/7。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50 kJ/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200400kJ/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
4、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 21mm 50mm 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
5、 适合9mm35mm钢板的双面单道焊 ，焊接线能量范围：9140kJ/cm 适合8mm35mm钢板的单面焊， 焊接线能量范围：40220kJ/cm 1 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50mm80mm钢板，焊接线 能量范围：250680 kJ/c
6、m 适合9mm32mm钢板，焊接线能 量范围：40220 kJ/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 390 kJ/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
7、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420 MPa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500 MPa级 别的海洋结构用钢，焊接热输入量 能够达到219 kJ/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
8、开发的MAC355-AD，SA440- E建筑用钢，其焊接热输入量能够达到 1100 kJ/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1000 kJ/cm； 日本神户制钢开发的SA440钢板最大焊 接热输入量为990 kJ/cm；抗拉强度为 780MPa级别的建筑用钢，焊接热输入能 够达到400 kJ/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980 kJ/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
9、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350 kJ/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
10、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HT
11、UFF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 类别类别国外国内 公司名称牌号或主要性能最高热输热输 入kJ/cm 目前国内的 正火或TMCP 钢钢板焊焊接热热 输输 入50 kJ/cm, 达到100kJ/cm 的钢钢板仅仅 有石油储储 罐和造船 板两个钢钢 种 船舶 JFE公司EH40不预热预热680 新日铁铁EH40不预热预热390 浦项项EH40不预热预热350 海洋 平台 JFE公司 Rel420MPa,保证焊证焊 接接 头头-40 的CTOD和DWT, 采用Super-OLAC工艺艺 200 新日铁铁 Rel4
12、20MPa韧韧脆转变转变 温 度-120;YS500焊焊接接头头 -10 的CTOD远远高于标标 准;采用TMCP或DQ-T工 艺艺 204 住友金属 Rm500MPa，采用 TMCP 219 桥桥梁神户户制钢钢Rm490MPa,不预热预热350 管线线新日铁铁X80150 高层层 建筑 JFE、新日铁铁、 神户户制钢钢、 住友金属 440MPa、590MPa1100 电电渣焊焊 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
13、大 热输入焊接CGHAZ的韧性。 JFE公司采用的是自己研发的 “JFE EWEL”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。 (atomic concentration ratio，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
14、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
15、引入 “ “氧化物冶金氧化物冶金” ”新概念，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，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
16、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
