国外钢铁超大型集装箱船用大线能量焊接 YP460 MPa级厚板的开发(日 )金子雅人 等近年 ,海上运输量的增加推动了船舶向大型化发展 ,特别是对于集装箱船来说 ,目前正在建造 装载量超万箱的超大型集装箱船 在船体结构设计中 ,为了确保结构安全性和 可靠性 ,保证集装箱船甲板开口部位周围的纵向 强度是非常重要的 为此 ,探讨了甲板周围采用1 开发目标 开发目标 如 表 1 所 示 适 用 部 位 为 舱 口 围板 , 开 发 目 标 厚 度 为 60 mm 以 内 由 于 YP460 M Pa级钢 板 在 现 行 船 级 社 标 准 中 没 有 规 定 ,因此 ,按 照 日 本 海 事 协 会 ( N K 船 级 社 ) 中 的 YP390 M Pa级钢 ( EH40 )的有关标准设定该钢材 标准 另外 ,在船舶结构设计中还要考虑一旦发生 脆性裂纹时 ,要具有制止裂纹扩展机能的结构设 计 因此 ,母材止裂特性的目标是在集装箱船设 计温度 ( - 10 ℃)下 ,满足由日本造船研究协会第193研究部会 (以下简称为 SR193 )研究的裂纹止超厚高强度钢板 ,考虑在该部位采用级钢板取 代 原有 的 最 高 强 度 级 别 为 的 T MCP钢板 。
YP460 M PaYP390 M Pa有关 YP460 M Pa级钢板的实用化 ,在现行船级社标准中没有规定 ,因此 ,为了使其能进行实际 使用 ,必须确认该钢级钢板与原来钢板具有同等 的安全性能 ,而且还要考虑施工过程中满足高效 大线能量焊接要求 在上述情况下 ,神户制钢开 发 了 大 型 集 装 箱 船 用 大 线 能 量 焊 接 型 高 强 度YP460 M Pa级厚板 本文概述了其开发思路和钢 板的特性 1. 5裂有效值 ( Kca ≥3 900～5 900 N /mm ) 模拟使 用具有该级别止裂性能钢的集装箱船舱口围板和 强力甲板 T型接头的大型焊接结构 体 进行 脆性 断裂试验 ,结果脆性裂纹没有达到强力甲板就停 止扩展 ,可以确认其安全性 表 1开发目标母材性能止裂性能焊接接头性能钢级厚度 /mmKca ( - 10 ℃) /(N·mm - 1 . 5 )vE - 40 /JvE - 20 /JYP /M PaTS /M PaEL / %焊接方法TS /M Pa≥53 (平均 )≥37 (单值 )≥39 (平均 )≥27 (单值 )≥53 (平均 )≥37 (单值 )≥39 (平均 )≥27 (单值 )YP460EH4060 ≤70≥460≥390570 ～720510 ～650≥17≥20≥3 900 ～5 900≥3 900 ～5 9001 道次SEGARC570 ～720510 ～6502 开发思路 图 1示出了本钢板的开发思路 。
能量超过 40 kJ /mm 的 大线 能量 焊接 的 情况 下 , 仅利 用 TiN 的微细分布防止晶粒粗大化是不够的 ,同时 , 从防止出现使焊接热影响区 ( HA Z) 韧性变差 的 岛状马氏体的观点出发 ,低 C 和低 C eq 是不可缺 少的 但是低 C和低 C eq 对高强度化起负作用 因此 ,神户制钢进一步对 T MCP 设备和控制方法进行开发 ,实现均匀强化冷却 ,并解决了加速冷却中出现的平直度不好和残余应力等问题 ,最终同 时满足了高强度和大线能量焊接要求 一般情况下 ,高强化会使屈服强度大于脆性 断裂强度 , 在弹性变形中容易引起脆性断裂 , 为此 ,在国际船级协会联盟 ( I ACS) 统一标准中 , 以 断裂力学为基础 ,对不同结构部件设定了韧性级 别 ,以满足强度级别增加韧性也要提高的要求 — 52 —鞍钢技术AN GAN G TEC HN OLO G Y2008年第 6期总第 354期众所周知 ,对于母材脆性不稳定裂纹 ,为了提高钢的韧性 ,通常采用添加 N b使组织细化 、 添加 N i使基体强韧化 但这些合金元素的添加很容 易使 HA Z韧性变差 ,可能会造成不能直接使用原来的焊接方法等后果 。
因此 ,为了开发出确保大 线能量焊接时的 HA Z韧性 、 同时具有优良脆性断裂特性的钢板 ,作为不依赖添加合金元素的方法 , 探讨了具有抑制裂 纹扩 展 作用 的晶 粒 取向 差为15 °以上的大角度晶粒微细化 也就是说 ,细化晶 粒取向差为 15 ° 以上的大角度晶粒 , 会增加阻止 裂纹的位置 ,从而提高断裂韧性 在再结晶 、 未再结晶温度区域采用适当的轧图 1开发思路制条件细化 γ晶粒和引入位错等 相 变核 心可 有 效地使相变后的组织微细化 但过去的 T MCP钢 的道次设定仅考虑通过表面温度控制终轧道次的 压下温度 ,因此对厚板来说 ,钢板内部的轧制温度不均匀 对此 ,采用通过轧制过程中多段调温 ,可 以严格控制钢板内部温度的轧制系统 ( PROM E) ,使再结晶 /未再结晶区的压下率合理化 图 2 示 出 了 采 用 PROM E 系 统 开 发 出 的 钢EB SP (电子背散射图样 ) 晶粒取向晶界图 与以 前的 YP390 M Pa 级钢板 ( EH40 ) 相比 , 晶粒取向 差为 15 °以上的大角晶界被微细化 , 由此可以实 现韧性高度稳定 。
a) YP460 钢的 vT rs为 - 85 ℃,晶粒尺寸为 12 μm; ( b)传统的 EH40 钢的 vT rs为 - 60 ℃,晶粒尺寸为 30 μm图 2 采用 EB SP的大角晶界测定结果止岛状马氏体产生使韧性变差的基础上 ,将 C 含量控制在 0. 08 % ,添加微量的 N b、Ti结果 ,碳当 量 ( C eq)控制在 0. 34 % 另一方面 ,在上述成分 设计的基础上采用确保高强度的强化冷却 T MCP3 开发钢的特征3. 1 母材的特性开发钢的化学成分如表 2所示 从确保低温 大线能量焊接的 HA Z韧性的观点出发 ,在考虑防— 53 —《 鞍钢技术 》2008年第 6期 总第 354期超大型集装箱船用大线能量焊接 YP460 M Pa级厚板的开发有效值 ( 3 900 ～5 900 N /mm1. 5 ) ,止裂性能良好 表 3示出了开发钢板的母材特性 强度充分满足目标强度值 ,韧性达到 320 J 以上 ( vE - 40 )也 充分满 足 目 标 值 ( 53 J ) , 脆 性 断 裂 转 变 温 度 在- 80 ℃ 以下 ,强度 、 韧性良好 。
而且 ,通过温度梯 度脆 性 断 裂 试 验 ( ESSO ) , 求 出 最 低 设 计 温 度( - 10 ℃) 的 应 力 扩 大 系 数 Kca, 得 出 Kca 在表 2 开发钢的化学成分化学成分 / %Ceq厚度 /mmCSiM nN bTi60 0. 08 0. 13 1. 54 0. 018 0. 011 0. 34 注 : C eq = C +M n /6 + ( C r +Mo + V ) /5 + (Cu +N i) /57 000 N /mm1. 5以上 ,满足SR193 中裂纹止裂材的表 3开发钢的母材特性母材性能 1, 2止裂性能Kca ( - 10 ℃) / (N·mm - 1 . 5 )钢级厚度 /mmvE - 40 /JvT rs / ℃YP /M PaTS /M PaEL / %单值 : 327 , 319 , 331 平均值 : 326YP4606048758227- 857 400≥53 (平均 ) ≥37 (单值 )YP460 目标性能60≥460570 ～720≥17≥3 900 ～5 900注 : 1. 圆形拉伸试样 : N K14A; 2. 夏比冲击试验试样 : N KU4。
3. 2 大线能量焊接接头特性 开发钢板的焊接条件及焊接接头特性如表 4和图 3 所示 模拟舱口围板部位的实际施工 ,进行大线能表 4 SEGARC焊接条件及接头特性焊接接头性能焊接条件3 3 /JvE- 20 厚度 / mmTS 3 / M Pa槽的 根部 角度 / 间隙 /焊接 耗材 (焊丝 )道次 数量焊接 焊接 电流 / 电压 /焊接 速度 / ( cm ·m in - 1 )线能量 / ( kJ ·mm - 1 )位置熔化 金属熔合 线熔合 线 + 1mm( °)mmAVDW S - 1L G (Φ1. 6 mm ) 保护气体 : CO2表面 t /2 背面117 83 94247 131 158266 182 199602081400432. 542578≥53 (平均值 ) ≥37 (单值 )YP460 目标值570 ～720注 : TS 3 为扁平拉伸试样 : N KU2A; vE 3 3 为夏比冲击试验试样 : N KU4 - 20 温度为- 20 ℃ 时 ,采用 V 型缺口冲击试验评价的接头韧性 ,在缺口位置全部为 53 J 以上 , 显示出 了良好的接头性能 。
4结语 通过采用强化冷却 T MCP和严格管理板厚内部轧制温度区域的 PROM E系统 ,无需添加 N i等合金元素 ,可以获得高强度 、 高韧性 、 优良的焊接 接头特性以及高断裂韧性 开发钢适应集装箱船 大型化和提高安全性要求 ,需求会快速增长 译自 《 神 製鋼技報 》, 2008 , 58 ( 1 ) 校陈 妍 高宏适图 3 开发钢接头的冲击特性量 1 电 极 SEGARC 焊 接 的 结 果 , 线 能 量 为42 kJ /mm 接头强度充分满足目标值 ,另外 ,试验— 54 —(编辑 贺英群 ) 收稿日期 : 2008 - 04 - 01。