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1、钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础 建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚 度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工 性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强 钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给 大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大 线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求 高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越
2、来越迫切。提高钢大线能量焊接性能的主要技术手段钢大线能量焊接的主要难点在于其热影响区(HAZ)的强度和韧性 随着输入线能量的增大而降低。因此，HAZ的韧性成为制约钢大线能量 焊接的关键因素。为了解决HAZ的韧性问题，国内外相继开展了大线能 量焊接用钢的研究工作，提出的改善韧性的方法主要有降低C含量和 Ceq、利用微合金元素和氧化物夹杂细化奥氏体晶粒、获得韧性好的组 织如针状铁素体以及贝氏体组织的超低碳钢、通过改进生产工艺提高韧 性等。1 奥氏体晶粒的细化晶粒细化是同时提高钢的强度和韧性的唯一途径。通过降低奥氏体的晶粒尺寸来增加形核点密度以细化铁素体晶粒的方法已经被广泛研究。原奥氏体晶粒越细小，
3、HAZ的晶粒也就越小，韧性也就会越好。在钢中引入微量的合金元素，形成弥散分布的高熔点颗粒。这些 颗粒一方面以“钉轧”的形式阻碍奥氏体晶界的迁移，限制奥氏体晶粒 的长大，同时增加了相变过程中的形核点，从而使钢的组织更加细小。 目前研究较多的是Ti元素对高温奥氏体的细化作用。研究发现，Ti在 钢中形成细小弥散的TiN粒子,在焊接热循环过程中有效阻止奥氏体晶 粒的长大，促进针状铁素体析出，从而改善HAZ的韧性。研究人员发现，Nb可以加强Ti的细化作用。Nb在钢中与N也有 着强烈的亲和力，可以取代部分Ti，与N形成(Ti, Nb)N颗粒，其溶解 温度在1350C以上，可以钉轧、拖拽高温奥氏体晶界的迁移
4、。进一步 的研究发现,Ti-Nb微合金钢中含有大量尺寸细小的TixNbl-x(CyNI-x) 粒子，粒子中Nb的相对含量在0250.82之间，形状接近球形。这些 粒子具有很高的稳定性，在焊接过程中这些粒子不仅能有效地阻止奥氏 体晶粒长大、抑制粗大贝氏体的形成、还能够促进针状铁素体的析出和 M-A组元的分解，从而显著改善低合金高强钢HAZ粗晶区的韧性。2 HAZ 组织的改善除了细化晶粒，改善HAZ组织也是提高钢板韧性的一个途径。当 成分确定时，钢的韧性由组织和晶粒尺寸决定。研究结果表明，当大线 能量焊接后的HAZ含有一定数量的针状铁素体(AF)时，将具有较高的强 度和良好的韧性，所以很多研究都致
5、力于在HAZ获得AF组织，并对AF 的形核机理和合金元素对组织的影响做了探讨分析。3 添加合金元素控制钢的显微组织通过添加微量合金元素，可改善钢板的韧性，提高焊接性能。合 金元素在钢中形成细小的化合物颗粒，不仅细化晶粒，还充当AF的形 核质点，形成更多的 AF 组织，或是降低有害夹杂的含量，从而提高材 料的韧性。Ti、Nb、V的研究较多，此外Ni、Mn、Al、Si、Mo、B、Cu 和RE等元素也有类似的效果。研究表明,钢中加Ti有利于韧性的提高。 TiN粒子能够促进针状铁素体析出。由于TiN粒子与铁素体的错配度较 小，双方保持共格关系，从而有利于铁素体晶核的长大。也有分析认为 这与膨胀系数有关
6、。因为TiN与奥氏体的膨胀系数不同，在TiN粒子周 围产生较大的晶格畸变，畸变区有大量的位错，为铁素体的形核提供了 位置；同时，畸变促进了 C原子的扩散，还为铁素体形核提供了激活能。Nb 可以在不损失韧性的情况下提高强度。试验表明，加入 0.02% 的Nb即可使强度提高而韧性不降低。有研究认为，Ti、Nb复合微合金 化中，加入的Nb部分固溶于奥氏体基体抑制奥氏体晶粒的长大；同时, 化合态的Nb可以减少凝固期间形成的粗大富Ti的碳氮化物，增加钉轧 粒子的体积分数；也可能是形成（Ti，Nb）N降低了粒子的熔点，从而使 得第二相粒子在比固相线更低的温度析出，但具有更高的粗化温度，从 而具有更细小的尺
7、寸。Mn是防止热裂纹的有益元素。有研究发现，Mn的存在改善了硫 化物的分布形态，使薄膜状的低熔点化合物FeS改变为球状，并置换 FeS形成MnS，从而减少了低熔点硫化物的数量；而Ti在焊接过程中也 形成高熔点的硫化物，提高了焊缝的抗裂性。适量的Al能改善HAZ的低温韧性，还有研究者发现，钢中同时 加入Ti更有效。随着Al的加入，钢中M-A岛数量减少，其平均长度减 少，并且M-A中残余奥氏体数量增加，从而提高HAZ的韧性。加入Ti 后，HAZ中有相当多的TiN质点，并有MnS依附于TiN质点析出的现象。Mo能够有效降低Bs温度。ULCB钢中Mo和B共同作用能够使铁 素体析出线明显右移，使得在较宽
8、的冷却速度范围内获得完全的贝氏体 组织。这样，在较大的线能量范围内，HAZ的组织没有变化，从而保持 了良好的韧性。当Mo增加时，钢的强度明显提高。另外，Mo和Mn还 能增大Nb(CN)在奥氏体中的溶解度，从而降低TMCP工艺的再加热温度、 轧制温度及再结晶终止温度。Ni 是能够增加基体金属韧性并改善强化而不恶化 HAZ 韧性的元 素,随着Ni的加入，强度和韧性都有改善。尤其在8 -Cu时效强化ULCB 钢中，加入0.52倍的Ni可以防止铜的热脆性，通常15%是其上限。B能减少焊缝中自由状态的N，提高HAZ粗晶区的韧性。TiN粒 子在温度超过1450C时易熔解，产生的自由N原子对HAZ韧性不利。
9、B 与N结合形成BN，从而改善韧性。Re203对熔敷金属中的夹杂物有球化、细化作用，提高HAZ的韧 性。在焊剂中加入适量的Re2O3后，夹杂物数量减少。而且，REM在钢 中形成稳定细小的O、S化物，一方面取代TiN颗粒抑制奥氏体晶粒的 粗化，还充当铁素体的形核核心阻止上贝氏体的形成。在焊口中加入Cr粉能增加AF的数量，但削弱冲击韧度。不同的 合金成分下，随着Cr量的增加AF有不同程度的增加，但进一步增加Cr量，AF将被FS(ferritew辻hsecondphase)取代。国外有研究者认为 Cr量的增加将减少(通常抑制)PF(primaryferrite)的形核，因为在AF 晶内形核前贝氏体已
10、经可以在晶界自由形核。4 采用先进的生产工艺控制组织为了改善厚板的 HAZ 韧性，研究人员除了改善合金成分以降低 Ceq 和细化奥氏体晶粒外，还从生产工艺着手分析了组织控制对材料韧 性的改善作用。TMCP(Thermo-mechanicalcontrolprocess) 技术：该技术把钢的 形变再结晶与相变效果结合起来，以细化晶粒为主，大大提高钢材强韧 性，使热轧状态钢材具有良好的低温韧性和强度。为提高韧性和焊接性 能，必须降低钢中的碳含量和碳当量，采用TMCP可以弥补强度的损失， 保证钢材具有足够的强度和韧性。控制冷却super-OLAC技术:这是所谓的加速冷却型TMCP在板材 生产中应用的
11、开始。该技术在轧制后加速冷却过程中可以实现理论的冷 却速度，极大的扩大了传统冷却技术的冷却能力。控制冷却技术与控制 轧制相结合，可以进一步降低厚板中的合金元素，从而减少碳当量，提 高焊接性能。因为该工艺不要热处理即可改善板材的强度和焊接性能， 所以在世界范围被引用。利用该技术，日本钢铁公司研制了从 HBL325 到HBL385系列低碳当量新钢种，保证了基体材料的性能。此外，该技 术还用于生产高性能桥梁用钢、坦克和压力容器用钢、工程设备用钢以 及耐磨钢和濒海建筑用高强钢等。贝氏体组织控制技术：贝氏体组织的超低碳钢其相变对冷速不敏感，在较大的冷速范围内，该钢的组织均为轴状贝氏铁素体(bainiti
12、cferrite),焊后HAZ的硬度变化很小。当冷速达到25C/s(相 当于20kJ/mm)时仍然有很高的韧性，从而可生产出厚度超过75mm的高 强钢。采用该技术，KASAKI公司生产了厚3875mm的TS570MPa钢板, 在电弧焊条件下HAZ最大硬度为280HV。在20kJ/mm的线能量下仍具有 很高的夏比冲击功。TPCP(themo-mechanicalprecipitationcontrolprocess) 工艺： 可以在热形变后获得对冷速不敏感的均匀组织。将C量降低到0.02%, 在奥氏体-铁素体相变过程中不产生C的再分配，同时添加其他合金元 素在较宽冷速范围内获得均匀超低碳贝氏体组
13、织。该工艺的关键是沉淀 控制技术,通过沉淀强化效应保持强度。日本利用该技术研制了高韧性 超低碳贝氏体钢。EWEL 技术：日本的 EWEL 技术是奥氏体晶粒细化技术、奥氏体晶 内显微组织控制技术、化学成分设计及生产工艺和通过焊缝金属中的B 扩散控制热影响区组织这四种方法的综合。其中,奥氏体晶内显微组织 控制技术就是通过降低Ceq将UB组织转变为F+B或者F+P组织。此外, 在Y !a相变过程中，还可以通过晶内铁素体在BN和Ca的非金属夹杂 上的非均质形核而细化晶内组织。BN对提高基体金属的韧性非常有利。 JFE公司利用硫化物形貌控制技术(ACR, atomicconcentrationratio
14、) 实现对夹杂物形貌的控制,显著提高热影响区的韧性。大线能量焊接用钢的开发和应用通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代 表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊接的钢种，其组织主要为铁 素体和超低碳贝氏体。国内武钢研制了 WGJ510C2和WDL610D2钢，具有 较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。该钢 以Nb、V等微合金元素提高钢的强度，采用Ti的复合氧化物获得工 50kJ/cm 的抗大线能量焊接性能。船板钢：高强钢板用于造船目的在于减轻船身重量，降低油耗， 也就是所谓的“节能船”。随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用
15、 钢的屈服强度也从315MPa增加到355MPa。最近的趋势是使用屈服强度 更高的高价值钢板，比如390MPa的屈服强度。日本已经开发出系列适 应大线能量焊接的船用板。如JFE公司采用MACS(multipurposeacceleratedcoolingsystem)工艺研制了 YP390 船 用厚钢板，该钢低N，含有少量的Nb并添加了 REM-Ti，焊接接头在大 线能量条件下仍具有良好的低温韧性。试验测试结果表明，钢板的性能 以及在 147274kJ/cm 线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。 此外，日本还采用EWEL技术开发了 YP355MPa级LPG低温船用板，抗拉 强度520MP
16、a，承受的焊接线能量为106kJ/cm；而其开发的Q390MPa钢 板，在 600kJ/cm 的输入能量下仍具有良好的焊接性能。海洋建筑构件用钢：近年来，随着石油工业的发展，濒海构件也 用到了极地和深海地区。随着强度的提高和厚度的增加，用于濒海的钢 板必须满足-40匸下的CTOD值，落锤试验时零脆转变温度TNDT低于-85C以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。日本最初应用于寒冷地区能源开发的大线能量焊接厚板为YP360MPa结构钢板，最大厚度70mm,能够承受130kJ/cm的线能量。适 应更高强度的需要，通过控制Ceq和Pcm (如碳当量(CE)或焊接裂纹敏 感性组成 Pcm. CE = C + Mn/6 +(Cr + Mo + V)/S+(Cu + Ni)/15; Pcm = C + Si/30 +(Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B)， 降低C
