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我國(guó)新鋼種及其焊接性的發(fā)展

2016-04-13 17:28:00

天津大學(xué) 李午申教授

原創(chuàng)

7963

摘要：隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，焊接結(jié)構(gòu)日益向高參數(shù)、大型化方向發(fā)展，這就對(duì)焊接結(jié)構(gòu)用鋼的性能提出了越來(lái)越高的要求，不僅要有良好的綜合力學(xué)性能，而且要有良好的加工工藝性能（如焊接性）。

隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，焊接結(jié)構(gòu)日益向高參數(shù)、大型化方向發(fā)展，這就對(duì)焊接結(jié)構(gòu)用鋼的性能提出了越來(lái)越高的要求，不僅要有良好的綜合力學(xué)性能，而且要有良好的加工工藝性能（如焊接性）。對(duì)于特殊條件下應(yīng)用的鋼材，還要求具有相應(yīng)的特殊性能，如耐腐蝕、耐高溫、耐低溫等。因此原來(lái)的碳素結(jié)構(gòu)鋼已遠(yuǎn)不能滿足要求，這就進(jìn)一步促使合金結(jié)構(gòu)鋼獲得了迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。焊接性的好壞是評(píng)價(jià)鋼材使用性能的主要指標(biāo)之一。焊接性、焊接材料及相應(yīng)的焊接工藝是焊接合金結(jié)構(gòu)鋼的三個(gè)基本要素，三者密不可分。因此，如不及時(shí)有效地解決每一種合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性及配套焊接材料和焊接工藝問(wèn)題，將會(huì)直接阻礙該類(lèi)鋼種的推廣應(yīng)用。

為了不斷改善合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性，國(guó)外從60年代末國(guó)內(nèi)從80年代就開(kāi)始研制并生產(chǎn)焊接性良好的微合金控軋鋼，并開(kāi)始研究下一代超細(xì)晶粒鋼。新鋼種的出現(xiàn)給鋼的焊接性帶來(lái)了重大的變革。

1 微合金控軋鋼

過(guò)去生產(chǎn)的合金結(jié)構(gòu)鋼，著重于鋼材本身的性能，偏重于氧化提純、加工成形和相變熱處理。而對(duì)其焊接性考慮較少，這給焊接技術(shù)及焊接生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不便。最近幾十年來(lái)，國(guó)外特別注重從冶金入手從根本上解決鋼的焊接性問(wèn)題。近二十年來(lái)我國(guó)的冶金工作者也已經(jīng)對(duì)此引起重視，并通過(guò)冶金措施采用低碳微合金化及控軋控冷等工藝措施生產(chǎn)出了若干種強(qiáng)韌性好、焊接性優(yōu)良的管線鋼、橋梁鋼、壓力容器用鋼等，這為焊接用合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展做出了新的貢獻(xiàn)。新鋼種的生產(chǎn)具有如下特點(diǎn)：

1.1 潔凈化技術(shù)

鋼的潔凈化會(huì)顯著提高鋼的沖擊韌度、焊接接頭的抗裂性和抗HIC的能力，其焊接性會(huì)得到明顯提高，相應(yīng)的要求焊縫也必須潔凈化。

1.2 細(xì)晶化技術(shù)

通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化可進(jìn)一步降低低合金高強(qiáng)鋼的碳含量，減少固溶的合金元素，從而使沖擊韌度會(huì)得到進(jìn)一步提高。武鋼采用上述技術(shù)生產(chǎn)的管線鋼、橋梁用鋼的沖擊韌度都已達(dá)到較高的水平，其鋼種的實(shí)測(cè)夏比沖擊功－40℃下均在100J以上。

1.3 微合金控軋鋼對(duì)焊接材料的要求

1.3.1 焊縫金屬的潔凈化

（1）焊接原輔材料的潔凈化。
（2）焊接冶金反應(yīng)中的潔凈化。

1.3.2 焊接材料的微合金化

微合金控軋鋼的強(qiáng)韌化需要焊縫的高強(qiáng)韌性匹配，這就需要焊縫金屬不僅要實(shí)現(xiàn)潔凈化，而且也要實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化。但焊縫的細(xì)晶化不象鋼板那樣可以通過(guò)控軋控冷工藝實(shí)現(xiàn)，它只有通過(guò)合金化完成細(xì)化晶粒的目的。研究表明，焊縫中出現(xiàn)大量針狀鐵素體可以顯著提高焊縫金屬的強(qiáng)韌性，這是由于鐵素體針?lè)浅＜?xì)小，平均尺寸約為1μm，且鐵素體針取向自由，呈大角度晶界，從而具有較強(qiáng)的抗裂紋擴(kuò)展能力，因此，使焊縫出現(xiàn)足夠量的針狀鐵素體是提高焊縫金屬?gòu)?qiáng)韌性的關(guān)鍵。焊縫中加入多種微量元素一方面可抑制高溫奧氏體的晶粒長(zhǎng)大，二是可促使針狀鐵素體的形成，焊縫中夾雜物質(zhì)點(diǎn)作為針狀鐵素體的形核核心對(duì)提高針狀鐵素體的形核率起著重要的作用。

在焊縫的諸多合金元素中，Ti、B、Re、Al具有更為重要的作用。另外通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，控制冷卻速度也可促使針狀鐵素體的形成。

應(yīng)當(dāng)指出，錳是微合金化鋼中的主加元素，一般加入量為1.1％~2.0%。錳的加入，不僅可以提高固溶強(qiáng)化作用，而且還能降低γ→α的轉(zhuǎn)變溫度，從而達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒的作用。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)錳含量可使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體，使強(qiáng)韌性得到進(jìn)一步提高。

2 微合金控軋鋼的焊接性介紹

微合金控軋鋼由于含碳量低、潔凈度高、晶粒細(xì)化，因此具有較高的強(qiáng)韌性和良好的焊接性。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿摬牡氖褂眯阅芤蟛煌虼耍辖鸹煌附有砸哺饔胁町悺氫摵臀滗撋a(chǎn)的微合金控軋鋼主要有管線鋼、壓力容器用鋼、橋梁鋼等，并在工程上得到了成功的應(yīng)用。其中管線鋼是最早進(jìn)行微合金化并應(yīng)用最為成功的范例，近幾十年來(lái)已在美國(guó)、日本和西德等國(guó)家得到了廣泛地應(yīng)用。近年來(lái)我國(guó)也已生產(chǎn)出了自己的管線鋼，并已逐步替代進(jìn)口并在我國(guó)管線工程中得到應(yīng)用。

3 新一代鋼鐵材料及其焊接性

我國(guó)于1998年在國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃中啟動(dòng)了“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”的“973項(xiàng)目”。該研究的最終目標(biāo)是將占我國(guó)鋼產(chǎn)量60%以上的碳素鋼、低合金鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等“三類(lèi)”鋼的強(qiáng)度和壽命提高一倍。如果采用新一代鋼種取代三類(lèi)鋼中50%的傳統(tǒng)鋼材，則每年可少用1500噸鋼，其直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)450億元，間接經(jīng)濟(jì)效益則更為顯著，如可減少鋼廠建設(shè)、礦山的基建投資，減少資源損失和對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染等。

同時(shí)，日本在1997年啟動(dòng)了STX-21“超級(jí)鋼鐵材料”科學(xué)研究項(xiàng)目，投資1000億日元。目標(biāo)是10年內(nèi)開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)有鋼鐵材料兩倍的超級(jí)鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建材的更新?lián)Q代。主要研究開(kāi)發(fā)80 MPa級(jí)易焊接的鐵素體-珠光體鋼、耐延遲破壞和疲勞破壞的1500 Mpa級(jí)超高強(qiáng)度鋼、超臨界壓力發(fā)電設(shè)備用鐵素體耐熱鋼和海濱地區(qū)用鋼等。

韓國(guó)也于1977年開(kāi)始了一個(gè)歷時(shí)十年的21世紀(jì)結(jié)構(gòu)鋼項(xiàng)目，主要研究開(kāi)發(fā)800 Mpa級(jí)結(jié)構(gòu)鋼、600 Mpa級(jí)耐候鋼和1500 Mpa級(jí)的螺栓鋼。

3.1 新一代鋼鐵材料的特點(diǎn)

新一代鋼鐵材料的特點(diǎn)是超細(xì)晶粒、超潔凈度、高均勻性、性價(jià)比更加合理的新一代鋼種。其強(qiáng)度和壽命比原同類(lèi)鋼種提高一倍。

3.2 新一代鋼鐵材料的焊接性

由于新一代鋼鐵材料晶粒極度細(xì)化，焊接時(shí)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題是焊縫的強(qiáng)韌化、熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大等問(wèn)題。在我國(guó)新一代鋼鐵材料項(xiàng)目中，主要是針對(duì)400 Mpa級(jí)和800 Mpa級(jí)超細(xì)晶粒鋼解決上述焊接性問(wèn)題。并應(yīng)從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進(jìn)行綜合解決。

（1）焊縫金屬的強(qiáng)韌化。
（2）熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大傾向。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)冶金技術(shù)的提高，新鋼種的性能不斷提高，這就需要研發(fā)高質(zhì)量的焊接材料與之匹配，實(shí)現(xiàn)焊縫的強(qiáng)韌化。由于新鋼種焊接性不斷改善，焊接裂紋傾向減小，焊接工藝得到簡(jiǎn)化。對(duì)于這類(lèi)鋼種的焊接技術(shù)，主要應(yīng)向高效和自動(dòng)化方向發(fā)展。而對(duì)于新一代超細(xì)晶粒鋼的重大發(fā)展，在不提高合金元素的條件下，強(qiáng)度、壽命均提高一倍，這不僅是鋼鐵材料的重大變革，而且也對(duì)焊接技術(shù)和焊接材料的發(fā)展提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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