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低温韧性良好、可大线能量焊接的船用厚钢板

来源:冶金工业规划研究院网站2015-09-09 16:28:03
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1概述

  近年来,船舶、建筑和产业设备等各种焊接结构物向大型化的方向发展,因此对高强度厚钢板的需求不断增加。在造船业,开发出厚度大于50mm的屈服点(YP)390MPa和460MPa级普通商船用的船体结构E级钢钢板(保证母材-40℃韧性和焊接接头-20℃韧性)。但是,对于焊接结构物用钢板,要求的性能更高。目前石油、天然气等能源开发正在向阿拉斯加、萨哈林和北极圈等低温地带推进。为适应这些寒冷地带的工作环境,要求开发出低温性能更好的高强度钢。

  保证低温韧性的F级钢钢板(保证母材-60℃韧性和焊接接头-40℃韧性),目前已经开发到YP390MPa级,并且实现实用化。但为了保证焊接热影响区(HAZ)的低温韧性,采用的焊接方法是用线能量较小的二氧化碳气体保护焊进行多道次堆焊的焊接方法。另一方面,为提高焊接效率和减少焊接工时,对于大厚度钢板应采用焊接线能量大的、一道次完成焊接的气电立焊(EGW)焊接法。大线能量焊接会因HAZ组织粗大化使焊接接头韧性下降以及因HAZ软化区扩大导致焊接接头强度下降。使HAZ软化区硬化可以提高焊接接头的强度,但会引起HAZ韧性下降。因此开发焊接接头强度高、韧性好的可进行大线能量焊接的YP390F级钢板是一个难度很大的课题。

  JFE钢铁公司利用先进的低合金化技术,在世界率先成功开发出兼有母材高强度和焊接接头韧性良好的大线能量焊接用YP390F级钢板。

  2开发钢板的性能目标

  YP390F级开发钢板的性能目标值如表1。性能目标值符合日本船级社(NK)规范中的KF40钢板的规定,适用的最大厚度是50mm。用大线能量气电立焊一道次焊接的焊接接头试样,对开发钢板的焊接接头性能进行评价。

  3开发钢的成分设计

  3.1大线能量焊接用YP390F钢板开发中要解决的问题

  钢板在焊接时,由于焊接热量的影响形成了焊接热影响区(HAZ),钢板原来的组织在HAZ发生了变化。焊接时的最高温度从焊缝金属到母材是连续变化的,所以,在HAZ形成了原始奥氏体晶粒粗大化的、韧性下降的粗晶HAZ区和被加热到AC3以上的软化HAZ区。在大线能量焊接时,由于焊接区在很长时间内处于高温下,促进了组织粗大化和韧性下降,并且软化区的强度也显著下降。因此,要使钢板的焊接接头性能达到要求值,必须控制粗晶HAZ区韧性下降和软化HAZ区的强度降低。这就是开发钢板要解决的问题。开发钢板通过对硬质第二相M-A(马氏体-奥氏体组织)的弥散状态最佳化控制,在粗晶HAZ减少导致韧性下降的M-A,在软化HAZ使M-A弥散分布提高强度,使焊接区的强韧性达到开发目标的要求。

  3.2 HAZ组织最佳化技术

  图1是HAZ组织控制的思路。在提高粗晶HAZ韧性方面,JFE钢铁公司开发出“JFE EWEL奔际酢8眉际跬ü齌iN最佳化弥散分布抑制了高温下的γ晶粒长大,并且在原始γ晶粒析出BN和Ca系硫化物,成为相变核心,促进γ→α转变,使HAZ组织细化。此外,为提高开发钢板HAZ的韧性,对贝氏体转变时生成的第二相M-A进行控制。

  有研究报告指出,粗晶HAZ的M-A生成量与钢中的Si含量有关,低Si化可减少多道次堆焊的粗晶HAZ的M-A生成量。本开发钢的研究结果是,大线能量一道次焊接也同样可以减少粗晶HAZ的M-A生成量。但是,如果仅减少粗晶HAZ的M-A生成量,会促进软化HAZ区的硬度下降,不能保证焊接接头具有足够的强度。因此,对减少粗晶HAZ区的M-A含量、提高韧性,并增加软化HAZ区M-A含量、抑制软化、提高强度的成分设计进行了研究。

  为同时提高上述的强度和韧性,对低温高应变速率下显示软化行为从而提高低温韧性的合金元素进行了研究,发现Mn-Cu-Ni的合理比例起重要作用。通过这些元素添加量的优化可以促进软化HAZ区的M-A弥散析出,并可避免粗晶HAZ区的韧性下降。

  在粗晶HAZ区,铁素体在原始奥氏体晶界生成,之后,原始奥氏体晶粒内发生贝氏体转变。在软化HAZ区,主要是扩散型的铁素体转变,所以合金元素容易向γ内扩散,促进M-A的生成。观察焊接接头的粗晶HAZ区和软化HAZ区的微观组织发现,传统钢软化HAZ区中的C浓度高的相发生了珠光体转变,而开发钢软化HAZ区内的C浓度高的相生成了M-A,提高了软化HAZ区的硬度。采用这种HAZ组织控制技术,既可使钢板焊接接头具有良好的-40℃低温韧性,又具有足够的强度。

  4开发钢板的性能

  4.1母材的力学性能

  根据上述的HAZ组织控制思路,开发出大线能量焊接用YP390F级钢板。表2是开发钢的化学成分。该成分对合金元素的含量进行优化,利用JFE EWEL际酰诙愿种械腡i、N含量进行优化的同时添加Ca和B,并且降低Si含量、抑制粗晶HAZ区M-A的生成,进一步提高了焊接接头的韧性,Cu和Ni的添加提高了焊接接头的强度,使大线能量焊接用YP390F级钢板焊接接头兼有足够的强度和良好的低温韧性。此外,为了可以实现不预热焊接,对成分进行了低Pcm设计。开发钢板的制造采用了TMCP工艺,实施了最佳化的轧制和冷却工艺。钢板的厚度是50mm。

  钢板的拉伸试验和夏比冲击试验结果如表3所示。由于采用最佳化的TMCP工艺,钢板具有非常微细的组织。钢板的力学性能完全满足YP390F级钢的目标值。

  4.2焊接试验

  日本钢船建造标准(JSQS)规定,碳当量大于0.36%的TMCP高强度钢板,在气温5℃以下进行焊接时,需要预热。并且短焊道的长度应大于50mm。本开发钢板为保证焊接接头的强度,碳当量略大于0.36%,但经焊接低温裂纹试验和HAZ最高硬度试验表明,具有良好的焊接性。

  4.2.1抗焊接低温裂纹

  按照JIS Z 3158的规定,分别在0℃-60%湿度和20℃

  -60%湿度的恒温恒湿的室内,对钢板进行0℃和25℃预热,以17kJ/cm的线能量进行Y形坡口焊接裂纹试验。焊接条件及试验结果如表4。在各种焊接条件下,均未发生表面裂纹、断面裂纹以及焊根裂纹。说明低Pcm设计使开发钢板具有良好的抗焊接低温裂纹性。

  4.2.2 HAZ的最高硬度试验

  按照JIS Z 3101对开发钢板HAZ的最高硬度进行了测定。试样的板厚是50mm(全厚度),焊道长度由10mm变化到125mm。在各个试验条件下,HAZ的维氏硬度都小于350HV,没有发生显著的硬化。虽然开发钢板的碳当量略高于JSQS规定的不预热碳当量的上限0.36%,但由于低Pcm设计,抑制了大线能量焊接导致的硬化。所以开发钢板可以不预热焊接。

  4.3开发钢板大线能量焊接接头的性能

  为对开发钢板大线能量焊接接头性能进行评价,用一道次气电立焊(EGW)焊接方法焊接开发钢板制作焊接接头。焊接条件如表5。焊接接头的抗拉强度如表6。焊接接头抗拉强度的试验值超过标准的下限值(≥510MPa),表明开发钢板焊接接头具有足够的强度。焊接接头夏比冲击试验结果如图2。YP390F级钢板大线能量焊接接头各个位置缺口的试样都具有很高的吸收功。而这是利用传统技术很难实现的。此外,采用传统的小线能量焊接的熔化极气体保护自动焊的多道次焊接接头也具有良好的低温韧性。

 
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