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提升厚钢板焊接性能的技术
1 前言
  在焊接结构钢的使用中,焊接性是重要的特性之一。近年随着结构物的大型化,高强度且厚壁材的使用量一直在增加。因此,伴随高焊接施工效率的大线能量焊接的使用,也强烈要求确保焊缝特性和高性能化,以提高国际竞争力。特别是近几年,在造船领域集装箱船超过8000TEU那样的大型化和建筑领域大厦的高层化,促使原料钢材向高强度化和厚壁化发展,对其韧性的要求也更加严格。
  因此,不仅要确保大线能量焊接金属特性,且确保钢板焊接热影响区(下称HAZ)的韧性是个大课题。因在轧制中以TMCP(又称形变热处理或控轧控冷)技术进行了组织细化的钢板,在大线能量焊接时的受热循环中,会使HAZ的晶粒粗化而显著降低韧性。
  HAZ的组织控制与钢板组织控制不同,仅控制钢板的化学成分是不充分的,故长期以来一直在追求如何进行与从炼钢阶段的夹杂物控制技术相结合的组织控制技术开发。
  在大线能量焊接HAZ的组织控制技术中,可供利用的夹杂物有以下二类:
  第一类,以Ti氧化物为核心,利用晶内F(铁素体)的组织细化技术。
  第二类,利用了氮化物、硫化物及硼化物的γ晶粒生长的锁住(或称钉扎、阻塞)作用和利用F生成能力的组织细化技术。
  应用于大线能量焊接HAZ组织控制技术的各种夹杂物的分类见表1。   
  表1  各种夹杂物分类  
  

分类
杂杂物
氮化物系
TiNAlNVN
硫化物系
REM(OS)Ca(OS)CaS+MnS
硼化物系
BNFe23CB6Fe3(CB)

 
  2  N化物系夹杂物的利用技术
  用作焊接HAZ组织控制和钢板组织细化的代表性N化物系夹杂物,有表1所示的TiN、AlN和VN。其中,用于焊接HAZ韧性改善的,从小线能量焊接到大线能量焊接的整个焊接领域,用得最早最多的是TiN。TiN所起的作用一是能抑制γ晶粒粗大化;二是促进F生成能力。但早先研究的主要是前者,在由Ostrobvskaya进行的大线能量电渣焊接HAZ韧性的改善中,开始是向钢中加入0.010%~0.012%的Ti、0.0026%~0.0036%的B。其后对TiN加入量和粒子尺寸的讨论很活跃,并查明了以下事实:0.05μm以下尺寸的TiN量和1400℃加热时的γ晶粒直径相关。将TiN的体积(百)分率和尺寸定量化,γ晶粒直径可用r/f(r为TiN平均粒子直径,f为TiN体积分率)进行整理,即TiN量的增大或其尺寸减少都能将γ晶粒直径(r/f)细化。
  AlN的利用技术是使比一般的Al镇静钢有更多量的AlN析出而谋求的细晶粒化处理,主要是用于淬火-回火钢,但因在大线能量焊接HAZ熔合线附近长时间处于1400℃以上高温,故基本上没有见到AlN粒子锁住γ晶粒长大的效果。
  在大线能量焊接HAZ中的AlN利用技术,是在焊接热循环的冷却过程中利用AlN的析出,以将HAZ基体组织高韧化的韧性改善技术。即是以加入低N-Ti为基础,在钢中先加入可溶Al,在焊接热循环的冷却过程中将游离N固定为AlN,并利用位错的粘结作用,减少劣化韧性的游离N的技术。因对焊接热循环过程中的游离N和全N量的定量测定,确认AlN在600~850℃范围析出。
  因VN与AlN同样熔点低,故不能作为对γ晶粒长大的锁住粒子而加以利用,但从界面能的观点来看,其F生成能力与TiN处于同等水平,故进行了各种各样的有关晶内相变的研究。如在超厚H型钢的生产中,向钢中加入V和N而利用了控轧中的VN向A的应变感应析出,以析出的VN为核心促进了F生成,从而细化了钢的组织。另外,有研究称,VN在晶界的优先析出,更是促进了晶界F的析出。
  总之,关于N化物粒子的利用技术,以上介绍了多方面的内容。但获得广泛利用的大线能量焊接HAZ组织控制技术基本上是以TiN作为基础技术。至于AlN,则是从F生成能力的角度,利用游离N的固定以及与TiN等的复合使用来实现基体组织的高韧性化。
  3 S化物系夹杂物的利用技术
  作为S化物系夹杂物,多以REM的(O,S)化物和S化物为研究对象。原来,因钢板生产工艺是模铸-开坯-轧板,钢锭凝固速度慢,在生产加Ti钢时TiN粒子难以细小分散,故有TiN无法确保大线能量焊接HAZ韧性的问题。为此,进行了Ca和Ce(??)元素复合添加效果的研究,有报告称在焊接熔合线附近(即焊接金属/HAZ的界面)韧性得到了显著改善。其原因是Ca促进了F·P(铁素体·珠光体)相变和Ce(稀土元素)的S化物系夹杂物球化共同作用的结果。
  如上所述,利用Ca和REM的(O,S)化物和S化物可直接或间接促进F相变,并抑制γ晶粒粗大化,通过金相组织的细化而实现了大线能量焊接HAZ的高韧性化。
  4 B的利用技术
  较之其他合金元素,B在钢中的扩散速度快,焊接热循环时可在HAZ范围产生大的移动,因而其作用复杂,控制也非常困难。
  B在钢中有以下基本作用:
  一是以BN的形式成为F的生成核;
  二是降低γ晶界的界面能而抑制晶界F的生成。
  前者利用与REM(O,S)夹杂物的复合化而起到了F生成核的作用,同时作为固定了固溶N的BN,也兼备了将基体组织高韧化的功能。此固溶N的降低效果虽与AlN的生成相同,但因B的扩散速度快,故其作用更有效。而后者作为固溶B的γ晶界的偏析,促进了晶内F生成,向焊接金属中加入Ti-B,已被有效用于促进针状F的生成机理中。
  另外,有研究报告称B作为Fe的(C,B)化物而被利用。在TiN+MnS的析出部周围是Fe23(CB)6和Fe3(CB)等的析出而形成了C的稀薄带(又称贫乏层),从而促进了F相变。这里因在Fe的(C,B)化物的析出过程中开始晶内F相变,故C的稀薄带没有消失。
  如上所述,在实现高韧性化方面,加入的B是明显促进晶内F生成的有益元素,也是微量添加即能最有效提高淬透性的元素。因此,如何控制其利用技术(加入方法和加入量等),以避免出现提高淬透性而降低韧性的情况,可以说既很重要但又不简单。
  通过改变加入B量和可溶铝量,利用再加热循环试验,求出了最高加热温度和韧性的关系:最高加热温度为1350℃时,在TiN能熔解的焊接熔合线附近区域由B和固溶N结合而析出BN,从而促进了F生成和固溶N的减少,都有提高韧性的效果;但在稍稍离开熔合线的(供B量易过剩)区域(温度<1150℃),因TiN未熔解、固溶N少,B可提高淬透性,但却促使韧性下降。因此,有研究报告称其对策之一是减少可溶铝的添加量,即仅在熔合线附近加B(因在无固溶N的区域加B会提高淬透性而劣化韧性)。为此,最近还开发了从焊接金属材料向HAZ进行B扩散的实用技术。
  利用B扩散的HAZ组织控制技术着眼于在大线能量焊接金属部位为了抑制晶界F生成而加入的B,使之在焊接时向HAZ侧扩散,以便在焊接金属与钢材焊合中控制适当B量,以B发挥固定N(生成BN)的作用,确保整个HAZ的良好韧性。
  B的利用技术是多方面的,关键是选择合理的方式,并对添加量进行严格控制,以达到兴利除弊的目标。
  5 结语
  目前,在造船和建筑领域已广泛使用了大线能焊接用厚板。
  以合金元素加入量实现了最佳化的TiN钢为基础,在有效利用了B、Ca添加技术的钢材显微组织中,利用夹杂物的作用获得了F主体组织。然而,除原有的夹杂物控制技术之外,今后如何确保高强度材和厚壁材,在大线能焊接部位的必要韧性,预计将是困难的。
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打印文章 】【 关闭窗口 】【 浏览次数:961 】【 发布日期:2014/10/17 】

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