微合金鋼焊接研究的新挑戰

   時間:2014-03-11 13:29:11
微合金鋼焊接研究的新挑戰簡介
     焊接技術作為一種傳統的加工工藝經過上百年的發展,其應用領域涉及各行各業,焊接工藝方法近百種,在機械製造、航空航天、汽車、電子等行業已成為其它……
微合金鋼焊接研究的新挑戰正文
  

 焊接技術作為一種傳統的加工工藝經過上百年的發展,其應用領域涉及各行各業,焊接工藝方法近百種,在機械製造、航空航天、汽車、電子等行業已成為其它連接方式無法替代的工藝技術。尤其我國尚處於工業化過程中,鋼鐵的產量與消耗量均據世界首位,焊接技術依然起著非常重要的作用。縱觀工業發達國家,鋼鐵強國同是焊接強國。

   熱軋厚板產品主要應用於船舶製造、建築結構、橋樑、鍋爐和壓力容器、輸送管線、海洋平台、工程機械等重要場合,因此對產品的質量、焊接性要求亦越來越高。這種要求表現在以下幾方面:

   (1)最大限度地滿足強度、韌性的指標要求;

   (2)優異的服役性能,包括耐高、低溫性能,抗疲勞性能,耐介質腐蝕性能等;

   (3)良好的焊接性能,包括廣泛的焊接工藝適應性,高抗裂紋性,適用於大線能量焊接;

   (4)符合各項法、規規定;

   其中對焊接性的要求是最主要的內容之一,也是鋼鐵生產企業努力解決的關鍵技術。微合金化是鋼鐵產品改善和提高焊接性的核心。

   冶鍊和軋制技術的進步

   1 純凈鋼技術

   微合金化離不開冶金技術的整體進步,鐵水預處理、轉爐鍊鋼、鋼包精鍊、真空精鍊等精鍊技術的採用,使鋼中S、P 等雜質元素的含量遠低於以往的低碳鋼和低合金鋼。

   以實績為例,目前的純凈鋼冶鍊技術能夠達到如下水平:

   [P+S+N+O+H] ≤80ppm

   P≤20ppm, S≤5ppm,N≤20ppm,O≤10ppm,H≤1.0ppm

   隨著雜質元素的大幅度降低,結晶裂紋發生率隨之大大減小,不再成為人們關注和研究的重點。

   由於使用時結構設計的要求,鋼板的板厚方向性能不容忽視。消除連鑄坯中間偏析技術的日臻完善,大大降低偏析程度,改善了厚板的Z向性能。

   2 控制軋制和控制冷卻

   控制冷卻技術的發展推動了軋制技術的進步,使控制軋制和控制冷卻有效結合,結合的結果使得鋼種成分更加簡單,鋼板綜合性能進一步提高。同時隨著自動化控制技術在軋鋼應用中的不斷成熟,有條件生產高品質、高精度的產品。微合金化技術結合控軋控冷,在受控狀態下實現形變熱處理,具有形變強化、析出強化和相變強化的綜合作用,可獲得比合金化法、正火處理及調質處理,更好的塑性、低溫韌性、高的強度,更重要是由於碳當量Ceq 和裂紋敏感指數Pcm的降低,焊接性能大大提高,逐漸由可焊向易焊方向發展。

   目前熱軋厚鋼板製造被廣泛採用的控制軋制(TM)有正火軋制,控制軋制(又稱CR,分為兩階段軋制和三階段軋制);控制冷卻工藝有加速冷卻(ACC)和直接淬火(DQ);控制軋制和控制冷卻工藝結合形成TMCP工藝。

   日本已採用TMCP 工藝生產出屈服強度570MPa 的結構鋼,用於橋樑、壓力容器和管線,並確保75mm 鋼板焊接無預熱、無弧坑裂紋。同時用相同工藝正開發屈服強度690MPa 的結構鋼。

   新型微合金鋼焊接的優勢

   採用TMCP工藝技術,國外已開發出多種高強度焊接結構鋼。較為典型的鋼種有:

   (1)新日鐵研製生產的屈服強度420MPa的鋼(符合API 2WGr.60),厚度40~70mm,焊后熱處理Akv(-40℃)280J,且FATT 達到-90℃~-100℃、Akv150J,用于海洋平台;接著又開發了氧化物彌散分佈的屈服強度500MPa 的海洋平台用鋼。

   (2)川崎制鐵和神戶制鋼開發了屈服強度570MPa鋼,焊接熱輸入可達200KJ/cm(為傳統鋼種的4 倍),-20℃下使用,焊接不預熱,無弧坑裂紋、無硬化現象,厚度可達75mm,與SM570 相比具有明顯的優勢,用於橋樑建設,且無需塗裝。

   (3)新日鐵採用氧化鈦和氮化鈦彌散分佈技術(簡稱HTUFF-Super HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles)開發抗震建築用鋼490MPa、520MPa、590MPa系列,最大厚度100mm, 焊接熱輸入可達1000KJ/cm,局部脆化減弱。

   (4) 芬蘭採用TMCP + ACC 技術, 生產NVE360、NVE400、NVE500,用於破冰船,、NVE400、NVE500,用於破冰船,NVE500 的Ceq僅為0.40%。
從以上實例可以發現,現代軋制技術的發展帶來的是鋼鐵企業的低成本(合金添加量少),更主要的是為鋼鐵生產的下游用戶提供更為直接的效益。

   1 低裂紋敏感性

   影響鋼種焊接裂紋敏感性的因素來自淬硬組織、擴散氫、拘束度,碳當量Ceq 和裂紋敏感指數Pcm 決定了淬硬傾向。而微合金化技術和控制軋制技術的運用,使鋼種的成分設計簡單,合金總量減少,特別是碳含量的降低(超低碳),高溫和中溫轉變組織比例提高,加之析出相的影響,形核增加,晶粒細化。形成針狀鐵素體和低碳貝氏體為主的組織,因此達到高的強度與韌性。成分的簡化為提高鋼種的抗冷裂性提供了保證。

   2 高熱影響區韌性

   焊接熱影響區的韌性是新型微合金鋼的最主要的問題,此問題是伴隨著高效焊接技術而來。為提高焊接效率,埋弧自動焊、氣電焊(單絲、多絲、熔嘴)、電渣焊(KES、SES)廣泛應用,隨焊接線能量的增加對焊接熱影響區韌性的損傷越來越明顯。焊接研究者和鋼種設計者不得不尋找能有效阻止HAZ晶粒粗化的技術。

   各國冶金工作者經過多年的研究,首先發現了氮化鈦的有效作用,並付諸實施,取得了良好的效果。更為令人感興趣的是日本的研究人員發現氧化鈦比氮化鈦具有更強的高溫穩定性,對釘扎晶界、阻止晶粒長大更為有效(即HTUFF 技術),使鋼種承受的焊接線能量大大提高。

   焊接研究面臨的問題

   我國在TMCP等軋制技術應用方面起步較晚,目前國內軋機的生產能力和技術水平遠落後於日本等國家,作為其應用必不可少的焊接技術同樣缺乏研究,國外的發展歷史和經驗值得借鑒。結合本人所從事的工作簡要敘述以下幾點想法。

   1 焊接材料

   鋼級強度和韌性的提高首先迫切需要解決的是焊接材料的配套問題,這些配套焊接材料包括焊絲(實心、葯芯)、焊劑、焊條及特殊焊材,尤其是高效焊接材料。因此下列品種將成為今後的研究和發展重點。

   (1)開發適合於大線能量焊接用的焊絲(尤其是葯芯焊絲),滿足氣電立焊和電渣焊;

   (2)由於鋼板抗裂傾向的降低,裂紋轉移至焊縫金屬,開發抗裂紋性良好的焊接材料是關鍵;

   (3)高強度實心氣保護焊絲,要求低飛濺、高性能;

   (4)與高速多絲埋弧自動焊相匹配的燒結焊劑;

   (5)特殊服役性能要求的焊絲,分別要求耐腐蝕、耐火、抗震;

   (6)特殊的熔嘴電極;

   更主要的是國內能形成品種相對齊全(包括實心焊絲、葯芯焊絲、焊劑、焊條)、質量穩定的焊接材料生產企業。

   2 焊接標準

   1) 焊接材料

   焊接材料標準一定程度上反映了焊接技術發展水平。我國現有的焊材標準,以實心氣保護焊絲、葯芯焊絲為例,有《氣保焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》(GB/T8110)、《碳鋼用藥芯焊絲》(GB/T 10045)和《低合金鋼用藥芯焊絲》(GB/T17493);而日本對焊接材料標準的分類更適宜於用戶的選用,有《碳鋼及高強鋼MAG焊接用實芯焊絲》(JISZ3312)、《耐候鋼用CO2氣體保護焊實芯焊絲》(JIS Z3315)、《鉬及鉻鉬鋼MAG焊接用實芯焊絲》(JIS Z3317)、《低溫鋼MAG焊接用實芯焊絲》(JIS Z3325)、《碳鋼、高強鋼及低溫鋼用氣體保護焊和自保護電弧焊葯芯焊絲》(JIS Z3313)《鉬及鉻鉬鋼MAG焊接用藥芯焊絲》(JIS Z3318)《氣電立焊用藥芯焊絲》(JIS Z3319)和《耐候鋼CO2焊接用藥芯焊絲》(JIS Z3320),共計8個,日本是目前焊接材料標準最齊全的國家。

   2) 焊接規程

   目前我國焊接規程主要以行業劃分,如JB/T4709 《鋼製壓力容器焊接規程》、GB50094《球形儲罐施工及驗收規範》等。而日本、德國均由WES和SEW制定只對應鋼種(或鋼級)的焊接規程,如WES3001《高強鋼焊接》、SEW088《可焊細晶粒結構鋼的焊接規程》,德國焊接學會還推薦針對各鋼級的焊接材料選擇建議,這對製造業用戶極為方便。

   3 新工藝的推廣

   微合金鋼的優勢明顯,解決了冷裂紋和熱影響區脆化問題,由於大線能量焊接導致焊后冷卻速度低於軋製冷卻期間的冷卻速度,因而在HAZ 出現軟化,與傳統的合金強化相比,軟化成為新問題。因此合理的焊接工藝措施仍然是焊接工作者的研究內容,包括焊接線能量的控制、焊接材料強度與母材的匹配等。

   隨著焊接技術的進步,高效的多絲埋弧自動焊、多絲氣保護焊、冷絲焊、窄間隙焊成為最為實用的焊接方式,其主要目的在於既提高效率,又能控制焊接熱影響區的高溫停留時間、加快冷卻速度。

   精度製造概念的提出,新型的焊接方式正為工業界接受,其中激光焊接技術發展最為迅速,首先大規模地應用於汽車製造業,特別是激光拼焊板(Tailor Blank Welding)的推出,使激光焊接得以推廣。最近國內已開始開展激光複合電弧焊應用於厚板(主要是船用鋼板)的研究,這將為微合金鋼的應用提供新的途徑。

   微合金化技術於控制控冷技術的應用為高強度鋼的發展提供了充足的條件,提高了鋼材的焊接性,特別是降低了冷裂紋的敏感性,在一定程度上簡化了焊接工藝,減小了焊接加工的製造成本。同時微合金化也提高了焊接熱影響區的綜合性能,焊接線能量得以提高,可實現高效焊接。但仍然有許多問題急待解決,尤其是高效、高性能的焊接材料。

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