大线能量焊接系列船体钢开发实践.pdf

结合华北理工大学高品质钢连铸实验室开发的氧化物冶金技术，优化调整船体钢的冶炼、轧制及焊接试验工艺。在传统的降C、增Mn、加Ti成分设计基础上，添加微量的合金元素，优化设计DH36大线能量焊接船体钢的化学成分。对成品厚度3 0 mm的轧制板材在8 0 kJ/cm焊接线能量条件下进行焊接试验，并分别在-2 0 和-40 温度下进行冲击性能测试。结果发现：冲击断口表面有明显起伏，呈灰暗色，无明显金属光泽，为韧性断裂，钢板的焊接HAZ低温冲击韧性良好。关键词冲击性能焊接试验线能量低温Development and Practice of Series Hull Steelwith Large Heat Input Welding陈孟伟1Guo Wenbin,Xiao Pengcheng,Yao Jingwen,Liu Zhiyuan,Wang Chongjun,Cao Yakun and Chen Mengweil(1 Tangshan Medium and Heavy Plate Co.,Ltd.;2 North China University of Science and Technology)Abstract Combined with the oxide metallurgy technology developed by the High Quality Steel Continuous Cast-ing Laboratory of North China University of Science and Technology,this paper optimizes and adjusts the melting,roll-ing and welding test processes of hull steel.On the basis of traditional composition design of reducing C,increasing Mnand adding Ti,the chemical composition design of DH36 hull steel with high heat input welding is optimized by addingthe trace alloying elements.The welding test is conducted on the as-rolled plate of 30 mm thickness under the condi-tions of 80 kJ/cm heat input,and the impact properties tests are performed at-20 C a n d -40 r e s p e c t i v e l y.T h eresults show that the impact fracture surface has obvious undulation and is of grey and dark colour without apparent me-tallic lusster,which is ductile fracture.The test plate is of good low temperature impact toughness at welding HAZ.Keywords Impact properties,Welding test,Heat input,Low temperature0前言船舶大型化和恶劣的工作环境要求船板钢具备高强度、耐腐蚀、良好低温冲击韧性等性能 1-6 ,尤其是焊接HAZ易成为材料服役过程的薄弱环节而最早失效，难以满足使用要求。氧化物冶金技术是开发大线能量焊接用钢的有效工艺手段,其核心是利用钢中高熔点、均匀弥散分布的微细氧化物夹杂控制钢中氮化物、碳化物、硫化物的析出、分布及形态,进而诱发晶内铁素体来细化钢的组织，从而提高钢材的强韧性以及焊接性能 7-。为此，唐山中厚板材有限公司（简称“中厚板公司”）与华北理工大学高品质钢连铸实验室合作，联合开发大线能量焊接船体钢生产技术。1试验材料及冶炼工艺流程根据DH36钢板性能要求及各个元素对其综合力学性能的影响来设计钢板成分。钢的化学成分和微观组织结构决定着力学性能,因此化学成分的确定是实现其最终力学性能的基础。结合各个元素对钢板性能的影响和船体钢使用性能的特点，参考国内、外大线能量焊接船体钢的生产技术成果,在传统的降C、增Mn、加 Ti 成分设计基础上，添加微量的合金元素，设计DH36大线能量焊接船体钢的化学成分，其中的主要元素含量设计要求如表1所示。14元素下限值上限值0.08目标值0.07宽厚板表11DH36钢设计成分范围（质量分数）CMn0.061.401.601.50第2 9卷%SP000.0060.0150.0030.012Si0.200.300.22Als0.0200.0500.030Nb0.0350.0450.040Ti0.0100.0200.015Mo0.050.090.07冶炼采用LDLFRHCC工艺流程,转炉公称容量为12 0 t,连铸断面为2 3 0 mm200mm，轧制成品板材厚度3 0 mm。2焊接设备及其参数DH36钢焊接试验采用高品质钢连铸实验室的Power Wave?AC/DC1000?SD 三丝埋弧焊机,线能量为8 0 kJ/cm，单丝极限电流可达10 0 0 A，极限电压可达50 V。该埋弧焊机在埋弧焊接中使用波形控制技术，可选择恒流或恒压模式对频率和振幅进行调节。通过软件设置AC、D C（+）或DC（）输出控制熔敷率及熔深,相比传统的焊接电源,在单弧或多弧焊接中，可以实现更快的焊接速度、更高的焊接效率和更好的焊缝质量，如图1所示。图1焊接试验3试验方法与结果讨论3.1试验方法根据GB/T2292007金属材料夏比摆锤冲击试验方法标准中的规定，将焊接试样加工成10mm10mm55mm尺寸夏比V型缺口标准冲击试样，在焊缝中心处和熔合区处开“V型”缺口，每处分别选取3 个试样，在金桥焊材研发中心各进行3 次40 冲击测试，冲击位置分别为熔合区和焊缝中心，对冲击试样分别做好标记以便进行后期分析，从熔合线+2 mm和+5mm处制取的试样,进行-2 0 和-40 冲击性能测试，每组3 个试样,取平均值作为测试结果,测定其相应的横向冲击功。熔合区和焊缝中心冲击试样的V型缺口位置示意图见图2。熔合区V型缺口处焊缝中心V型缺口处5mm图2 试样熔合区、焊缝中心V型缺口位置示意图3.2结果分析3.2.1冲击性能30mm厚度轧材的冲击性能测试结果平均值见表2、表3。表2 3 0 mm厚度熔合区轧材表面冲击性能试验位置KV2/J轧材上表面熔合线+2 mm-20轧材上表面熔合线+2 mm-40轧材上表面熔合线+5mm-20轧材上表面熔合线+5mm-40轧材下表面熔合线+2 mm-20轧材下表面熔合线+2 mm-40表3 3 0 mm厚度焊缝中心轧材表面冲击性能试验位置KV2/J轧材上表面熔合线+2 mm-20轧材上表面熔合线+2 mm-40轧材上表面熔合线+5mm-20轧材上表面熔合线+5mm-40轧材下表面熔合线+2 mm-20轧材下表面熔合线+2 mm-40从表2、表3 中可以看出，在-40 温度条件下，轧材上表面熔合区和焊缝熔合线+2 mm处冲击功为2 0 7 J，熔合线+5mm处冲击功2 0 8 J，熔冲击温度/冲击温度/234207265208252188234207265208252188第4期合区和焊缝熔合区冲击功已达到DH36船板钢冲击功18 0 J的要求。轧材下表面熔合区和焊缝熔合线+2 mm处冲击功为18 8 J，熔合线+5mm处冲击吸收功为2 52 J，熔合区和焊缝熔合区冲击功已达到DH36船板钢冲击功16 0 J的要求。针对表2、表3 同一轧板不同位置的冲击功进行比较，上表面焊接线能量为50 kJ/cm以及下表面焊接线能量为10 0 kJ/cm的焊接接头，其焊缝中心与熔合区的冲击功数值无差异。数据表明30mm厚度轧材冲击性能良好，满足国标相关要求。3.2.2冲击断口宏观形貌焊接试样上表面距熔合线+2 mm处-2 0 冲击断口宏观形貌见图3。从宏观形貌上看，冲击断口表面有明显起伏，脆性解理断裂所占的比例较大。焊缝中心处冲击断口凹凸不平,可看出剪切唇区域呈明显暗灰色，无明显的金属光泽，塑性变形量较大,为韧性断裂。断口中均含有韧窝等塑性断裂特征和河流花样等脆性断裂特征，但在所占比例上有一定的区别。在通常情况的大线能量焊接过程中，熔合区附近温度将瞬间上升到1350以上，母材会发生固态相变，晶粒急剧长大,在冷却过程中,粗晶奥氏体将转变成粗大的先共析铁素体和粒状贝氏体等过热组织，将导致该区域的韧性下降。与此同时，焊接熔池中的金属发生液固相变,形成铸态组织。因此，焊缝区域的组织相对复杂，容易发生断裂。在凝固过程中,温度在7 0 0 90 0 之间且未达到共析温度时,碳含量低于共析碳含量的奥氏体经缓慢冷却所形成的铁素体被称为先共析铁素体。从当前的试验结果可以得出：焊缝冲击断裂以沿晶断裂为主，但焊缝中心和熔合线处均出现了穿晶断裂，这是因为先5 235700600-500-4000JFe300-Mg200Si100C05 m(a)能谱图图5焊缝冲击断口能谱分析郭文斌，等：大线能量焊接系列船体钢开发实践用，易出现沿晶断裂。图3 3 0 mm厚轧材焊接HAZ冲击断口宏观形貌3.2.3冲击断口显微组织形貌在扫描电镜下观察冲击断口的显微形貌，如图4、图5所示。由图中可以看出，冲击断口呈蜂窝状,韧窝的形核位置较少，韧窝尺寸较大、较深，材料韧性好。焊缝中心冲击断口中的第二相粒子以 SiA lM n -T i-O 系夹杂物为主。在通常情况下，采用埋弧焊接工艺焊接时，氧化物以SiO,为主。然而,从图中氧化物成分含量来看,该位置断口处夹杂物以Al,O，为主。因此,试样中存在脱氧产生的氧化物,是降低焊缝低温冲击韧性的主要原因。图43 0 mm厚度轧材焊接HAZ显微组织形貌65535AI1215共析铁素体边界存在一定的碳化物，易造成穿晶断裂,相互交错的针状铁素体对裂纹产生阻碍作TiS3(b)成分分析50MmFeMnFe45能量/keV6-789164结论（1)从宏观形貌上看,DH36大线能量焊接船体钢冲击断口表面有明显起伏，脆性解理断裂所占比例较大，焊缝中心处冲击断口处为韧性断裂。(2)冲击断口韧窝的形核位置较少，且尺寸较大、较深，材料韧性能够达到材料的要求。（3)特殊工艺焊缝中心冲击断口中第二相粒子以 Si-Al-Mn-Ti-O 系夹杂物为主。该位置断口处以Al,O，为主，主要由钢种的脱氧方式决定。夹杂物的不规则分布是降低焊缝低温冲击韧性的主要原因。（4)采用华北理工大学高品质钢连铸实验室的氧化物冶金技术，经过试验钢冶炼、轧制、焊接试验以及工艺调整优化,3 0 mm厚度的轧材采用80kJ/cm线能量焊接,HAZ低温冲击性能良好。参考文献1芦晓辉，高珊，张才毅.我国船舶与海工用特种钢材的发展J.金属加工（热加工），2 0 15，（6）：8-11.2 SHAO Y,LIU C,YAN Z,et al.Formation mechanism and controlmethods of acicular ferrite in HSLA steels:A review J.Journal+(上接第6 页)宽厚板of Materials Science&Technology,2018,34(5):737-744.3许荣昌.船板钢的发展与生产技术 J.莱钢科技,2 0 0 7,4(2)：5-9.4杨浩.3 55MPa级船板钢的组织性能研究 D.沈阳：东北大学,2 0 11.5王超.氧化物治金型大线能量焊接用钢组织性能调控与生产工艺研究 D.沈阳：东北大学,2 0 17.6VERVYNCKT S,VERBEKEN K,LOPEZ B,et al.Modern HSLAsteels and role of non-recrystallisation temperature J.Interna-tional Materials Reviews,2012,57(4):187-207.71N.T,G.M,T.F.Chemistry and three-dimensional morphology ofmartensite-austenite constituent in the bainite structure of low-carbon low-alloy steelsJ.Acta Materialia,2017,145(1):154-164.8孙宪进，张明，王小双，等.易焊接性E690海工钢热处理工艺与性能关系的研究J.热加工工艺，2 0 16,2 5（2 0）：2 44-246.9柴锋.低合金高强度船体钢焊接热影响区韧化机理研究D.上海：上海交通大学,2 0 0 8.郭文斌，男，2 0 0 6 年毕业于内蒙古科技大学冶金工程专业，工程师。收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 3+第2 9卷100m(a)钢板头部1/4厚度处(10 0)(b)钢板头部1/4厚度处(50 0)图2 钢板不同位置金相组织形貌4结论领域知名度和扩大其影响力有重要意义。(1)通过合理的成分设计，采用电渣重熔及参考文献差温轧制工艺，利用大轧制力轧机进行差温大压1张希良，黄晓丹,张达,等.碳中和目标下的能源经济转型路下量轧制，试制的3 0 0 mm厚钢板内部质量良好。径与政策研究 J.管理世界,2 0 2 2,3 8（1）：3 5-6 6.(2)钢板通过淬火+回火处理，常温拉伸及2李云良，张汉谦，彭碧草，等.核电压力容器用钢的发展及研究现状 J.压力容器,2 0 10,2 7(5)：3 6-43.350高温拉伸性能优异，-2 0 冲击功在18 0 J3冯春雨.浅谈合金元素在钢中的作用 J.冶金标准化与质量，以上,RTNDT-20;金相组织以贝氏体为主，1996(8):20-23.含有少量的铁素体，不同厚度位置组织均匀，各项性能指标满足技术要求。（3)3 0 0 m m 厚度Mn-Ni-Mo调质型钢板的开发及供货，标志着舞钢大厚度调质钢成功进入核电站用钢市场，对提高其在核电大型装备制造20Mml100um(c)钢板尾部1/4厚度处(10 0)吴涛，男，2 0 0 7 年毕业于武汉理工大学材料科学与工程专业，硕士，高级工程师。收稿日期:2 0 2 3 -0 5-1020m(d)钢板尾部1/4厚度处(50 0）