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我國新鋼種及其焊接性的發展


為了不斷改善合金結構鋼的焊接性,國外從60年代末國內從80年代就開始研制并生產焊接性良好的微合金控軋鋼,并開始研究下一代超細晶粒鋼。新鋼種的出現給鋼的焊接性帶來了重大的變革。

隨著焊接技術的進步,焊接結構日益向高參數、大型化方向發展,這就對焊接結構用鋼的性能提出了越來越高的要求,不僅要有良好的綜合力學性能,而且要有良好的加工工藝性能(如焊接性)。對于特殊條件下應用的鋼材,還要求具有相應的特殊性能,如耐腐蝕、耐高溫、耐低溫等。因此原來的碳素結構鋼已遠不能滿足要求,這就進一步促使合金結構鋼獲得了迅速發展及廣泛應用。焊接性的好壞是評價鋼材使用性能的主要指標之一。焊接性、焊接材料及相應的焊接工藝是焊接合金結構鋼的三個基本要素,三者密不可分。因此,如不及時有效地解決每一種合金結構鋼的焊接性及配套焊接材料和焊接工藝問題,將會直接阻礙該類鋼種的推廣應用。

1 微合金控軋鋼

過去生產的合金結構鋼,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。而對其焊接性考慮較少,這給焊接技術及焊接生產帶來了諸多不便。最近幾十年來,國外特別注重從冶金入手從根本上解決鋼的焊接性問題。近二十年來我國的冶金工作者也已經對此引起重視,并通過冶金措施采用低碳微合金化及控軋控冷等工藝措施生產出了若干種強韌性好、焊接性優良的管線鋼、橋梁鋼、壓力容器用鋼等,這為焊接用合金結構鋼的發展做出了新的貢獻。新鋼種的生產具有如下特點:

1.1 潔凈化技術

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

1.2 細晶化技術

通過細晶強化可進一步降低低合金高強鋼的碳含量,減少固溶的合金元素,從而使沖擊韌度會得到進一步提高。武鋼采用上述技術生產的管線鋼、橋梁用鋼的沖擊韌度都已達到較高的水平,其鋼種的實測夏比沖擊功-40℃下均在100J以上。

1.3 微合金控軋鋼對焊接材料的要求

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

微合金控軋鋼的強韌化需要焊縫的高強韌性匹配,這就需要焊縫金屬不僅要實現潔凈化,而且也要實現細晶化。但焊縫的細晶化不象鋼板那樣可以通過控軋控冷工藝實現,它只有通過合金化完成細化晶粒的目的。研究表明,焊縫中出現大量針狀鐵素體可以顯著提高焊縫金屬的強韌性,這是由于鐵素體針非常細小,平均尺寸約為1μm,且鐵素體針取向自由,呈大角度晶界,從而具有較強的抗裂紋擴展能力,因此,使焊縫出現足夠量的針狀鐵素體是提高焊
縫金屬強韌性的關鍵。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大,二是可促使針狀鐵素體的形成,焊縫中夾雜物質點作為針狀鐵素體的形核核心對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。另外通過優化工藝參數,控制冷卻速度也可促使針狀鐵素體的形成。

應當指出,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化作用,而且還能降低γ→α的轉變溫度,從而達到細化鐵素體晶粒的作用。適當地調節錳含量可使奧氏體轉變為針狀鐵素體,使強韌性得到進一步提高。

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、晶粒細化,因此具有較高的強韌性和良好的焊接性。由于不同的應用領域對鋼材的使用性能要求不同,因此,合金化不同,焊接性也各有差異。寶鋼和武鋼生產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用。其中管線鋼是較早進行微合金化并應用更為成功的范例,近幾十年來已在美國、日本和西德等國家得到了廣泛地應用。近年來我國也已生產出了自己的管線鋼,并已逐步替代進口并在我國管線工程中得到應用。

3 新一代鋼鐵材料及其焊接性

我國于1998年在國家重大基礎研究發展規劃中啟動了“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”的“973項目”。該研究的最終目標是將占我國鋼產量60%以上的碳素鋼、低合金鋼和合金結構鋼等“三類”鋼的強度和壽命提高一倍。如果采用新一代鋼種取代三類鋼中50%的傳統鋼材,則每年可少用1500噸鋼,其直接經濟效益達450億元,間接經濟效益則更為顯著,如可減少鋼廠建設、礦山的基建投資,減少資源損失和對生態環境的污染等。

同時,日本在1997年啟動了STX-21“超級鋼鐵材料”科學研究項目,投資1000億日元。目標是10年內開發出強度相當于現有鋼鐵材料兩倍的超級鋼,用于道路、橋梁、高層建筑等基礎設施建材的更新換代。主要研究開發80 Mpa級易焊接的鐵素體-珠光體鋼、耐延遲破壞和疲勞破壞的1500 Mpa級超高強度鋼、超臨界壓力發電設備用鐵素體耐熱鋼和海濱地區用鋼等。

韓國也于1977年開始了一個歷時十年的21世紀結構鋼項目,主要研究開發800 Mpa級結構鋼、600 Mpa級耐候鋼和1500 Mpa級的螺栓鋼。
3.1 新一代鋼鐵材料的特點

新一代鋼鐵材料的特點是超細晶粒、超潔凈度、高均勻性、性價比更加合理的新一代鋼種。其強度和壽命比原同類鋼種提高一倍。

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化,焊接時面臨的嚴重問題是焊縫的強韌化、熱影響區的晶粒長大等問題。在我國新一代鋼鐵材料項目中,主要是針對400 Mpa級和800 Mpa級超細晶粒鋼解決上述焊接性問題。并應從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進行綜合解決。

(1) 焊縫金屬的強韌化。

(2) 熱影響區的晶粒長大傾向。

4 結論

隨著我國冶金技術的提高,新鋼種的性能不斷提高,這就需要研發高質量的焊接材料與之匹配,實現焊縫的強韌化。由于新鋼種焊接性不斷改善,焊接裂紋傾向減小,焊接工藝得到簡化。對于這類鋼種的焊接技術,主要應向高效和自動化方向發展。而對于新一代超細晶粒鋼的重大發展,在不提高合金元素的條件下,強度、壽命均提高一倍,這不僅是鋼鐵材料的重大變革,而且也對焊接技術和焊接材料的發展提出了新的機遇和挑戰。

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