|
1 前言
在焊接結構鋼的使用中，焊接性是重要的特性之一。近年隨著結構物的大型化，高強度且厚壁材的使用量一直在增加。因此，伴隨高焊接施工效率的大線能量焊接的使用，也強烈要求確保焊縫特性和高性能化，以提高國際競爭力。特別是近幾年，在造船領域集裝箱船超過8000TEU那樣的大型化和建筑領域大廈的高層化，促使原料鋼材向高強度化和厚壁化發展，對其韌性的要求也更加嚴格。
因此，不僅要確保大線能量焊接金屬特性，且確保鋼板焊接熱影響區（下稱HAZ）的韌性是個大課題。因在軋制中以TMCP（又稱形變熱處理或控軋控冷）技術進行了組織細化的鋼板，在大線能量焊接時的受熱循環中，會使HAZ的晶粒粗化而顯著降低韌性。
HAZ的組織控制與鋼板組織控制不同，僅控制鋼板的化學成分是不充分的，故長期以來一直在追求如何進行與從煉鋼階段的夾雜物控制技術相結合的組織控制技術開發。
在大線能量焊接HAZ的組織控制技術中，可供利用的夾雜物有以下二類：
第一類，以Ti氧化物為核心，利用晶內F（鐵素體）的組織細化技術。
第二類，利用了氮化物、硫化物及硼化物的γ晶粒生長的鎖住（或稱釘扎、阻塞）作用和利用F生成能力的組織細化技術。
應用于大線能量焊接HAZ組織控制技術的各種夾雜物的分類見表1。
表1 各種夾雜物分類
|
分類
|
雜雜物
|
|
氮化物系
|
TiN、AlN、VN
|
|
硫化物系
|
REM(O，S)、Ca(O，S)、CaS+MnS
|
|
硼化物系
|
BN、Fe23（CB）6、Fe3(CB)
|
2 N化物系夾雜物的利用技術
用作焊接HAZ組織控制和鋼板組織細化的代表性N化物系夾雜物，有表1所示的TiN、AlN和VN。其中，用于焊接HAZ韌性改善的，從小線能量焊接到大線能量焊接的整個焊接領域，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；二是促進F生成能力。但早先研究的主要是前者，在由Ostrobvskaya進行的大線能量電渣焊接HAZ韌性的改善中，開始是向鋼中加入0.010％～0.012％的Ti、0.0026％～0.0036％的B。其后對TiN加入量和粒子尺寸的討論很活躍，并查明了以下事實：0.05μm以下尺寸的TiN量和1400℃加熱時的γ晶粒直徑相關。將TiN的體積（百）分率和尺寸定量化，γ晶粒直徑可用r/f（r為TiN平均粒子直徑，f為TiN體積分率）進行整理，即TiN量的增大或其尺寸減少都能將γ晶粒直徑（r/f）細化。
AlN的利用技術是使比一般的Al鎮靜鋼有更多量的AlN析出而謀求的細晶粒化處理，主要是用于淬火-回火鋼，但因在大線能量焊接HAZ熔合線附近長時間處于1400℃以上高溫，故基本上沒有見到AlN粒子鎖住γ晶粒長大的效果。
在大線能量焊接HAZ中的AlN利用技術，是在焊接熱循環的冷卻過程中利用AlN的析出，以將HAZ基體組織高韌化的韌性改善技術。即是以加入低N-Ti為基礎，在鋼中先加入可溶Al，在焊接熱循環的冷卻過程中將游離N固定為AlN，并利用位錯的粘結作用，減少劣化韌性的游離N的技術。因對焊接熱循環過程中的游離N和全N量的定量測定，確認AlN在600～850℃范圍析出。
因VN與AlN同樣熔點低，故不能作為對γ晶粒長大的鎖住粒子而加以利用，但從界面能的觀點來看，其F生成能力與TiN處于同等水平，故進行了各種各樣的有關晶內相變的研究。如在超厚H型鋼的生產中，向鋼中加入V和N而利用了控軋中的VN向A的應變感應析出，以析出的VN為核心促進了F生成，從而細化了鋼的組織。另外，有研究稱，VN在晶界的優先析出，更是促進了晶界F的析出。
總之，關于N化物粒子的利用技術，以上介紹了多方面的內容。但獲得廣泛利用的線能量焊接HAZ組織控制技術基本上是以TiN作為基礎技術。至于AlN，則是從F生成能力的角度，利用游離N的固定以及與TiN等的復合使用來實現基體組織的高韌性化。
3 S化物系夾雜物的利用技術
作為S化物系夾雜物，多以REM的（O，S）化物和S化物為研究對象。原來，因鋼板生產工藝是模鑄-開坯-軋板，鋼錠凝固速度慢，在生產加Ti鋼時TiN粒子難以細小分散，故有TiN無法確保大線能量焊接HAZ韌性的問題。為此，進行了Ca和Ce（鈰）元素復合添加效果的研究，有報告稱在焊接熔合線附近（即焊接金屬/HAZ的界面）韌性得到了顯著改善。其原因是Ca促進了F·P（鐵素體·珠光體）相變和Ce（稀土元素）的S化物系夾雜物球化共同作用的結果。
如上所述，利用Ca和REM的（O，S）化物和S化物可直接或間接促進F相變，并抑制γ晶粒粗大化，通過金相組織的細化而實現了大線能量焊接HAZ的高韌性化。
4 B的利用技術
較之其他合金元素，B在鋼中的擴散速度快，焊接熱循環時可在HAZ范圍產生大的移動，因而其作用復雜，控制也非常困難。
B在鋼中有以下基本作用：
一是以BN的形式成為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。
前者利用與REM（O，S）夾雜物的復合化而起到了F生成核的作用，同時作為固定了固溶N的BN，也兼備了將基體組織高韌化的功能。此固溶N的降低效果雖與AlN的生成相同，但因B的擴散速度快，故其作用更有效。而后者作為固溶B的γ晶界的偏析，促進了晶內F生成，向焊接金屬中加入Ti-B，已被有效用于促進針狀F的生成機理中。
另外，有研究報告稱B作為Fe的（C，B）化物而被利用。在TiN+MnS的析出部周圍是Fe23（CB）6和Fe3（CB）等的析出而形成了C的稀薄帶（又稱貧乏層），從而促進了F相變。這里因在Fe的（C，B）化物的析出過程中開始晶內F相變，故C的稀薄帶沒有消失。
如上所述，在實現高韌性化方面，加入的B是明顯促進晶內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，如何控制其利用技術（加入方法和加入量等），以避免出現提高淬透性而降低韌性的情況，可以說既很重要但又不簡單。
通過改變加入B量和可溶鋁量，利用再加熱循環試驗，求出了最高加熱溫度和韌性的關系：最高加熱溫度為1350℃時，在TiN能熔解的焊接熔合線附近區域由B和固溶N結合而析出BN，從而促進了F生成和固溶N的減少，都有提高韌性的效果；但在稍稍離開熔合線的（供B量易過剩）區域（溫度<1150℃），因TiN未熔解、固溶N少，B可提高淬透性，但卻促使韌性下降。因此，有研究報告稱其對策之一是減少可溶鋁的添加量，即僅在熔合線附近加B（因在無固溶N的區域加B會提高淬透性而劣化韌性）。為此，最近還開發了從焊接金屬材料向HAZ進行B擴散的實用技術。
利用B擴散的HAZ組織控制技術著眼于在大線能量焊接金屬部位為了抑制晶界F生成而加入的B，使之在焊接時向HAZ側擴散，以便在焊接金屬與鋼材焊合中控制適當B量，以B發揮固定N（生成BN）的作用，確保整個HAZ的良好韌性。
B的利用技術是多方面的，關鍵是選擇合理的方式，并對添加量進行嚴格控制，以達到興利除弊的目標。
5 結語
目前，在造船和建筑領域已廣泛使用了大線能焊接用厚板。
以合金元素加入量實現了最佳化的TiN鋼為基礎，在有效利用了B、Ca添加技術的鋼材顯微組織中，利用夾雜物的作用獲得了F主體組織。然而，除原有的夾雜物控制技術之外，今后如何確保高強度材和厚壁材，在大線能焊接部位的必要韌性，預計將是困難的。
金屬板材展-線材展-金屬加工展-2015第十六屆廣州國際金屬板材、棒材、線材及金屬加工、配套設備展—全球三大金屬展之一巨浪展覽-THE
16th GUANGZHOU INTERNATIONALPLATEMETAL,
BAR, WIRE, METAL PROCESSING & SETTING EQUIPMENT EXHIBITION
|
