我國新鋼種及其焊接性的發(fā)展
- 2016-04-13 17:28:00
- 天津大學(xué) 李午申教授 原創(chuàng)
- 7445
為了不斷改善合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性，國外從60年代末國內(nèi)從80年代就開始研制并生產(chǎn)焊接性良好的微合金控軋鋼，并開始研究下一代超細(xì)晶粒鋼。新鋼種的出現(xiàn)給鋼的焊接性帶來了重大的變革。
1 微合金控軋鋼
過去生產(chǎn)的合金結(jié)構(gòu)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(shù)及焊接生產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)出了若干種強(qiáng)韌性好、焊接性優(yōu)良的管線鋼、橋梁鋼、壓力容器用鋼等，這為焊接用合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展做出了新的貢獻(xiàn)。新鋼種的生產(chǎn)具有如下特點(diǎn)：
1.1 潔凈化技術(shù)
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(yīng)的要求焊縫也必須潔凈化。
1.2 細(xì)晶化技術(shù)
通過細(xì)晶強(qiáng)化可進(jìn)一步降低低合金高強(qiáng)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(jìn)一步提高。武鋼采用上述技術(shù)生產(chǎn)的管線鋼、橋梁用鋼的沖擊韌度都已達(dá)到較高的水平，其鋼種的實(shí)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(yīng)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(qiáng)韌化需要焊縫的高強(qiáng)韌性匹配，這就需要焊縫金屬不僅要實(shí)現(xiàn)潔凈化，而且也要實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化。但焊縫的細(xì)晶化不象鋼板那樣可以通過控軋控冷工藝實(shí)現(xiàn)，它只有通過合金化完成細(xì)化晶粒的目的。研究表明，焊縫中出現(xiàn)大量針狀鐵素體可以顯著提高焊縫金屬的強(qiáng)韌性，這是由于鐵素體針非常細(xì)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(qiáng)的抗裂紋擴(kuò)展能力，因此，使焊縫出現(xiàn)足夠量的針狀鐵素體是提高焊縫金屬強(qiáng)韌性的關(guān)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(zhì)點(diǎn)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(yōu)化工藝參數(shù)，控制冷卻速度也可促使針狀鐵素體的形成。
應(yīng)當(dāng)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(qiáng)化作用，而且還能降低γ→α的轉(zhuǎn)變溫度，從而達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒的作用。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)錳含量可使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體，使強(qiáng)韌性得到進(jìn)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(xì)化，因此具有較高的強(qiáng)韌性和良好的焊接性。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿摬牡氖褂眯阅芤蟛煌?，因此，合金化不同，焊接性也各有差異。寶鋼和武鋼生產(chǎn)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(yīng)用。其中管線鋼是最早進(jìn)行微合金化并應(yīng)用最為成功的范例，近幾十年來已在美國、日本和西德等國家得到了廣泛地應(yīng)用。近年來我國也已生產(chǎn)出了自己的管線鋼，并已逐步替代進(jìn)口并在我國管線工程中得到應(yīng)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(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃中啟動了“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”的“973項(xiàng)目”。該研究的最終目標(biāo)是將占我國鋼產(chǎn)量60%以上的碳素鋼、低合金鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等“三類”鋼的強(qiáng)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(tǒng)鋼材，則每年可少用1500噸鋼，其直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)450億元，間接經(jīng)濟(jì)效益則更為顯著，如可減少鋼廠建設(shè)、礦山的基建投資，減少資源損失和對生態(tài)環(huán)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(xué)研究項(xiàng)目，投資1000億日元。目標(biāo)是10年內(nèi)開發(fā)出強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)有鋼鐵材料兩倍的超級鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建材的更新?lián)Q代。主要研究開發(fā)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(qiáng)度鋼、超臨界壓力發(fā)電設(shè)備用鐵素體耐熱鋼和海濱地區(qū)用鋼等。
韓國也于1977年開始了一個歷時十年的21世紀(jì)結(jié)構(gòu)鋼項(xiàng)目，主要研究開發(fā)800 Mpa級結(jié)構(gòu)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(diǎn)
新一代鋼鐵材料的特點(diǎn)是超細(xì)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(qiáng)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(xì)化，焊接時面臨的嚴(yán)重問題是焊縫的強(qiáng)韌化、熱影響區(qū)的晶粒長大等問題。在我國新一代鋼鐵材料項(xiàng)目中，主要是針對400 Mpa級和800 Mpa級超細(xì)晶粒鋼解決上述焊接性問題。并應(yīng)從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進(jìn)行綜合解決。
（1） 焊縫金屬的強(qiáng)韌化。
（2） 熱影響區(qū)的晶粒長大傾向。
4 結(jié)論
隨著我國冶金技術(shù)的提高，新鋼種的性能不斷提高，這就需要研發(fā)高質(zhì)量的焊接材料與之匹配，實(shí)現(xiàn)焊縫的強(qiáng)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(shù)，主要應(yīng)向高效和自動化方向發(fā)展。而對于新一代超細(xì)晶粒鋼的重大發(fā)展，在不提高合金元素的條件下，強(qiáng)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(shù)和焊接材料的發(fā)展提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
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