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提升厚鋼板焊接性能的技術

發布時間:2016-09-19   點擊量:867

焊接设备 在焊接结构钢的使用中,焊接性是重要的特性之一。近年随着结构物的大型化,高强度且厚壁材的使用量一直在增加。因此,伴随高焊接施工效率的大线能量焊接的使用,也强烈要求确保焊缝特性和高性能化,以提高国际竞争力。特别是近几年,在造船领域集装箱船超过8000TEU那样的大型化和建筑领域大厦的高层化,促使原料钢材向高强度化和厚壁化发展,对其韧性的要求也更加严格。
  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氧化物爲核心,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(或稱釘紮、阻塞)作用和利用F生成能力的組織細化技術。  焊接設備
  2  N化物系夹杂物的利用技术
  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。其後對TiN加入量和粒子尺寸的討論很活躍,並查明了以下事實: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爲TiN平均粒子直徑,f爲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爲基礎,在鋼中先加入可溶Al,在焊接熱循環的冷卻過程中將遊離N固定爲AlN,並利用位錯的粘結作用,減少劣化韌性的遊離N的技術。因對焊接熱循環過程中的遊離N和全N量的定量測定,確認AlN在600~850℃範圍析出。
 焊接設備 因VN與AlN同樣熔點低,故不能作爲對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型鋼的生産中,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爲核心促進了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。但獲得廣泛利用的大線能量焊接HAZ組織控制技術基本上是以TiN作爲基礎技術。至于AlN,則是從F生成能力的角度,利用遊離N的固定以及與TiN等的複合使用來實現基體組織的高韌性化。
  3 S化物系夹杂物的利用技术
  作爲S化物系夾雜物,多以REM的(O,S)化物和S化物爲研究對象。原來,因鋼板生産工藝是模鑄-開坯-軋板,鋼錠凝固速度慢,在生産加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。爲此,進行了Ca和Ce(鈰)元素複合添加效果的研究,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,並抑制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。

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