微合金钢焊接研究的新挑战

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焊接技术作为一种传统的加工工艺经过上百年的发展，其应用领域涉及各行各业，焊接工艺方法近百种，在机械制造、航空航天、汽车、电子等行业已成为其它连接方式无法替代的工艺技术。尤其我国尚处于工业化过程中，钢铁的产量与消耗量均据世界首位，焊接技术依然起着非常重要的作用。纵观工业发达国家，钢铁强国同是焊接强国。 热轧厚板产品主要应用于船舶制造、建筑结构、桥梁、锅炉和压力容器、输送管线、海洋平台、工程机械等重要场合，因此对产品的质量、焊接性要求亦越来越高。这种要求表现在以下几方面： （1）最大限度地满足强度、韧性的指标要求； （2）优异的服役性能，包括耐高、低温性能，抗疲劳性能，耐介质腐蚀性能等； （3）良好的焊接性能，包括广泛的焊接工艺适应性，高抗裂纹性，适用于大线能量焊接； （4）符合各项法规规定； 其中对焊接性的要求是最主要的内容之一，也是钢铁生产企业努力解决的关键技术。微合金化是钢铁产品改善和提高焊接性的核心。 冶炼和轧制技术的进步 1 纯净钢技术 微合金化离不开冶金技术的整体进步，铁水预处理、转炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等精炼技术的采用，使钢中S、P 等杂质元素的含量远低于以往的低碳钢和低合金钢。 以实绩为例，目前的纯净钢冶炼技术能够达到如下水平： [P+S+N+O+H] ≤80ppm P≤20ppm， S≤5ppm，N≤20ppm，O≤10ppm，H≤1.0ppm 随着杂质元素的大幅度降低，结晶裂纹发生率随之大大减小，不再成为人们关注和研究的重点。 由于使用时结构设计的要求，钢板的板厚方向性能不容忽视。消除连铸坯中间偏析技术的日臻完善，大大降低偏析程度，改善了厚板的Z向性能。 2 控制轧制和控制冷却 控制冷却技术的发展推动了轧制技术的进步，使控制轧制和控制冷却有效结合，结合的结果使得钢种成分更加简单，钢板综合性能进一步提高。同时随着自动化控制技术在轧钢应用中的不断成熟，有条件生产高品质、高精度的产品。微合金化技术结合控轧控冷，在受控状态下实现形变热处理，具有形变强化、析出强化和相变强化的综合作用，可获得比合金化法、正火处理及调质处理，更好的塑性、低温韧性、高的强度，更重要是由于碳当量Ceq 和裂纹敏感指数Pcm的降低，焊接性能大大提高，逐渐由可焊向易焊方向发展。 目前热轧厚钢板制造被广泛采用的控制轧制（TM）有正火轧制，控制轧制（又称CR，分为两阶段轧制和三阶段轧制）；控制冷却工艺有加速冷却（ACC）和直接淬火（DQ）；控制轧制和控制冷却工艺结合形成TMCP工艺。 日本已采用TMCP 工艺生产出屈服强度570MPa 的结构钢，用于桥梁、压力容器和管线，并确保75mm 钢板焊接无预热、无弧坑裂纹。同时用相同工艺正开发屈服强度690MPa 的结构钢。 新型微合金钢焊接的优势 采用TMCP工艺技术，国外已开发出多种高强度焊接结构钢。较为典型的钢种有： (1)新日铁研制生产的屈服强度420MPa的钢（符合API 2WGr.60），厚度40～70mm，焊后热处理Akv（-40℃）280J，且FATT 达到-90℃～-100℃、Akv150J，用于海洋平台；接着又开发了氧化物弥散分布的屈服强度500MPa 的海洋平台用钢。 (2)川崎制铁和神户制钢开发了屈服强度570MPa钢，焊接热输入可达200KJ/cm（为传统钢种的4 倍），-20℃下使用，焊接不预热，无弧坑裂纹、无硬化现象，厚度可达75mm，与SM570 相比具有明显的优势，用于桥梁建设，且无需涂装。 (3)新日铁采用氧化钛和氮化钛弥散分布技术（简称HTUFF－Super HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles）开发抗震建筑用钢490MPa、520MPa、590MPa系列，最大厚度100mm，焊接热输入可达1000KJ/cm，局部脆化减弱。 (4) 芬兰采用TMCP ＋ ACC 技术， 生产NVE360、NVE400、NVE500，用于破冰船，、NVE400、NVE500，用于破冰船，NVE500 的Ceq仅为0.40%。 从以上实例可以发现，现代轧制技术的发展带来的是钢铁企业的低成本（合金添加量少），更主要的是为钢铁生产的下游用户提供更为直接的效益。 1 低裂纹敏感性 影响钢种焊接裂纹敏感性的因素来自淬硬组织、扩散氢、拘束度，碳当量Ceq 和裂纹敏感指数Pcm 决定了淬硬倾向。而微合金化技术和控制轧制技术的运用，使钢种的成分设计简单，合金总量减少，特别是碳含量的降低（超低碳），高温和中温转变组织比例提高，加之析出相的影响，形核增加，晶粒细化。形成针状铁素体和低碳贝氏体为主的组织，因此达到高的强度与韧性。成分的简化为提高钢种的抗冷裂性提供了保证。 2 高热影响区韧性 焊接热影响区的韧性是新型微合金钢的最主要的问题，此问题是伴随着高效焊接技术而来。为提高焊接效率，埋弧自动焊、气电焊（单丝、多丝、熔嘴）、电渣焊（KES、SES）广泛应用，随焊接线能量的增加对焊接热影响区韧性的损伤越来越明显。焊接研究者和钢种设计者不得不寻找能有效阻止HAZ晶粒粗化的技术。 各国冶金工作者经过多年的研究，首先发现了氮化钛的有效作用，并付诸实施，取得了良好的效果。更为令人感兴趣的是日本的研究人员发现氧化钛比氮化钛具有更强的高温稳定性，对钉扎晶界、阻止晶粒长大更为有效（即HTUFF 技术），使钢种承受的焊接线能量大大提高。 焊接研究面临的问题 我国在TMCP等轧制技术应用方面起步较晚，目前国内轧机的生产能力和技术水平远落后于日本等国家，作为其应用必不可少的焊接技术同样缺乏研究，国外的发展历史和经验值得借鉴。结合本人所从事的工作简要叙述以下几点想法。 1 焊接材料 钢级强度和韧性的提高首先迫切需要解决的是焊接材料的配套问题，这些配套焊接材料包括焊丝（实心、药芯）、焊剂、焊条及特殊焊材，尤其是高效焊接材料。因此下列品种将成为今后的研究和发展重点。 (1)开发适合于大线能量焊接用的焊丝（尤其是药芯焊丝），满足气电立焊和电渣焊； (2)由于钢板抗裂倾向的降低，裂纹转移至焊缝金属，开发抗裂纹性良好的焊接材料是关键； (3)高强度实心气保护焊丝，要求低飞溅、高性能； (4)与高速多丝埋弧自动焊相匹配的烧结焊剂； (5)特殊服役性能要求的焊丝，分别要求耐腐蚀、耐火、抗震； (6)特殊的熔嘴电极； 更主要的是国内能形成品种相对齐全（包括实心焊丝、药芯焊丝、焊剂、焊条）、质量稳定的焊接材料生产企业。 2 焊接标准 1） 焊接材料 焊接材料标准一定程度上反映了焊接技术发展水平。我国现有的焊材标准，以实心气保护焊丝、药芯焊丝为例，有《气保焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB/T8110）、《碳钢用药芯焊丝》（GB/T 10045）和《低合金钢用药芯焊丝》（GB/T17493）；而日本对焊接材料标准的分类更适宜于用户的选用，有《碳钢及高强钢MAG焊接用实芯焊丝》（JISZ3312）、《耐候钢用CO2气体保护焊实芯焊丝》（JIS Z3315）、《钼及铬钼钢MAG焊接用实芯焊丝》（JIS Z3317）、《低温钢MAG焊接用实芯焊丝》（JIS Z3325）、《碳钢、高强钢及低温钢用气体保护焊和自保护电弧焊药芯焊丝》（JIS Z3313）《钼及铬钼钢MAG焊接用药芯焊丝》（JIS Z3318）《气电立焊用药芯焊丝》（JIS Z3319）和《耐候钢CO2焊接用药芯焊丝》（JIS Z3320），共计8个，日本是目前焊接材料标准最齐全的国家。 2） 焊接规程 目前我国焊接规程主要以行业划分，如JB/T4709 《钢制压力容器焊接规程》、GB50094《球形储罐施工及验收规范》等。而日本、德国均由WES和SEW制定只对应钢种（或钢级）的焊接规程，如 WES3001《高强钢焊接》、SEW088《可焊细晶粒结构钢的焊接规程》，德国焊接学会还推荐针对各钢级的焊接材料选择建议，这对制造业用户极为方便。 3 新工艺的推广 微合金钢的优势明显，解决了冷裂纹和热影响区脆化问题，由于大线能量焊接导致焊后冷却速度低于轧制冷却期间的冷却速度，因而在HAZ 出现软化，与传统的合金强化相比，软化成为新问题。因此合理的焊接工艺措施仍然是焊接工作者的研究内容，包括焊接线能量的控制、焊接材料强度与母材的匹配等。 随着焊接技术的进步，高效的多丝埋弧自动焊、多丝气保护焊、冷丝焊、窄间隙焊成为最为实用的焊接方式，其主要目的在于既提高效率，又能控制焊接热影响区的高温停留时间、加快冷却速度。 精度制造概念的提出，新型的焊接方式正为工业界接受，其中激光焊接技术发展最为迅速，首先大规模地应用于汽车制造业，特别是激光拼焊板（Tailor Blank Welding）的推出，使激光焊接得以推广。最近国内已开始开展激光复合电弧焊应用于厚板（主要是船用钢板）的研究，这将为微合金钢的应用提供新的途径。 微合金化技术于控制控冷技术的应用为高强度钢的发展提供了充足的条件，提高了钢材的焊接性，特别是降低了冷裂纹的敏感性，在一定程度上简化了焊接工艺，减小了焊接加工的制造成本。同时微合金化也提高了焊接热影响区的综合性能，焊接线能量得以提高，可实现高效焊接。但仍然有许多问题急待解决，尤其是高效、高性能的焊接材料。