一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法

技术领域

本发明属于低合金高强钢焊接技术领域，具体涉及一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法，可提高焊接效率同时提升热影响区韧性。

背景技术

在造船、海洋平台、石油储罐等大型装备机械制造领域，焊接作为生产加工的重要环节越来越受到重视，随着加工构件的大型化和高强度化，为了提高焊接施工效率并降低生产制造成本。在此背景下，气电立焊、电渣焊、埋弧焊等大热输入焊接方法在中厚板相关制造领域中得到广泛应用，但是当焊接热输入量提高后，焊接接头所经历的焊接热循环峰值温度升高，导致冷却速度变慢，容易造成焊接热影响区（HAZ）的晶粒组织粗大，造成HAZ组织不均进而影响力学性能，成为限制大热输入焊接技术进一步推广应用的关键问题。

为解决大热输入焊接HAZ力学性能低下这一问题，国内外相关学者提出了“氧化物冶金”概念，通过在钢中添加大量的非金属夹杂物，可以诱导AF组织形核长大，实现HAZ晶粒组织细化、提高HAZ低温冲击韧性的目的。TiN作为“氧化物冶金”技术最早使用的夹杂物，在1300℃以下峰值温度条件下的效果明显，但是当焊接热输入量提高后，焊接熔合线的温度很容易超过1400℃，此温度将超过TiN的熔点，大部分TiN发生溶解固溶现象，失去诱导AF组织形核的作用。后来逐步采用Ti的氧化物替代TiN作为夹杂物，虽然Ti的氧化物熔点超过了1400℃，当焊接峰值温度超过1400℃以后，夹杂物可以稳定的存在，但是，Ti的氧化物在钢中微细弥散分布很困难，很容易聚集长大，形成大尺寸的夹杂物，当HAZ承受外界应力时，该类型的夹杂物很容易成为裂纹源，影响HAZ力学性能。因此，研发HAZ性能优良的大热输入焊接用钢成为学者努力的方向。

发明内容

为了解决现有大热输入焊接用钢热影响区韧性低下问题，本发明提供一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法。

该方法有别于以往研究，通过合理的成分以及制备工艺设计，可在轧态的焊接母材中直接形成AF组织，经过200～800kJ/cm大热输入焊接后，HAZ微观组织转变为等轴铁素体组织，-40℃低温冲击功并没有降低，反而略有增加，当焊接热输入量增加后，HAZ微观组织并没有粗化，-40℃低温冲击功保持稳定。

本发明的大热输入焊接用钢，以提高HAZ低温冲击韧性作为研发目标，综合考虑各种合金元素对大热输入焊接HAZ冲击韧性影响的基础上，优化合金成分设计，其化学组成质量分数为：C：0.06％～0 .12％，Si：0 .10％～0.40％，Mn：0.80％～2.30％，Al：0.03％～0.06％，P：≤0.015％，S：≤0.013％，Ti：0.05％～0.15％，B：0.002％～0.005％，余量为Fe，其中余量中的Fe内掺杂有极少量不可避免的杂质。

本发明的大热输入焊接用钢成分设计说明：

C：是较强的固溶强化元素，具有较强的淬透性，含量过低不能保证钢板自身强度，若C含量过高，形成大量M-A岛组织，焊接裂纹敏感性会增加，影响HAZ冲击韧性。

Si：是钢中重要的脱氧元素，也是夹杂物的组成元素，可促进AF组织的生成。如果Si含量过低，则不能有效发挥脱氧效果，若Si含量过高，引起固溶强化和第二相含量增多，容易形成坚硬的M-A组织使强度和硬度上升、韧性恶化。

Mn：对于大热输入焊接用钢来说可采取降C增Mn的措施提高低温冲击韧性，添加适量的Mn可增加AF的含量，并在确保强度的同时有利于提高冲击韧性。

Al：是钢中重要的脱氧元素，一方面Al与O元素的亲和力最强，在钢中通常作为一种脱氧剂加入，形成的Al2O3成为夹杂物的重要组成部分。另一方面Al能固定间隙原子中的N原子，可促进Ti化合物的形成。

P：是不可避免的作为杂质混入的元素，会使钢板强度增加，降低钢板低温冲击韧性，应控制在0.015％以下。

S：S和P同是不可避免的杂质元素，适量地含S，则会形成高熔点的CuS、CaS等硫化物，成为AF形核核心。最常见的S元素以MnS形态附着在氧化物夹杂物周围，促进焊缝金属中AF的形核与长大。S含量过高则会生成粗大MnS和 CaS系夹杂物，夹杂物自身硬度高，在断裂过程中会优先与基体剥离而成为裂纹的起点，显著增加焊接裂纹敏感性。

Ti：是大热输入焊接用钢中最常用的微合金元素，适量的Ti有助于促进夹杂物的形成，促进AF组织相变，过量的Ti容易固溶在基体内，降低HAZ韧性。

B：原子的尺寸小，固溶的B容易扩散至奥氏体晶界，降低界面能同时也降低了铁素体的相变温度，从而有助于抑制晶界铁素体产生，促进AF组织相变。并且B与N结合成BN，减少固溶N的危害，多角度促进韧性的提高。

一种大热输入焊接用钢热影响区韧性提升方法，其特征在于：其包括如下步骤：

（1）冶炼：按照大热输入焊接用钢所含成分设计，将各种原料在1600 ℃～1700 ℃进行合金熔炼，熔炼钢水，浇注得到钢锭；

（2）轧制：将钢锭加热到1200℃，并保温2～4 h，充分奥氏体化后，进行粗轧和精轧两阶段控制轧制，形成轧板；

（3）冷却：采用层流冷却的方式对轧板进行冷却。

作为一种可能的实施方式，进一步，步骤（2）中粗轧开轧温度为1150～1050 ℃，道次变形量为20～50％，得到粗轧板；多道次精轧开轧温度为880～900 ℃，道次变形量为50～80％，得到所需轧板。

作为一种可能的实施方式，进一步，步骤（3）中轧后冷却开始温度为800～820 ℃，冷却速度为，1 ℃/s～10 ℃/s，终冷温度为480～520 ℃，最后空冷至室温，得到大热输入焊接用钢。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：

本方案通过合理的成分设计、浇注、轧制、冷却工艺环节控制后，使其在母材中形成细小弥散的TiO、SiO、AlO、MnO、MnS类型的夹杂物，尺寸多在0.5μm～2μm之间，并以该类夹杂物为核心，生成大量细长状的针状铁素体(AF)组织，使得母材具有较高的力学性能。经过200～800kJ/cm大热输入焊接后，焊接影响区(HAZ)中AF组织转化为等轴铁素体组织，HAZ的-40℃低温冲击韧性并没有降低，反而略有增加，并且HAZ韧性不受焊接热输入的影响，大幅度提升焊接效率的同时HAZ还具有稳定的力学性能。

传统的大热输入焊接用钢都是采用“氧化物冶金”技术进行开发，通过在钢中添加一部分夹杂物，形成以铁素体珠光体组织为主的轧态母材，在大热输入焊接热循环降温过程中，HAZ内的夹杂物可诱导细长的AF组织相变，以此来韧化HAZ，但HAZ韧性相对于母材还会降低，特别是在500kJ/cm以上的大热输入焊接条件下，HAZ韧性很难达到标准使用要求。与传统的大热输入焊接用钢相比，本发明同样利用“氧化物冶金”技术制备大热输入焊接用钢，区别在于：采用本发明提供的成分设计和制备工艺后，钢中夹杂物的类型为（Ti、Si、Al、Mn）O、MnS复合形式存在的夹杂物，分布数量将会大幅度增加，并且母材的组织直接形成细长的AF组织，经过大热输入焊接后，这种AF组织将转变为等轴铁素体组织，冲击韧性不降反升，这是其他钢种无法实现的。

本方案特别适用于造船、海洋平台、建筑等大型装备制造中使用的20～100mm厚度焊接，在热输入为200～800 kJ/cm的范围内，大幅度提升焊接制造效率的同时，能够有效保证HAZ的低温冲击韧性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：

图1为本发明方案的大热输入焊接用钢作为母材的微观组织结构图示；

图2为本发明方案的大热输入焊接用钢作为母材后，经过800kJ/cm焊接热循环后的HAZ微观组织图示。

具体实施方式

一种大热输入焊接用钢热影响区韧性提升方法，其化学组成如下：C：0.08％，Si：0.23％，Mn：1.80％，Al：0.035％，P：≤0.015％，S：≤0.013％，Ti：0.07％，B：0.002，余量为Fe，其中余量的Fe中含有微量不可避免的杂质。

上述的大热输入焊接用钢热影响区韧性提升方法，具体步骤如下：

（1）冶炼：按照大热输入焊接用钢所含成分设计，将各种原料在1600℃进行合金熔炼，熔炼钢水，浇注得到钢锭；

（2）轧制：将钢锭加热到1200 ℃，并保温2 h，充分奥氏体化后，将钢锭进行2道次粗轧，粗轧开轧温度为1100 ℃，终轧温度为1050 ℃，单道次压下率为25％，总累计压下率为50％，得到粗轧板；将冷轧板进行3道次精轧，精轧开轧温度为900℃，终轧温度为880℃，单道次压下率为20％，总累计压下率为60％，得到精轧板。

（3）冷却：采用层流冷却的方式对轧板进行冷却，冷却开始温度为800℃，冷却速度为5 ℃/s，终冷温度为510℃，得到厚度为20 mm的大热输入焊接用钢。

本实施例轧态母材力学性能分别为：Rel(458MPa)、Rm(585MPa)、δ(24％)，, Akv(-40 ℃，169J)，图1为母材微观组织，全部为细长的AF组织；经过500kJ/cm大热输入焊接后，HAZ-40℃的冲击功为172 J，800 kJ/cm大热输入焊接后，HAZ-40℃的冲击功为179 J，图2为经过800kJ/cm焊接热循环后的HAZ微观组织，细长的AF组织全部转化为等轴铁素体组织，该组织可有效提高HAZ冲击韧性。

以上所述为本发明实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。