大線能量鋼板EH40軋制工藝和焊接性能研究

王納，張宇，麻晗，秦亞飛

大線能量鋼板EH40軋制工藝和焊接性能研究

王納，張宇，麻晗，秦亞飛

（江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司，江蘇 張家港 215625）

試制16、35和70 mm厚超大線能量焊接鋼板EH40。基于“新一代氧化物冶金技術(shù)”路線進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，通過研究連續(xù)相轉(zhuǎn)變行為制定軋制工藝，最后測試試制板的微觀組織、力學(xué)性能和焊接性能。試制板組織為鐵素體加少量珠光體，抗拉強(qiáng)度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J。焊接熱模擬結(jié)果表明，線能量為100～400 kJ/cm時(shí)，模擬CGHAZ在?40 ℃下的沖擊吸收能量≥56 J。分別采用三絲埋弧焊和氣電立焊單道次焊透35 mm厚板，線能量>300 kJ/cm，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，焊接熱影響區(qū)在?40 ℃下的沖擊吸收能量≥79 J。試制板EH40可滿足超大線能量的焊接要求。

連續(xù)冷卻相轉(zhuǎn)變；沖擊性能；EH40；焊接性能

焊接線能量或者熱輸入量，用于表征焊接過程中引入的熱量，數(shù)值越大，表明引入的熱量越大。常用的焊接方法，比如手工電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊接等，其線能量通常在10～50 kJ/cm之間。大線能量焊接，通常是指線能量在100～300 kJ/cm之間，可單道次完成厚度35 mm及以下鋼板的焊接。當(dāng)前船舶制造企業(yè)廣泛采用的FCB焊接方法，即三絲埋弧焊，可實(shí)現(xiàn)20～35 mm鋼板的單道次焊接成型，焊接線能量150～300 kJ/cm。對(duì)于35 mm厚普通鋼板，采用線能量40 kJ/cm約需焊接15道次，而采用熱輸入量為300 kJ/cm的FCB方法可單道次完成焊接，焊接效率提高數(shù)十倍[1-4]。

針對(duì)如何通過改善鋼板性能而改善焊接接頭的沖擊性能，尤其是熱影響區(qū)的沖擊性能，國內(nèi)外相繼開展了大量的研究工作，日本制鐵開發(fā)了HTUFF技術(shù)，通過在鋼中加入適當(dāng)?shù)腗g或Ca生成均勻彌散分布且熱穩(wěn)定性好的氧化物或硫化物微細(xì)粒子，抑制HAZ奧氏體晶粒的長大，實(shí)現(xiàn)良好的HAZ韌性。寶鋼開發(fā)了ETISD技術(shù)，利用強(qiáng)脫氧劑進(jìn)行鋼液脫氧，有效地控制鋼中微米級(jí)夾雜物和納米級(jí)析出物，在大線能量焊接過程中，選擇性地利用微米級(jí)夾雜物促進(jìn)IAF的形成，或者利用納米級(jí)析出物抑制奧氏體晶粒的長大。沙鋼開發(fā)了SHTT技術(shù)，組合運(yùn)用焊接熔合線旁奧氏體粗大化抑制、奧氏體晶粒內(nèi)部微細(xì)化組織控制，以及脆性斷裂組元M-A島的抑制等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)鋼板在大線能量焊接條件下，焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可滿足?20 ℃沖擊功要求。該技術(shù)可進(jìn)一步將鋼板的焊接線能量從200 kJ/cm提高到300 kJ/cm左右的水平，SHTT技術(shù)主要包括的內(nèi)容：焊接熔合線旁粗大化抑制；晶粒內(nèi)部微細(xì)化組織控制；脆性斷裂組元M?A島的抑制[5-6]。

沙鋼基于SHTT技術(shù)開發(fā)的不同規(guī)格EH40船板力學(xué)性能符合船規(guī)要求，焊接熱影響區(qū)表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫沖擊韌性。

1 試驗(yàn)方法

鋼板成分設(shè)計(jì)采用SHTT技術(shù)路線，使用180 t轉(zhuǎn)爐冶煉成320 mm厚連鑄坯，化學(xué)成分如表1，之后在寬厚板5 m軋機(jī)上進(jìn)行軋制，得到成品鋼板。試樣經(jīng)磨制、拋光、4%硝酸酒精侵蝕后用光學(xué)顯微鏡觀察鋼板組織。

軋制鋼板拉伸性能測試采用M12尺寸的試樣，在250 kN拉伸試驗(yàn)機(jī)（Instron 5585）上進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)在450 J（IMP450Jdynatup，Instron）試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。維氏硬度測試采用10 kg載荷。

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）試驗(yàn)在Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體參數(shù)為：以10 ℃/s的速度加熱到1 150 ℃并保溫2 min；以10 ℃/s的速度冷卻到900 ℃，保溫3 s后進(jìn)行壓縮，壓下量50%，變形速率為1 s?1。保溫3 s后以不同冷卻速度冷至室溫。

焊接性能通過焊接粗晶區(qū)（CGHAZ）熱模擬、FCB和EGW來評(píng)價(jià)，CGHAZ熱模擬試驗(yàn)在Gleeble 3 800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為10 mm× 10 mm×76 mm，具體參數(shù)為：試樣加熱速率為180 ℃/s，峰值溫度為1 450 ℃（保溫3 s），采用Rykalin 2D模型，焊接熱輸入包括100、150、200、300 kJ/cm。

焊接試驗(yàn)采用FCB和EGW分別對(duì)35 mm厚試制鋼板進(jìn)行單道次單面焊接，坡口見圖1，F(xiàn)CB焊材選用“US-36（焊絲）+PF-I55E（焊劑）”，EGW焊絲選用SC-EG50，無焊前預(yù)熱與焊后熱處理，焊接參數(shù)見表2。取焊道中部焊接接頭，經(jīng)過磨制、拋光和硝酸酒精侵蝕后用光學(xué)顯微鏡觀察低倍形貌及金相組織，并取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of the tested steels wt.%

圖1 試制鋼板焊接坡口形式

表2 焊接參數(shù)

Tab.2 Welding parameters

2 軋制工藝制定

圖2示出了在900 ℃變形量為50%時(shí)，不同冷卻速度對(duì)相轉(zhuǎn)變組織的影響。由圖2看出，當(dāng)冷速≤7 ℃/s時(shí)，得到鐵素體（F）和珠光體（P）；隨著冷速增加，貝氏體（B）含量增加，當(dāng)冷速≥15 ℃/s時(shí)，得到100% B。此外，隨著冷速增加，硬度值也從HV138增加到HV216。通過測量熱膨脹曲線數(shù)據(jù)及觀察組織繪制了CCT圖（圖3），冷速為1～20 ℃/s時(shí)，相轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度分別為710～609 ℃和502～640 ℃。

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定，EH40鋼抗拉強(qiáng)度≥510 MPa，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式m=3.734×HV?99.8[7]，得出硬度≥163。故當(dāng)冷速達(dá)到5 ℃/s時(shí)，可確保鋼板足夠的強(qiáng)度，為保證鋼板韌性優(yōu)良，組織需帶有一定比例F和P[8-10]，因此冷速還需滿足≤15 ℃/s。

3 軋制鋼板組織和性能

3.1 軋板試制工藝

采用以上軋制工藝路徑，進(jìn)行了16、35、70 mm 3種厚度規(guī)格的鋼板軋制，實(shí)際軋制工藝見表3，隨著成品板厚增加，待溫厚度增加，精軋溫度減小，而終冷溫度降低，板厚為70 mm時(shí)，終冷溫度為580 ℃。

圖2 試制鋼板不同冷速下的顯微組織

圖3 試制鋼板CCT曲線

3.2 軋板組織

圖4為試制鋼板的顯微組織，16 mm出現(xiàn)了過冷現(xiàn)象，因此B含量比例高，F(xiàn)和P含量比例低，35和70 mm厚鋼板組織以“F+少量P”為主，B含量較少，因/2（表示厚度）處冷速相對(duì)/4處慢[11]，故/2處組織偏大。

3.3 軋板力學(xué)性能

表4列出了軋制鋼板的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度≥381 MPa，抗拉強(qiáng)度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J，強(qiáng)度和沖擊性能均滿足GB/T 714—2008要求。16 mm厚鋼強(qiáng)度最高，沖擊值最低，這和其組織類型相對(duì)應(yīng)，但力學(xué)性能仍滿足規(guī)范要求，可見此成分軋制工藝窗口較寬。/2處強(qiáng)度比/4處略低，這是因?yàn)?2處組織粗大所導(dǎo)致，這也是控軋控冷鋼板組織的典型特征，圖5為落錘實(shí)驗(yàn)樣品的形貌，可知3種規(guī)格的鋼板在溫度為?65 ℃時(shí)出現(xiàn)斷裂，展現(xiàn)了良好的止裂性能。

表3 熱軋工藝參數(shù)

Tab.3 Hot rolling parameters

圖4 試制鋼板軋后顯微組織

表4 試制鋼板軋后力學(xué)性能

Tab.4 Mechanical properties of the trial-produced steel plates after hot rolling

圖5 落錘實(shí)驗(yàn)樣品形貌

3.4 軋板焊接性能

3.4.1 焊接熱模擬性能

圖6列出了試制鋼板的模擬焊接性能結(jié)果。結(jié)果表明，并不是熱輸入越低，沖擊吸收功越高[12-15]，熱輸入量為100～400 kJ/cm時(shí)，模擬CGHAZ的?40 ℃的沖擊吸收能量≥56 J，熱輸入為300 kJ/cm時(shí)，沖擊值達(dá)到最高。

圖6 焊接模擬后CGHAZ的沖擊性能

圖7列出了上述模擬CGHAZ的典型微觀組織。在熱輸入量為≤150 kJ/cm時(shí)，模擬CGHAZ以B為主；在熱輸入為300 kJ/cm時(shí)，晶界鐵素體（GBF）開始粗化，晶內(nèi)出現(xiàn)針狀鐵素體（AF）和多邊形鐵素體（PF）[16-18]；當(dāng)熱輸入量增加到400 kJ/cm時(shí)，GBF粗化嚴(yán)重，損害了沖擊性能。

3.4.2 焊接接頭

圖8和圖9分別為FCB和EGW焊接接頭的橫截面低倍和熱影響區(qū)組織。低倍檢驗(yàn)和探傷檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋和夾渣等缺陷，焊接接頭成形良好，CGHAZ組織主要為“GBF+PF+AF”。圖8中GBF尺寸和熱模擬300 kJ/cm的GBF尺寸相當(dāng)，與圖8相比，圖9中GBF尺寸偏小，EGW的熱輸入量（319 kJ/cm）大于FCB（303 kJ/cm），但因焊接過程中EGW有水冷銅塊的作用，導(dǎo)致高溫停留時(shí)間變短[19-21]，因此EGW的GBF尺寸偏小。

表5為焊接接頭力學(xué)性能，EGW焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于FCB接頭強(qiáng)度，兩者均斷裂在母材位置，F(xiàn)CB焊接熱影響區(qū)?40 ℃沖擊吸收能量≥79 J，EGW焊接熱影響區(qū)?40 ℃沖擊吸收能量≥109 J。

圖10給出了沖擊值為119 J的熔合線（FL）位置的沖擊斷口典型形貌，沖擊缺口覆蓋焊縫（WM）、FL和CGHAZ 3個(gè)區(qū)域，F(xiàn)L兩側(cè)的WM和CGHAZ兩個(gè)區(qū)域都呈現(xiàn)韌性斷裂特征，韌窩大小和深淺不一，揭示了良好的沖擊性能[22-26]。

圖7 不同熱輸入焊接熱模擬的CGHAZ顯微組織

圖8 FCB焊接接頭橫截面形貌和CGHAZ顯微組織

圖9 EGW焊接接頭橫截面形貌和CGHAZ顯微組織

表5 焊接接頭力學(xué)性能

Tab.5 Mechanical properties of the welded joints

圖10 FL位置沖擊斷口形貌

4 結(jié)論

1）試制了16、35、70 mm厚度的超大線能量船板鋼EH40，鋼板組織為鐵素體加少量珠光體，屈服強(qiáng)度≥381 MPa，抗拉強(qiáng)度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J，滿足GB/T 714—2008要求。

2）對(duì)試制鋼板進(jìn)行了焊接熱模擬測試，焊接線能量100～400 kJ/cm時(shí)，模擬熱影響區(qū)的?40 ℃的沖擊吸收能量≥56 J；對(duì)35 mm厚度鋼板進(jìn)行了三絲埋弧焊和氣電立焊，熱輸入>300 kJ/cm，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，熱影響區(qū)?40 ℃沖擊吸收能量≥79 J。

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Research on Rolling Process and Welding Properties of EH40 Suitable for Large Heat Input Welding

WANG Na, ZHANG Yu, MA Han, QIN Ya-fei

(Institute of Research of Iron and Steel (IRIS), Shasteel, Jiangsu Zhangjiagang 215625, China)

EH40 steel plates with a thickness of 16, 35 and 70 mm was successfully hot rolled based on new oxide metallurgy route and study of continuous transformation behavior, and thus microstructure, mechanical property and weldability of the rolled plates were examined. The plates consist of ferrite and pearlite, and show a tensile strength ≥ 525 MPa, elongation ≥22% and an impact absorbed energy at ?40 ℃≥ 247 J. The single-pass welding of 35 mm thick test plate was conducted by using FCB and EGW, which has a heat input of >300 kJ/cm. The welded joints exhibit a tensile strength of ≥ 520, and impact absorbed energy at ?40 ℃≥79 J were observed for heat affected zone. The developed steel EH40 is suitable for ultra-large heat input welding.

continuous cooling transformation; impact property; EH40; welding property

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.011

TG142.7

A

1674-6457(2022)10-0078-07

2022-07-28

王納（1985—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈秃辖鸶邚?qiáng)鋼板及配套焊接工藝及焊材開發(fā)。

張宇（1978—），男，博士，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)鋼鐵材料開發(fā)。