CN102534376B - 大热输入焊接热影响区低温韧性优异的钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大热输入焊接热影响区低温韧性优异的钢板。该钢板的化学组成按重量百分比为：C 0.03～0.06％、Si 0.05～0.12％、Mn 1.30～1.60％、Nb 0.007～0.015％、Ti 0.007～0.015％、Al ≤0.01％、N 0.0035～0.0060％、P≤0.009％、S≤0.0052％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明采用低C低Si低Al高Mn-Nb系微合金成分，Ti/N：2.0～3.0。其生产方法采用先进的TMCP-AcC工艺，使钢板显微组织为尺寸≤10μm的针状铁素体，具备优异的强度和低温韧性，在焊接热输入高达200kJ/cm的条件下，焊接热影响区的-20℃夏比冲击功≥179J，适用于船舶、低温压力容器、海洋平台等。

Description

大热输入焊接热影响区低温韧性优异的钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于低合金低温用钢中厚板制造领域，特别涉及一种大热输入焊接热影响区低温韧性优异的钢板及其生产方法。

背景技术

钢板在焊接过程中，其组织和性能，尤其是焊接热影响区的组织和性能，会发生变化。通常当焊接热输入达到50～150kJ/cm时，焊接热影响区的韧性会急剧恶化，甚至低于母材的标准要求值。

目前普通的船舶、海洋平台等领域用钢可承受的焊接线能量约为30～40kJ/cm，而为充分保证焊接结构的安全(主要是防止钢板焊接热影响区的低温韧性恶化)，实际工程建造实践中应用的焊接热输入为25～30kJ/cm。按照传统的焊接方法，对于30mm厚板，焊接热输入30kJ/cm的埋弧焊需要7道次完成焊接；而热输入150～200kJ/cm的埋弧焊或者气电立焊可单道次完成焊接。可见，传统的焊接方法生产效率低，相应会造成工期长、建造成本高。

对于普通钢板来说，大线能量焊接技术会带来如下两个问题：1)焊接热影响区(HAZ)的韧性恶化；2)焊接冷裂纹敏感性加大，给现场焊接施工带来困难。

为了提高大热输入焊接条件下焊接热影响区的韧性，通常采用的方法是TiN技术和氧化物冶金技术。TiN技术的思想是通过精确控制两者的比例，从而在钢板中制御出一定尺寸和数量的TiN或粒子，利用其高温稳定较好的特点，通过抑制焊接热影响区在高温停留阶段奥氏体的长大，从而提高热影响区的韧性。但一般认为焊接热输入100kJ/cm是TiN技术路线提高钢板焊接性能的极限，因为当热输入超过100kJ/cm的水平后，焊接热影响区熔合线旁位置的温度可高达1400～1450℃，此时大部分的TiN粒子会发生溶化，因而会失去其在高温下抑制奥氏体长大的效果，从而对焊接热影响区低温冲击韧性不利。

早期的低温钢种，一般都会在基体中加入一定量的Ni以提高低温韧性，如专利特开平2-250917和特开平3-264614；但Ni的添加使钢板的成本大幅提升，生产成本增加。近年来，随着轧制技术的进步，不添加贵重合金元素Ni，如专利CN100463994C(对比例1)和CN101812639A(对比例2)利用TiN技术可把钢板的焊接热输入提高到120kJ/cm的水平，热输入虽然有所提高，但并没有达到当前生产的需求。

采用氧化物冶金技术的上述专利钢种可把钢种的焊接热输入提高到400～600KJ/cm的水平，如特开2005-298900、特开2007-327100、特开2010-77494、CN 101918607A、CN100519809C和CN 100447278C。虽然焊接性能得到了提高，但该技术钢种冶炼难度大，钢种质量和性能受脱氧前钢液中氧含量、合金添加量、添加方式、温度控制等多种因素的影响、且成分和温度控制窗口窄，稍有偏差，钢板的焊接性能会产生非常大的波动，导致产品合格率低，给该类钢种的市场应用带来了困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是在不添加贵重元素Ni/Cr/Mo，通过简单低成本的成分设计和先进的TMCP-AcC轧制工艺(省去直接淬火、缓冷等制造工序)，实现钢板的屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥510MPa，-40℃夏比冲击功≥183J，钢板的焊接热影响区在热输入200kJ/cm下-20℃夏比冲击功≥179J。在保证优异的母材性能的基础上，同时提高了大热输入焊接热影响区的低温韧性。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供的大热输入焊接热影响区低温优异的低温钢板，该钢板的化学成分按重量百分比为：C 0.03～0.06％、Si 0.05～0.15％、Mn 1.30～1.60％、Nb0.007～0.015％、Ti 0.007～0.017％、Al≤0.02％、N 0.0035～0.0060％、P≤0.009％、S≤0.0052％，以及余量的Fe和杂质元素，同时满足，Ti/N比值为2.0～3.0。

以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：

C：直接影响钢板的强度、低温韧性以及焊接性能；从降低钢板碳当量从而改善焊接性能来说，C含量越少越好；同时C含量的减少也会提高钢板的低温冲击韧性；但是C含量过低(＜0.02％)会造成钢板强度的降低；而高于0.08％母材韧性和HAZ韧性会降低。因此C含量选择在0.03～0.06％。

Si：通常在冶炼过程中起到脱氧的作用，并在成品钢板中能够提高钢板的强度，其含量常≥0.20％；但同时Si会严重损害钢板的低温韧性及焊接性能，在焊接线能量≥50kJ/cm的条件下，Si起到促进M-A组元的形成、从而损坏钢板焊接热影响区的低温韧性。在本发明钢种中，Si作为有害元素，其含量控制在0.05～0.12％的范围内。

Mn：提高钢的淬透性，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用。当C和Si的含量都较低时，常常通过高Mn含量来弥补强度的减小；Mn是奥氏体区扩大元素，在控轧控冷条件下，常常会起到降低相变点温度，细化铁素体晶粒尺寸从而改善钢板强度和低温韧性的效果；但Mn含量过高则会对钢的连铸操作带来困难，并会形成大尺寸的MnS夹杂，从而恶化中心偏析，给钢板的心部组织和性能带来危害。因此Mn含量选择在1.30～1.60％。

P：作为杂质元素会给母材的韧性和HAZ的韧性带来不利的影响，所以其含量应尽可能地少，其含量控制在≤0.009％。

S：是形成MnS从而使延性降低的元素。为保证厚板的Z向性能，其含量控制在≤0.0052％。

Al：作为杂质元素引入，首次将Al(酸溶态)的含量限制在0.01％以下(现有钢种酸溶Al含量≥0.02％)，从而减少了钢种中氧化铝夹杂物的数量，并能一定程度上增加氧化物夹杂中的含钛量，从而达到对氧化铝夹杂改性的作用，可间接促进晶内铁素体形核，提高焊接性能；此外酸溶铝的减少，也减少了晶界侧板条铁素体的产生，也利于低温韧性的提高。

N：本发明中的重要元素。为了保证连铸坯的表面质量(表面裂纹)，上限要控制在0.008％以下。同时，低的N含量也会减少HAZ中的固溶N脆化带来的韧性问题。本发明中也添加了微量的Ti，目的之一是形成TiN颗粒，能够阻滞连铸坯在加热炉加热过程中(～1200℃保温2小时)奥氏体的长大，从而达到细化铁素体晶粒尺寸，进而提高强度的目的；当N含量较高(0.006～0.011％)时，对于一定比例的Ti/N，TiN的稳定也会随之提高，其抑制奥氏体长大的效果也会更有效，但过高的N对韧性不利，因此N的优选含量为0.0035～0.0060％，且N≥Ti/3.42。

Ti：一部分作用是与N结合生成高温稳定性较高的TiN粒子，这样会抑制奥氏体的长大(温度≤1350℃)，从而改善钢板及其HAZ区的低温韧性，从而提高焊接性能，因此其含量要≥0.007％；但当含量超过0.02％时，会引起HAZ区韧性的降低，因此优选Ti的含量为0.007～0.015％，且Ti≤3.42N

Nb：是控轧控冷钢中的重要元素，它的加入能够提高变形奥氏体的再结晶温度，从而能够细化铁素体晶粒尺寸，进而提高钢板的强度；由于本发明采用的低C低Si设计，所以损失的强度要靠Nb和Mn的联合加入来弥补；此外，在较大的线能量焊接条件下(≥50kJ/cm)，Nb会促进HAZ区上贝氏体组织的转变，以及M-A岛的生成，因此不宜超过0.015％。因此其含量控制在0.007～0.015％。

本发明还提供了该大热输入焊接热影响区低温韧性优异钢板的生产方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照上述化学成分冶炼、浇铸成板坯；

(2)在加热工序中，板坯加热温度控制在1150～1200℃之间，保温时间2～2.5小时；

(3)在轧制工序中，在再结晶温度范围内，轧制总压下率≥50％，单道次压下率≥15％；在非再结晶区，总压下率≥60％，单道次压下率≥15％；

(4)在冷却工序中，轧后直接水冷，以8～15℃/s的速率冷却至450～550℃，然后空冷至室温。

本发明有益效果

(1)本发明钢板成分简单，不添加任何贵重元素Ni/Cr/Mo等，通过低C低Si低Al和Nb+Ti微合金化的成分优化设计，通过TMCP-AcC轧制工艺优化，即可生产满足性能要求的厚度规格16～40mm的E级钢板。成品钢板组织均匀细小(针状铁素体尺寸≤10μm)，从而确保母材的强度和低温冲击韧性。与现有钢种比较，本发明钢板的焊接性能更加优异，钢板的焊接热输入从现有～100kJ/cm提高到～200kJ/cm的水平；

(2)本发明钢种不添加贵重合金元素Ni，不涉及氧化物冶金，其冶炼和制造工艺简单，成本低、成材率高且钢板性能稳定；

(3)采用本发明钢种取代现有钢种，能够实现气电立焊单道次或者多丝埋弧焊单道次完成30mm厚度钢板的焊接任务，比采用传统钢板可使焊接效率提高50％以上，经济效益显著，特别适用于船舶、海洋平台等大型焊接结构领域。

附图说明

图1为本发明钢实施例1的母材显微组织图

图2为本发明钢实施例1的焊接热输入200kJ/cm下热影响区显微组织图

具体实施方式

具体实施例见表1～3，其中表1为实施例钢板的化学成分(包含比较例)，表2为实施例生产工艺(包含比较例)，表3为实施例钢板的焊接性能(包含比较例)。

Claims (1)

1.一种大热输入焊接热影响区低温韧性优异的钢板的生产方法，该钢板的化学成分按重量百分比为：C0.03～0.06％，Si0.05～0.12％，Mn1.30～1.60％，Nb0.007～0.015％，Ti0.007～0.015％，Al≤0.01％，N0.0035～0.0060％，P≤0.009％，S≤0.0052％，其余为铁及不可避免的杂质，且同时满足Ti／N为2.0～3.0，其特征在于：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸成板坯；

(2)在加热工序中，板坯加热温度控制在1150～1200℃之间，保温时间2～2.5小时；

(3)在轧制工序中，在再结晶温度范围内，轧制总压下率≥50％，单道次压下率≥15％；在非再结晶区，总压下率≥60％，单道次压下率≥15％；

(4)在冷却工序中，轧后直接水冷，以8～15℃／s的速率冷却至450～550℃，然后空冷至室温。

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