CN105714193A - 一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板，该钢板的化学成分包括：C≤0.10％、Si≤0.20％、Mn 1.20～1.80％、Ti 0.01～0.10％、Alt≤0.01％、Als 0.001～0.005％、Mg 0.0005～0.0030％、N≤0.006％、O 0.0010～0.0050％，余量为Fe和部分合金元素及不可避免的杂质。本发明通过合理控制Ti、Al、Mg、O、N元素之间的比例关系，在钢板中形成了大量尺寸为0.2～2.0μm的TiO_x?MgAl₂O₄复合氧化物粒子，将钢板可承受的焊接热输入提高到了600～1000kJ/cm，并且能够保证焊接热影响区?60℃冲击功≥100J。

Description

一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板

技术领域

本发明属于可大热输入焊接钢板生产领域，具体涉及一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板。

背景技术

目前，随着船舶、压力容器、桥梁等结构的建造向着大型化及大跨度的方向发展，对于焊接效率提出了越来越高的要求。因此，诸多高效焊接方法如双丝及多丝埋弧焊接、气电立焊、电渣焊等越来越广泛的投入到工业化应用当中。然而随着该类高效焊接方法的应用，焊接热输入由原来的15～50kJ/cm逐渐提高到70～600kJ/cm，甚至高达1000kJ/cm，传统钢板与焊接材料在该焊接热输入下所形成的焊接接头的强度及韧性都会严重恶化，不能满足使用要求。

目前针对大热输入焊接钢板所提出的解决方案，总结起来主要可分为三大类：

第一类为通过向母材钢板或焊接材料中添加Ni元素，以改善其大热输入焊接条件下焊接接头的低温韧性，该方法通常需要将Ni元素的含量添加到0.50％以上，如专利CN100430174C、CN1302144C以及CN1946862B等。该方法的缺点是需要向钢板中添加大量的贵重金属元素Ni，大幅度的增加了合金成本。

第二类为通过低碳低合金设计，降低母材钢板的C当量，并且通过控制钢中的Ti/N比例，形成TiN粒子，阻止大热输入焊接条件下粗晶区奥氏体晶粒的长大，从而达到改善焊接热影响区低温韧性的目的，如专利CN201110071409、CN201110172661、CN201410643430等，该方法的缺点是只能将焊接热输入提高到120kJ/cm左右，继续提高焊接热输入将会导致焊接热影响区高温停留时间大幅度延长，使得TiN粒子大量溶解，不能有效的控制奥氏体晶粒的长大，使得焊接粗晶区的韧性严重恶化，同时也会导致焊接热影响区的强度降低。

第三类为通过在钢板中形成特定类型和尺寸的弥散分布的氧化物粒子，以此来改善大热输入焊接条件下的焊接热影响区低温韧性，但该类方法目前有以下缺点：①在冶炼过程中将钢液中的氧含量控制在较高的水平(10～600ppm)，用Ti进行脱氧，当钢液中氧含量较高时，Ti的收得率会显著降低，这就需要加入大量的Fe-Ti合金，造成Fe-Ti合金的浪费，如专利CN100523255C；②未对Ti、Mg、Al、O、N元素之间的含量关系作出合理的约束，造成所形成的氧化物粒子数量偏少，并且能够促进晶内铁素体形核的氧化物粒子所占比例偏小，从而导致焊接热输入难以突破600kJ/cm，并且焊接热影响区的低温韧性难以达到-60℃的冲击韧性要求，如专利CN201210062515、CN201010132582、CN201110003621、JP2005-232515A、JP2005-105322A、JP2011-74447A等。

综上所述，目前仍缺乏一种针对能够承受600kJ/cm以上热输入焊接，并且能够保证焊接热影响区-60℃冲击韧性的钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板，在600～1000kJ/cm的热输入焊接条件下，保证焊接热影响区-60℃冲击功≥100J。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板，钢板的化学成分按重量百分比计包括：C≤0.10％、Si≤0.20％、Mn 1.20～1.80％、Ti 0.01～0.10％、Alt≤0.01％、Als 0.001～0.005％、Mg 0.0005～0.0030％、N≤0.006％、O0.0010～0.0050％，余量为Fe和部分合金元素以及不可避免的杂质；

且上述化学成分同时满足下式：

{[Ti]-3.42[N]}×{[O]-2/3[Mg]}≥4.467×10^-6

3≤[Ti]/{[Mg]+[Als]}≤15

1.35≤[Alt]/[Mg]≤12.7

并且，钢板中直径为0.2～2.0μm的氧化物粒子的体密度≥3.5×10⁸个/cm³，该氧化物粒子为由Ti 10～50％、Mg 3～20％、Al 5～25％、O 20～45％组成的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物。

进一步，所述的氧化物增强型可大热输入焊接钢板除所述化学组分以外，还含有Ni、Cr、Mo、Cu、Nb、V和B中的一种或一种以上，按重量百分比计分别为：Ni≤0.50％、Cr≤0.50％、Mo≤0.50％、Cu≤0.50％、Nb≤0.05％、V≤0.05％、B≤0.003％。

进一步，所述的氧化物增强型可大热输入焊接钢板在600～1000kJ/cm的热输入焊接条件下，焊接热影响区-60℃冲击功≥100J。

本发明的核心内容为控制钢板中Ti、Alt、Mg、O、N元素的含量以及比例关系，从而在钢板中形成大量尺寸为0.2～2.0μm的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物，从而改善钢板的焊接性能，Ti、Alt、Mg、O、N元素设计原则如下：

Ti：适量添加可在钢板中形成细小弥散分布的TiO_x和TiN，其中TiO_x与MgAl₂O₄结合形成的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子可有效促进焊接热影响区中针状铁素体的形成，大幅度提高钢板焊接热影响区的低温韧性，但添加量过高，会增加钢液的黏度，不利于钢水的冶炼，同时含量过高还会导致所形成的TiO_x尺寸粗大，恶化钢板的韧性，故其含量控制在0.01～0.10％之间。并且若要形成TiO_x，还必须满足{[Ti]-3.42[N]}×{[O]-2/3[Mg]}≥4.467×10^-6，{[Ti]-3.42[N]}表示钢液中除去TiN之后剩余的自由Ti元素，{[O]-2/3[Mg]}表示钢液中除去Mg形成氧化物之后剩余的自由O元素，只有该乘积关系≥4.467×10^-6时，方能形成大量TiO_x。

Al：强脱氧剂，Alt、Als分别表示钢液中的全铝和酸溶铝，在Mg合金未添加之前，钢液的自由O含量是受Als控制的，Als含量越高，钢液中的自由O含量越低，因此为了保证钢液中有适量的自由氧与Ti和Mg形成氧化物，Als的含量越低越好，其最佳范围为≤0.005％；而Alt的含量决定了Als的含量，Alt越高，相应的Als也越高，因此为了确保Als≤0.005％，Alt应控制在≤0.01％的范围内。

Mg：与Al、Ti复合添加，形成TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子，当Mg的添加量＜0.0005％时，钢板中所形成的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子将会偏少，达不到改善焊接热影响区低温韧性的效果，而添加量＞0.0030％时，Mg的收得率将会大幅度降低，并且所形成的氧化物将会以单一的MgO为主，因此Mg的含量应控制在0.0005～0.0030％之间。为了能够形成TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子，Ti、Al、Mg元素之间还需满足1.35≤[Alt]/[Mg]≤12.7、3≤[Ti]/{[Mg]+[Als]}≤15。其原因在于：当[Alt]/[Mg]＜1.35，钢液中将会形成单一的MgO，[Alt]/[Mg]＞12.7，则钢液中会形成单一的Al₂O₃，而[Ti]/{[Mg]+[Al]}＜2时，Ti与O的结合能力太弱，无法与MgAl₂O₄结合生成TiO_x-MgAl₂O₄，若[Ti]/{[Mg]+[Al]}＞15，钢液中所形成的TiO_x则会聚集，形成大量尺寸＞2μm氧化物粒子。

综上所述，若要在钢板中形成大量的TiO_x-MgAl2O4，Ti、Al、Mg元素之间需同时满足下列关系：

{[Ti]-3.42[N]}×{[Als]-2/3[Mg]}≥4.467×10^-6

3≤[Ti]/{[Mg]+[Als]}≤15

1.35≤[Alt]/[Mg]≤12.7

N：可与Ti形成TiN粒子，细化钢板的晶粒尺寸，提高钢板的强韧性，但在本发明中，N与Ti结合生成TiN粒子将会降低TiO_x的量，不利于钢板焊接热影响区低温韧性的改善，因此需要控制在≤0.0060％的范围内。

O：形成TiO_x-MgAl₂O₄的必要元素，其含量过低，将会导致形成的TiO_x-MgAl₂O₄数量偏少，若含量过高，则会造成Ti、Mg合金的收得率大幅度降低以及钢中的其他合金元素的氧化，并且形成的氧化物粒子尺寸也会偏大，因此需要控制其含量为10～50ppm。

其他合金元素的设计原则：

C：作为钢材中的重要合金元素之一，直接影响母材钢板的强度、低温韧性以及焊接性。从降低C当量提高焊接性的角度来说，C含量的降低有助于焊接热影响区韧性的提高，当C含量高于0.10％时，会大幅度的破坏焊接性与低温韧性。因此，钢板中的C含量应控制在≤0.10％的范围内。

Si：有较高的固溶强化作用，并且是钢水冶炼过程中常用的脱氧剂，但是Si含量过高时，钢板焊接热影响区中形成MA组元的倾向大幅度增加，对焊接热影响区的韧性不利，因此钢板中的Si含量控制在≤0.20％的范围内。

Mn：是钢铁材料中重要的固溶强化元素，可以提高钢的淬透性，同时也是炼钢过程中常用的脱氧剂，而当Mn含量偏高时，对钢板的低温韧性不利，且较高的Mn含量会容易产生偏析，因此，Mn含量控制在1.2～1.8％之间。

S,P作为杂质元素，对钢板的低温韧性不利，应控制在合理的范围内，本发明中将S控制在≤0.007％，P控制在≤0.015％，既保证了焊接接头的力学性能，同时充分考虑了炼钢成本的降低。

同现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明通过系统设计钢板的成分，合理控制Ti、Al、Mg、O、N元素之间的比例关系，将钢板可承受的焊接热输入提高到了600kJ/cm以上，并且能够保证焊接热影响区-60℃冲击功≥100J；

2、钢板中得到了大量细小(0.2～2.0μm)、分布致密的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子，其体密度≥3.5×10⁸个/cm³，确保了钢板的焊接性能；

3、钢板含有Ni、Cr、Mo、Cu、Nb、V和B中的一种或一种以上，保证了钢板的强度。

附图说明

图1为本发明钢的典型钢板组织；

图2为本发明钢中电解出的典型TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子形貌及能谱分析结果；

图3为本发明钢中TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物粒子的Ti、Mg、Al元素含量统计分布图。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1～10#以及比较例11～15#的具体成分见表1，按照以下生产工艺生产：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照权利要求书中的成分范围以及元素比例关系进行冶炼、浇注成板坯；

(2)在加热工序中，板坯加热温度控制在1150～1250℃之间，保温时间2～3小时；

(3)在轧制工序中，累计轧制压下率≥80％；

(4)在冷却工序中，轧后直接水冷，以5～30℃/s的速率冷却至300～450℃，然后空冷至室温。

附图1为实施例钢板典型的显微组织照片，显示出母材钢板主要为细小的铁素体组织；附图2为实施例钢板中电解出的氧化物的典型形貌和能谱成分分析结果，附图3为该氧化物成分分析统计结果，该结果显示出实施例钢板中氧化物的类型和数量与本发明的要求范围相符，正是因为钢板中存在大量的该类氧化物，有效的提高了大热输入焊接条件下焊接粗晶区晶内铁素体所占的比例，从而使得钢板在600～1000kJ/cm焊接热输入条件下仍有良好的低温韧性。

表1实施例及比较例钢板成分(重量百分比，wt％)

表2实施例和比较例钢板力学性能、特征值以及焊接接头力学性能

钢板的力学性能、特征值以及与比较例的焊接性能对比见表2。由结果可知，本发明实施例中的钢板(1#～10#)，在600～1000kJ/cm的焊接热输入条件，焊接热影响区仍能保证-60℃冲击功＞100J，而对比例中的钢板(11#～15#)，在600kJ/cm的焊接热输入条件下，焊接热影响区的-60℃冲击功小于50J。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板，其特征在于：钢板的化学组分按重量百分比计包括：C≤0.10％、Si≤0.20％、Mn 1.20～1.80％、Ti 0.01～0.10％、Alt≤0.01％、Als 0.001～0.005％、Mg 0.0005～0.0030％、N≤0.006％、O0.0010～0.0050％，余量为Fe和部分合金元素以及不可避免的杂质；

且上述化学成分同时满足下式：

{[Ti]-3.42[N]}×{[O]-2/3[Mg]}≥4.467×10^-6

3≤[Ti]/{[Mg]+[Als]}≤15

1.35≤[Alt]/[Mg]≤12.7

并且，钢板中直径为0.2～2.0μm的氧化物粒子的体密度≥3.5×10⁸个/cm³，该氧化物粒子为由Ti 10～50％、Mg 3～20％、Al 5～25％、O 20～45％组成的TiO_x-MgAl₂O₄复合氧化物。

2.根据权利要求1所述的氧化物增强型可大热输入焊接钢板，其特征在于：除所述化学组分以外，还含有Ni、Cr、Mo、Cu、Nb、V和B中的一种或一种以上，按重量百分比计分别为：Ni≤0.50％、Cr≤0.50％、Mo≤0.50％、Cu≤0.50％、Nb≤0.05％、V≤0.05％、B≤0.003％。

3.根据权利要求1或2所述的氧化物增强型可大热输入焊接钢板，其特征在于：所述钢板在600～1000kJ/cm的热输入焊接条件，焊接热影响区-60℃冲击功≥100J。