CN108060348B

CN108060348B - 一种多丝埋弧焊用钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN108060348B
Application number: CN201711173824.9A
Authority: CN
Inventors: 王青峰; 王同良; 魏旭; 洪君; 白福臣
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN108060348A

Abstract

本发明公开了一种多丝埋弧焊用钢及其制造方法，所述钢的化学成分以质量计的百分比含量是：C：0.02～0.12％，Si：0.05～0.30％，Mn：0.70～1.80％，P：≤0.012％，S：0.001～0.010％，Al：0.015～0.050％，Nb：0.010～0.060％，Ti：0.005～0.020％，B：0.0005～0.0020％，N：≤0.0050％，Ca：0.0005～0.0020％，RE：≤0.050％，其余为铁和不可避免的杂质；并且满足0.60≤C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B≤1.10，Mn/(S/Ca)≤5.0，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。其制造方法采用TMCP工艺，并可以对钢板进行500～650℃的回火处理。本发明解决较大工作线能量(50～200kJ/cm)下，母材热影响区冲击韧性下降问题，成倍提高焊接效率。

Description

一种多丝埋弧焊用钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种超低碳微合金高强钢宽厚板及其制造方法，具体地说是一种多丝埋弧焊用钢板及其制造方法。

背景技术

随着现代桥梁、建筑、船舶、管线、容器等钢结构向大型化、高参数、安全性、耐久性方向发展，高效焊接技术重要性愈显突出。在多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、气电立焊和电渣焊等几种常见的高效焊接方法中，多丝埋弧焊的使用较多，其中又以双丝埋弧焊的应用较为普遍。桥梁、建筑、船舶、管线、容器等行业传统焊接方法如单丝埋弧焊和气体保护焊长期占绝对主导，该焊接方法焊接效率低下，结构生产周期较长。与单电单丝或单电双细丝埋弧焊(热输入为25～50kJ/cm，熔敷效率为8～15kg/h)相比，一般双电双丝埋弧焊的特点是连续输入高(50～200kJ/cm，熔敷效率为50kg/h以上)、热能和焊材消耗少而具有高效节能的优势，可适应于中厚截面构件的对接焊缝、棱角焊缝和平角焊缝，特别是焊接厚截面长构件(板厚≥30mm)的优势更大。普通桥梁、建筑、船舶、管线、容器等钢及其他钢种的焊接线能量超过50kJ/cm时，焊接热影响区韧性急剧下降，不能满足大热输入高效焊接的制造要求。本发明钢板在50～200kJ/cm的热输入条件下，焊接热影响区冲击功在-40℃条件下均大于等于100J。

本发明之前，大线能量焊接用钢申请专利的技术思路主要有两种：

其一，采用氧化物冶金技术，通过严格控制钢水中氧含量50～120ppm，并且按照特定的氧含量条件下添加特定的脱氧剂Mg、Ti、Zr、RE等，生产细小弥散的氧化物，通过钉扎奥氏体晶界抑制粗晶区原始奥氏体晶粒长大；同时，在随后的冷却过程中并为针状铁素体形核提供异质形核核心。该技术生产的钢板可以耐200～400kJ/cm以上的大线能量焊接，适用于气电立焊等单道次成型的大热输入焊接。但使用该技术生产炼钢工艺复杂，需要严格控制钢水氧含量以及脱氧剂加入时机，且工业生产极不稳定，很难实现稳定量产，目前国内没有任何一家钢厂采用该技术进行批量生产。

典型代表专利如表1所示。

其二，采用V-Ti-N技术，在Ti含量一定的情况下，通过增加N含量使焊接过程中TiN的固溶温度从1300℃提高到接近液相线温度，从而依靠TiN的钉扎作用抑制原始奥氏体晶粒的长大，在冷却过程中，V(CN)在TiN上析出，为晶内针状铁素体形核提供异质形核核心。该技术生产的钢板可以耐50～400kJ/cm的大线能量焊接，适用于多丝埋弧焊、气电立焊等大热输入焊接。但是使用该技术生产钢板N含量很高，一般为60～140ppm，母材的时效冲击功很低，同时焊接热影响区经历一次高温热循环，部分N的化合物溶解，自由N固溶在热影响区基体中，进一步恶化时效冲击性能。一般专利为了避开此缺陷，时效冲击未在实施例中列出。使用该技术生产钢板冶炼难度稍低于氧化物冶金技术，但是因为N的时效问题，国内没有任何工程采用该技术生产的钢板，该技术仅限于实验室科学研究。

典型代表专利由表2所示

发明内容

鉴于以上现有技术的不足，综合考虑到低碳微合金高强钢厚板的高强韧性、高效焊接性与国内现有装备水平匹配，本发明的目的是提供一种多丝埋弧焊用钢及其制造方法，该方法以适应高效多丝埋弧焊工艺为目的，得到的钢板力学性能优异，可操作性强，成本低，生产效率高的钢板。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明不采用氧化物冶金技术，在不增N的条件下，通过合理的成分设计，在传统的低碳微Ti处理的微合金钢中控制S、Ca、B、RE等的含量，控制0.6≤C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B≤1.10，且Mn/(S/Ca)≤5.0，采用TMCP或TMCP+回火工艺，即可生产出多丝埋弧焊用钢。

为解决上述存在的技术问题实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多丝埋弧焊用钢，其化学成分以质量计的百分比含量是：C：0.02～0.12％，Si：0.05～0.30％，Mn：0.70～1.80％，P：≤0.012％，S：0.001～0.010％，Al：0.015～0.050％，Nb：0.010～0.060％，Ti：0.005～0.020％，B：0.0005～0.0020％，N：≤0.0050％，Ca：0.0005～0.0020％，RE：≤0.050％，其余为铁和不可避免的杂质；并且满足0.60≤C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B≤1.10，Mn/(S/Ca)≤5.0，

其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

所述RE为Ce或La。

进一步，所述多丝埋弧焊用钢的化学成分还含有Mo≤0.50％、Ni：1.00％以下、Cu：1.00％以下中的一种或两种以上。

所述一种多丝埋弧焊用钢的制造方法，其内容包括如下步骤：

准备钢的坯料成分，其化学成分以质量计的百分比含量是：C：0.02～0.12％，Si：0.05～0.30％，Mn：0.70～1.80％，P：≤0.012％，S：0.001～0.010％，Al：0.015～0.050％，Nb：0.010～0.060％，Ti：0.005～0.020％，B：0.0005～0.0020％，N：≤0.0050％，Ca：0.0005～0.0020％，RE：≤0.050％，其余为铁和不可避免的杂质；并且满足0.60≤C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B≤1.10，Mn/(S/Ca)≤5.0，

其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；

采用控轧控冷工艺参数：粗轧阶段：控制粗轧的终轧温度大于等于1000℃，且末两道次的道次压下率大于等于10％，保证粗轧阶段奥氏体充分再结晶；

精轧阶段：控制精轧终轧温度在790～870℃之间，且精轧进行累积压下率为30％以上的轧制，保证原始奥氏体充分压扁，并累积足量的形变位错，在诱导Nb等合金元素析出的同时为后一步铁素体相变提供大量的形核质点；

控冷阶段：开冷温度控制在760～810℃之间，精轧之后弛豫一定时间，使精轧阶段累积的位错发生部分回复，形成位错胞结构以进一步细化压扁的奥氏体晶粒；之后以5℃/s以上的平均冷速从开冷温度冷却至600～250℃，通过控制返红温度进一步调整钢板力学性能；为消除应力和调整力学性能，钢板可以进行450～650℃、保温时间为板厚+(10～50)min的回火处理。

更进一步，在所述一种多丝埋弧焊用钢的制造方法中，在钢的化学成分中还含有Mo≤0.50％、Ni：1.00％以下、Cu：1.00％以下中的一种或两种以上。

采用本发明的制造方法在真空炉中将坯料炼制浇铸成锭，通过TMCP工艺轧制成20～150mm厚钢板，可适应多丝埋弧焊工艺焊接。所述多丝埋弧焊为多电源串联多丝埋弧焊，单电源并联多丝埋弧焊，多电源串并联多丝埋弧焊等类型。

C、Mn、Ti、B、Ca、S、RE通过控制固态相变控制热影响区冲击韧性，为提高50～200kJ/cm热输入条件下焊接热影响区的冲击韧性，限制0.60≤C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B≤1.10，同时MnS是针状铁素体形核的有效形核质点之一，能够有效控制粗晶区针状铁素体的固态相变反应，因此将Mn、S、Ca的比例限制为Mn/(S/Ca)≤5.0，其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。该条件通过限制C、Mn对Ceq的贡献，降低由C、Mn引起的热影响区冲击的恶化。通过微Ti处理可以固定钢板中的自由N，形成TiN钉扎奥氏体晶界，一定程度上抑制奥氏体晶粒长大，同时防止自由N恶化时效冲击性能。B可以偏聚在原始奥氏体晶界上，提高钢板淬透性，在50～200kJ/cm的热输入条件下抑制晶界铁素体的长大；同时在该热输入范围内，BN的析出可以成为针状铁素体形核核心，促进铁素体的晶内形核。RE元素中Ce或La的添加，一方面可以洁净钢水，另一方面可以对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物夹杂，增加针状铁素体的异质形核质点。

Si含量降低可以降低焊接热影响区脆性相M-A的比例，提高热影响区低温冲击韧性，但是，Si含量降低会使炼钢时钢水流动性变差，容易堵水口造成生成事故，同时过低的Si导致焊缝金属流动性降低，高效焊接时成型困难，不能与多丝埋弧焊高效焊接工艺相匹配。

在该发明的基础上，可以添加合金元素Ni、Mo、Cu中的一种或2种以上调整钢板力学性能。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种多丝埋弧焊用钢及其制造方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明采用低C-微Ti-适量S、Ca、B、RE等成分体系设计，生产的20～150mm厚钢板可用于多丝埋弧焊工艺焊接，解决较大工作线能量(50～200kJ/cm)下，母材热影响区冲击韧性下降问题，成倍提高焊接效率。

与目前大线能量解决方案之一的氧化物冶金工艺相比，本发明通过控制热影响区固态相变产物，生成晶界铁素体+针状铁素体+晶内铁素体+板条贝氏体+粒状贝氏体的混合组织，控制热影响区铁素体有效晶粒尺寸，提高低温韧性；而氧化物冶金思路是控制液相反应，通过严格控制钢水中氧含量，适时加入Ti、Mg、Zr等元素，生成弥散细小的氧化物存在于钢的基体中，为大线能量焊接时针状铁素体提供形核核心，但液相反应控制难度大，目前仅有日本新日铁、JFE等钢厂可以稳定供货，国内虽有钢厂研究，但尚无供货记录。本发明不涉及控制液相反应，炼钢工艺简单，国内大部分钢厂炼钢设备均可实现，工业生产易于实现。

与目前大线能量解决方案之二的含V增N工艺相比，本发明N含量控制在0.0050％以下，远低于该解决方案的0.0060～0.0200％的N含量，N含量增加可以提高铁素体形核率，提高热影响区冲击韧性，但是N含量增加带来不可避免的缺陷是时效敏感指数增加，钢板和焊接接头的时效冲击功下降严重。

附图说明

图1为本发明实施例6钢板在模拟焊接热输入为150kJ/cm时，模拟粗晶区金相组织，图中为晶界铁素体(GBF)+针状铁素体(AF)+晶内铁素体(IGF)+板条贝氏体(LB)+粒状贝氏体(GB)的混合组织；

图2为本发明实施例6钢板在模拟焊接热输入为150kJ/cm时，模拟粗晶区EBSD组织，其中取向差≥15°定义的大角度晶界有效晶粒尺寸为18μm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不局限于下述实施例。

本发明在50kg的真空炉中炼制7炉试验钢，成分如表3所示，浇铸成锭，采用本发明所示TMCP工艺轧制成25mm厚钢板，具体轧制工艺如表4所示，其中实施例7钢板采用550℃保温45min的回火处理。试制钢板力学性能如表5所示。力学性能满足Q235～Q550各个强度级别钢板要求，-40℃冲击功均在250J以上，-40℃时效冲击功也均在250J以上，时效后韧性下降不大，时效敏感系数C均在4％以下。

将轧制后25mm钢板制成10.5*10.5*85mm的Gleeble热模拟试验样，以100℃/s的加热速度加热到1380℃，停留1～3s后，在分别以95s、152s、249s、378s的t₈/5冷却时间，模拟多丝埋弧焊50、100、150、200kJ/cm的热输入。随后将模拟样加工成10*10*55mm的标准冲击式样，在300kJ的冲击试验机上进行-40℃冲击性能检验。本发明实施例钢板在不同模拟热输入条件下，-40℃冲击功如表6所示。各实施例模拟不同热输入条件下-40℃冲击功均＞100J，低温韧性良好。

表3多丝埋弧焊用钢化学成分配比(质量百分比)

.注：*HW＝C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B

表4多丝埋弧焊用钢板轧制工艺

表5多丝埋弧焊用钢板力学性能

表6多丝埋弧焊用钢板模拟不同线能量粗晶区冲击性能

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims

1.一种多丝埋弧焊用钢，其特征在于：该钢的化学成分以质量计的百分比含量是：C：0.03％，Si：0.27％，Mn：1.55％，P：0.007％，S：0.003％，Mo：0.4％，Al：0.025％，Nb：0.010％，Ti：0.011％，B：0.0012％，N：0.0036％，Ca：0.0016％，RE：0.005％，Ni：0.72％，Cu：0.50％，其余为铁和不可避免的杂质；并且满足C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B为0.70，Mn/(S/Ca)＝0.83，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，公式中所述C、Mn、Ti、RE、B、S、Ca、Cr、Mo、V、Ni和Cu均为其含量的具体数值；

所述多丝埋弧焊用钢的制造方法采用控轧控冷工艺参数：控制粗轧的终轧温度≥1000℃，且末两道次的道次压下率大于等于10％，控制精轧终轧温度在790～870℃之间，且精轧进行累积压下率为30％以上的轧制，控冷阶段的开冷温度控制在760～810℃之间，之后以5℃/s以上的平均冷速从开冷温度冷却至600～250℃；为消除应力和调整力学性能，钢板可以进行450～650℃、保温时间为板厚+(10～50)min的回火处理。

2.根据权利要求1所述的一种多丝埋弧焊用钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备钢的坯料成分，其化学成分以质量计的百分比含量是：C：0.03％，Si：0.27％，Mn：1.55％，P：0.007％，S：0.003％，Mo：0.4％，Al：0.025％，Nb：0.010％，Ti：0.011％，B：0.0012％，N：0.0036％，Ca：0.0016％，RE：0.005％，Ni：0.72％，Cu：0.50％，其余为铁和不可避免的杂质；并且满足C/Ceq+Mn/10Ceq+12(Ti+RE)+80B为0.70，Mn/(S/Ca)＝0.83，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，公式中所述C、Mn、Ti、RE、B、S、Ca、Cr、Mo、V、Ni和Cu均为其含量的具体数值；

采用控轧控冷工艺参数：控制粗轧的终轧温度≥1000℃，且末两道次的道次压下率大于等于10％，控制精轧终轧温度在790～870℃之间，且精轧进行累积压下率为30％以上的轧制，控冷阶段的开冷温度控制在760～810℃之间，之后以5℃/s以上的平均冷速从开冷温度冷却至600～250℃；为消除应力和调整力学性能，钢板可以进行450～650℃、保温时间为板厚+(10～50)min的回火处理。