CN112281065B - 一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其制造方法 - Google Patents

一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其制造方法。所述钢的各组分质量分数为：C：0.03％～0.05％，Si：0.40％～0.70％，Mn：1.10％～2.30％，P：≤0.05％，S：≤0.02％，Mo：0.40％～0.90％，Ni：2.20％～3.40％，Ti：0.08％～0.17％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过合理的成分设计及工艺控制，母材中形成了O类型的夹杂物并成为板条贝氏体组织形核的起点，以夹杂物为核向外呈发散状态生长，并且彼此间交叉排列形成多位向贝氏体组织，可有效阻碍裂纹的扩展，使得母材具有较高的力学性能。经过大热输入焊接后，HAZ中奥氏体晶粒尺寸略有增加，并且仍为多位向贝氏体组织，使得HAZ具有较高的低温冲击韧性，提升焊接效率。

Description

一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其 制造方法
技术领域
本发明属于高强钢焊接技术领域，具体涉及一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其制造方法。
背景技术
近年来在造船、石油储罐、海洋平台等领域，随着加工构件的大型化和高强化，为了降低钢材的使用量，常常采用780 MPa级高强钢作为加工材料。这些厚板高强钢通常采用焊接作为接合方式，为了提高焊接施工效率并降低生产制造成本，气电立焊、埋弧焊、电渣焊等大热输入焊接方法相继在中厚板制造领域中得到广泛应用，但是当焊接热输入量高于50kJ/cm后，焊接HAZ的热循环峰值温度升高，并且冷却速度变慢，导致焊接HAZ组织粗大，形成MA组元等硬质相，最终恶化HAZ韧性，随着焊接热输入量的增加韧性劣化越发显著。为了保证焊接构件的使用安全性，只能采取低热输入方式进行多道次焊接，但该方法焊接效率较低，大幅度提升了生产制造成本，与低成本、高效率的生产目标相矛盾。
为解决大热输入焊接条件下HAZ韧性劣化这一难题，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，促进AF组织形核长大，实现HAZ晶粒组织细化目的。虽然该方法对提高HAZ韧性起到了一定的作用，但该方法只适用于500 MPa～600MPa强度级别钢种，并不适用于强度更高的钢种，当钢种强度提升至780 MPa级别后，母材微观组织将升级为板条贝氏体组织，在大热输入焊接条件下，奥氏体晶粒粗化严重，并且奥氏体晶内板条贝氏体组织进一步粗化，MA组元分布开始增多，引起应力集中点增多，多种因素叠加后，严重恶化780 MPa高强钢HAZ韧性。因此，研发HAZ组织细化的780 Mpa级大热输入焊接用钢成为学者努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢及其制造方法，可提高780 MPa级高强钢的焊接效率。
本发明所述780 MPa级大热输入焊接用钢，其各成分及质量分数为：C：0.03％～0.05％，Si：0 .40％～0.70％，Mn：1.10％～2.30％，P：≤0.05％，S：≤0.02％，Mo：0 .40％～0.90％，Ni：2.20％～3.40％，Ti：0.08％～0.17％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述780 MPa 级大热输入焊接用钢的制造方法，主要包括如下步骤：
（1）冶炼：按照780 MPa级大热输入焊接用钢所含成分设计，将各种原料在1600℃～1800℃进行熔炼，熔炼钢水在1600℃～1650℃进行浇注得到钢锭；
（2）轧制：将钢锭加热到1200℃-1300℃，并保温2～4h，充分奥氏体化后，进行粗轧和精轧两阶段控制轧制，得到热轧板；
（3）冷却：采用超快冷的冷却方式对热轧板进行快速冷却。
步骤（2）中，粗轧开轧温度为1000℃～1150℃，道次变形量为20～50％，得到粗轧板；精轧开轧温度为860℃～900℃，道次变形量为50～80％，得到精轧板。
步骤（3）中，冷却开始温度为780℃～800℃，冷却速度为40℃/s～50℃/s，终冷温度为300℃～320℃，最后空冷至室温，得到780MPa大热输入焊接用钢。
本发明采用TMCP技术，可对轧钢进行超快速冷却，保证钢板强度的同时，也大幅度降低了碳以及合金元素的使用，进而降低原料投入成本。因此本发明可对780 MPa级大热输入焊接用钢成分采取降碳处理，使得焊接热影响区（HAZ）内MA组元数量分布显著减少，促进应力集中点数量降低，可在一定程度上提高780 MPa高强钢HAZ韧性。
与传统的780 MPa级焊接用钢相比，本发明对780 MPa级焊接用钢采用升级版的“氧化物冶金”技术，首次在780 MPa级高强钢里实现大量添加细小弥散分布的（Ti、Si、Mn）O类型的夹杂物，该类夹杂物尺寸多在0.5μm～2μm之间，分布在8000～10000N/mm-2范围内。在大热输入焊接条件下，该类夹杂物可有效阻碍奥氏体晶界扩展，细化奥氏体晶粒。并且在焊接热循环降温的过程中，HAZ内以该类夹杂物为形核起点，板条贝氏体组织向周围发散长大，长大后的板条贝氏体晶粒彼此交叉排列，形成多位向贝氏体组织，可有效阻碍裂纹的扩展，进而提升780 MPa级大热输入焊接用钢HAZ韧性。
本发明提供的780 MPa级大热输入焊接用钢，通过合理的钢种成分以及制备工艺设计，可在轧态的母材中形成多位向贝氏体组织，母材抗拉强度达到810～880MPa，-40℃冲击功大于120J，在200～400kJ/cm大热输入焊接条件下，HAZ奥氏体晶粒尺寸略有增加，奥氏体晶内仍为多位向贝氏体组织，MA组元生成得到控制，使得-40℃HAZ冲击功稳定在80J以上。
本发明的780 MPa级大热输入焊接用钢特别适用于造船、压力容器、石油储罐等大型装备制造领域中，通过材料强度的提升可有效降低钢材使用量，并且在200～400kJ/cm的大热输入焊接条件下，大幅度提升焊接制造效率的同时，能够有效保证HAZ的力学性能，特别是低温冲击韧性，从减少材料使用以及提高焊接效率两个角度降低生产制造成本。
附图说明
图1为实施例的钢板在经过200kJ/cm焊接热循环后的HAZ微观组织图。
具体实施方式
实施例1
一种780 MPa级大热输入焊接用钢板，其各组分及质量分数为：C：0.03％，Si：0.45％，Mn：1.46％，P：0.05％，S：0.017％，Mo ：0.73％，Ni：2.80％，Ti：0.11，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述提升热影响区韧性的780 Mpa级大热输入焊接用钢的制造方法如下：
（1）冶炼：按照780 MPa级大热输入焊接用钢所含成分设计，将所需合金原料在1650℃进行熔炼，熔炼钢水，在1600℃进行浇注得到钢锭；
（2）轧制：将钢锭加热到1200℃，并保温2h，充分奥氏体化后，将钢锭进行3道次粗轧，粗轧开轧温度为1150℃，终轧温度为1100℃，单道次压下率为10％，累计压下率为30％，得到粗轧板；将粗轧板进行3道次精轧，精轧开轧温度为880℃，终轧温度为870℃，单道次压下率为20％，总累计压下率为60％，得到精轧板。
（3）冷却：采用超快速冷却的方式对精轧板进行冷却，冷却开始温度为800℃，冷却速度为40℃/s，终冷温度为310℃，最后空冷至室温，得到厚度为20mm的780MPa 级大热输入焊接用钢。
本实施例轧态母材力学性能分别为：Rel(828MPa)、Rm(713MPa)、δ(16％)， Akv(-40℃，126J)；经过200kJ/cm大热输入焊接后，HAZ-40℃的冲击功为85J，图1为经过200kJ/cm焊接热循环后的HAZ微观组织，板条贝氏体晶粒以夹杂物为核心向周围发散生长，彼此交叉排列，形成多位向贝氏体组织，阻碍裂纹扩展，可有效提高780MPa 级大热输入焊接用钢HAZ冲击韧性。
实施例2
一种780 MPa级大热输入焊接用钢板，其各组分及质量分数为：C：0.03％，Si：0.7％，Mn：1.1％，P：0.04％，S：0.015％，Mo：0.9％，Ni：2.20％，Ti：0.17，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述提升热影响区韧性的780 Mpa级大热输入焊接用钢的制造方法如下：
（1）冶炼：按照780 MPa级大热输入焊接用钢所含成分设计，将所需合金原料在1600℃进行熔炼，熔炼钢水，在1600℃进行浇注得到钢锭；
（2）轧制：将钢锭加热到1200℃，并保温4h，充分奥氏体化后，将钢锭进行3道次粗轧，粗轧开轧温度为1100℃，终轧温度为1000℃，单道次压下率为10％，累计压下率为30％，得到粗轧板；将粗轧板进行3道次精轧，精轧开轧温度为870℃，终轧温度为860℃，单道次压下率为20％，总累计压下率为60％，得到精轧板。
（3）冷却：采用超快速冷却的方式对精轧板进行冷却，冷却开始温度为780℃，冷却速度为40℃/s，终冷温度为300℃，最后空冷至室温，得到780MPa 级大热输入焊接用钢。
实施例3
一种780 MPa级大热输入焊接用钢板，其各组分及质量分数为：C：0.05％，Si：0.4％，Mn：2.3％，P：0.045％，S：0.013％，Mo：0.4％，Ni：3.40％，Ti：0.08，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述提升热影响区韧性的780 Mpa级大热输入焊接用钢的制造方法如下：
（1）冶炼：按照780 MPa级大热输入焊接用钢所含成分设计，将所需合金原料在1650℃进行熔炼，熔炼钢水，在1600℃进行浇注得到钢锭；
（2）轧制：将钢锭加热到1300℃，并保温2h，充分奥氏体化后，将钢锭进行3道次粗轧，粗轧开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃，单道次压下率为10％，累计压下率为30％，得到粗轧板；将粗轧板进行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：采用超快速冷却的方式对精轧板进行冷却，冷却开始温度为800℃，冷却速度为50℃/s，终冷温度为320℃，最后空冷至室温，得到780MPa 级大热输入焊接用钢。

Claims (3)

1.一种提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢的制造方法，特征在于：所述780 MPa级大热输入焊接用钢的各组分及质量分数为：C：0.03％～0 .05％，Si：0 .40％～0.70％，Mn：1.10％～2.30％，P：≤0.05％，S：≤0.02％，Mo ：0 .40％～0.90％，Ni：2.20％～3.40％，Ti：0.08％～0.17％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述780 MPa级大热输入焊接用钢的制造方法包括如下步骤：
（1）冶炼：按照780 MPa级大热输入焊接用钢所含成分设计，将各种原料在1600℃～1800℃进行熔炼，熔炼钢水在1600℃～1650℃进行浇注得到钢锭；
（2）轧制：将钢锭加热到1200℃-1300℃，并保温2～4h，充分奥氏体化后，进行粗轧和精轧两阶段控制轧制，得到精轧板；
粗轧开轧温度为1000℃～1150℃，道次变形量为20～50％，得到粗轧板；精轧开轧温度为860℃～900℃，道次变形量为50～80％，得到精轧板；
（3）冷却：采用超快冷的冷却方式对精轧板进行快速冷却，冷却开始温度为780℃～800℃，冷却速度为40℃/s～50℃/s，终冷温度为300℃～320℃，最后空冷至室温，得到780 MPa级大热输入焊接用钢。
2.根据权利要求1所述的提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢的制造方法，其特征在于：所述780 MPa级大热输入焊接用钢的微观组织中含有O类型夹杂物，所述O类型夹杂物是指含有Ti、Si、Mn的复合夹杂物，所述O类型夹杂物的尺寸在0.5μm～2μm之间，分布范围为8000～10000N/mm2。
3.根据权利要求1所述的提升热影响区韧性的780 MPa级大热输入焊接用钢的制造方法，其特征在于：焊接母材抗拉强度为810～880MPa，焊接母材-40℃冲击功大于120J，经过200～400kJ/cm大热输入焊接后，HAZ-40℃冲击功大于80J。
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