2016, Vol. 7引用本文 |
| 大线能量焊接船板钢的研究现状与发展 |  [PDF全文] |
随着国民经济的快速发展，我国的造船业得到了飞速发展，2014年完工量达3900多万载重t，占世界造船量的40 %左右，消耗船板1000多万t[1]。为了满足船舶用钢自动化、高速化、大型化的发展要求，船体用钢正朝着高强度、高韧性、大厚度的方向发展。而由于船板厚度规格的增加，焊接效率成为了制约船体建造的关键问题，焊接工时约占船体建造总工时的40 %，焊接成本约占船舶制造成本的17 %[2]。大线能量焊接技术的开发和应用，显著提高了焊接施工效率，节省了船舶建造焊接成本，成为现代造船业高效制造的重要手段[3]。
1 大线能量焊接船板钢的研究现状大线能量焊接用钢是采用比一般焊接条件高得多的焊接线能量使钢材焊合，一般定义50 kJ/cm线能量为大线能量焊接。大线能量焊接能显著提高焊接效率，减少焊接施工道次，但由于焊接线能量增加，钢板焊接熔合线附近瞬间达到1623~1673 K以上的高温，致使钢板焊接热影响区(Heat Affected Zone, 简称HAZ)高温停留时间延长、相变冷却速度减慢，焊接HAZ奥氏体晶粒急剧长大，并形成大量的上贝氏体(Upper Bainite, 简称UB)和侧板条铁素体(Ferrite Side Plate, 简称FSP)组织[4]，显著恶化了焊接HAZ的韧性, 影响了船舶作业时间和作业环境。基于此，国内外研究学者相继开展了大线能量焊接船板钢的研究。
目前，国内钢铁行业在大线能量焊接储罐用钢方面做了大量的研究工作并取得了很大的成就。但是在大线能量焊接船板钢方面的研究成果很有限，这主要是因为船板钢作业环境异常恶劣，不仅要经受海水长时间的侵蚀冲刷，还要求在低温条件下经受海水的强烈的冲击，这就使得船板钢对HAZ低温韧性的要求更高。另一方面，船板钢设计以铁素体+珠光体为主，抗高温晶粒长大能力弱。而由于钢板厚度规格达到80 mm，在一次焊接成型条件下焊接线能量可达到500 kJ/cm[5]。如此高的焊接线能量必然导致焊接熔合线附近温度急剧升高，高温停留时间延长，导致HAZ奥氏体颗粒急剧长大，韧性降低。所以，HAZ的韧性降低是影响船用钢大线能量焊接性能的关键因素。
近年来，国内外专家在大线能量焊接HAZ韧性改善方面做了大量的研究工作。主要改善措施有降低碳含量和碳当量、HAZ晶粒控制技术、HAZ组织控制技术三方面，如图 1。
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| 图 1 改善低合金船板钢大线能量焊接HAZ韧性的主要措施 Fig. 1 Main measures to improve the high heat input welding HAZ toughness of low alloy ship plate steel |
1.1 降低碳含量和碳当量提高HAZ韧性
C是重要的强化元素，可以显著提高船板焊接HAZ淬硬性[5]。对于传统的控轧控冷工艺(Thermomechanical Control Process, 简称TMCP)技术，随着船板钢强度的提高和厚度的增加，必须提高碳当量(Carbon Equivalent, 简称Ceq)[6]。但是，Ceq提高必然会恶化HAZ韧性，影响钢板的焊接性能。微合金化和TMCP技术的应用为降低钢中的碳含量、Ceq及改善船板钢的焊接性奠定了基础。日本神户特钢研究工作者利用微合金化和TMCP技术对碳含量分别为0.1 %和0.03% 2种钢的微观组织变化进行观察，发现碳含量低可以大幅度的降低硬质岛状组织M-A组元[7]。钢中弱碳化物生成元素Mn、Cu、Ni和Cr的加入比强碳化物生成元素Mo、Nb的加入对组织细化的效果更好。这主要是因为强碳化物生成元素能够弱化奥氏体晶界的贝氏体生成能力，而弱碳化物生成元素则可提高奥氏体晶界的贝氏体形成能力[5]。依据此原理，可以大幅度的降低钢中Ceq来设计生产更高线能量的大线能量焊接船板钢。
通过降低船板钢中的Ceq可以显著改善HAZ韧性。但是由于Ceq降低后，钢板的强度不可避免的受到影响。因此，在降低Ceq改善HAZ韧性时，必须额外采用各种强化手段来弥补强度的损失，其中日本JFE公司研发的Super-OLAC超快冷技术弥补钢材强度损失效果最为显著。目前，JFE公司研发的390 MPa级钢板板厚已达到65 mm以上，广泛应用于大型货船[5]。
1.2 HAZ晶粒控制技术提高HAZ韧性奥氏体晶粒细化能同时提高钢材的强度和韧性[8]。候豁然，洪永昌等[9, 10]研究了降低奥氏体晶粒尺寸、增加形核点密度以细化铁素体晶粒的方法。原奥氏体晶粒越细小，HAZ晶粒也就越小，HAZ韧性也就越好[11]。在钢中加入微量的合金元素，形成细小弥散分布的高熔点颗粒。这些颗粒不仅能够以“钉轧”的形式阻碍奥氏体晶界的迁移，限制奥氏体颗粒长大，还能增加相变过程中的形核点，从而细化钢的组织。
1) TiN技术.TiN技术是最早用于控制焊接HAZ奥氏体晶粒长大，改善钢的焊接韧性[12]。Ti是强氮化物形成元素，可以与钢中的N形成大量细小弥散的TiN粒子，在大线能量焊接热循环过程中“钉轧”奥氏体颗粒边界，抑制了奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体(Acicular Ferrite, 简称AF)形核析出，从而改善了HAZ韧性。尹桂全等[13]在研究Nb对微Ti钢焊接HAZ晶粒长大行为是发现Nb可以改善Ti的细化作用。Nb在钢中与N亲和力很强，可以取代部分Ti与N形成细小弥散分布的(Ti, Nb) N颗粒，熔解温度在1623 K以上，可以钉轧、拖曳奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体晶粒度。亓效刚等[14]在随后的研究中发现经Ti-Nb微合金化处理后，钢中生成大量细小的TixNb1-x(CyN1-x)粒子，粒子中Nb的相对含量在0.25~0.82之间，形状类似于球形。这些粒子在钢中能稳定存在，在焊接过程中阻止奥氏体晶粒的长大，从而抑制UB的形成，此外，这些粒子还能够促进AF的形核析出以及岛状M-A组元的分解，改善钢材焊接粗晶热影响区(Coarse Grained Heat Affected Zone, 简称CGHAZ)的韧性。
2) Ti-B复合处理技术. B能减少焊缝中自由态的N，提高CGHAZ的韧性[15]。JFE EWEL技术[16]提出传统的TiN技术在大线能量焊接条件下焊接熔合线附近TiN颗粒被熔解，导致奥氏体晶粒粗大化。而TiN-B技术应用于大线能量焊接过程中效果较好。JFE EWEL采用优化TiN+B处理技术设计了60~65 mm的船体钢，并在400~450 kJ/cm焊接时，焊接CGHAZ的宽度由传统的2.1 mm降低至0.3 mm。这是因为TiN在高温下可以通过第二相粒子“钉轧”奥氏体晶界、抑制奥氏体晶粒长大；而高温下BN粒子稳定性差且全部固溶于钢中，但是B在钢中的扩散速率大，BN粒子在焊接冷却过程中重新析出, 如图 2。所以，复合TiN+BN技术可以促进等轴铁素体(Equiaxed Ferrite, 简称EF)晶粒在奥氏体晶内形核，细化CGHAZ，改善HAZ的韧性。
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| 图 2 焊缝中B扩散及HAZ中BN的形成 Fig. 2 Diffusion of B in the weld joint and formation of BN in the HAZ |
B与钢中稀土金属(Rare Earth Metal, 简称REM)处理配合使用改善焊接HAZ的韧性，提高大线能量焊接性能也日渐报导[15]。REM处理后，钢中形成大量细小弥散的REM (O, S)，易于BN在REM (O, S)上非均匀形核，促进了细小AF形成。见图 3
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| 图 3 夹杂物促进AF形核示意图 Fig. 3 Schematic diagram of inclusion promote AF nucleation |
3) Ti-REM技术.Ti-REM复合处理技术对大线能量焊接HAZ韧性改善具有促进作用[17-19]。Takako等[17]研究了钢中添加La、Ce、Nd稀土合金对HAZ奥氏体晶粒度的影响，研究表明钢中添加30 ppm的稀土金属能显著细化奥氏体晶粒。由于钢中添加稀土金属后能够形成大量的REM (O, S)，有助于MnS在REM (O, S)上形成，这些MnS沉淀粒子有效的抑制了焊接HAZ奥氏体颗粒长大，改善了钢材焊接性能。与普通C-Mn钢相比，Ti-REM处理钢奥氏体晶粒明显得到细化，钢中固溶的Ti含量减少，韧脆转变温度降低[18-19]。
1.3 HAZ组织控制技术提高HAZ韧性非金属夹杂物一直被认为是钢中有害杂质，是钢铁产品出现各种缺陷的主要诱因[21]。但是对于多数钢种而言，大于50 μm的大型夹杂物才会影响钢材的性能，几微米以下的夹杂物可以作为在凝固和轧制过程中硫化物、碳化物和氮化物的异质形核的核心，通过控制这些夹杂物的大小、形态、数量和分布可以显著提高钢材的性能[2]。
“氧化物冶金”技术为大线能量焊接用钢的发展开辟了新途径。1990年，新日铁公司的高村和沟口在日本名古屋召开的国际钢铁大会上首次提出“氧化物冶金”的概念[2]。大线能量焊接时，HAZ奥氏体晶粒急剧长大，出现大量的粗大晶界铁素体(Grain Boundaries Ferrite, 简称GBF)、沿着晶界向晶内生长的侧板条铁素体(Ferrite Side Plate, 简称FSP)以及硬质相M-A等，HAZ低温韧性显著下降。“氧化物冶金”技术利用钢液中形成的高熔点氧化物质点，一方面阻止焊接热循环过程中奥氏体晶粒长大，另一方面促进晶内AF的形核，如图 3，从而细化大线能量焊接HAZ的组织，大大改善HAZ的韧性。
1) Ti-O处理技术.Ti的氧化物是研究最广泛的诱导晶内铁素体(Intragranular Ferrite, 简称IGF)形核的夹杂物。从Ti的氧化物对焊接CGHAZ的特性以及微观组织的影响研究中可以看出，Ti2O3最有助于含Ti低碳钢中IGF的形核，改善CGHAZ的韧性[22-24]。Byum等[25]在研究Ti脱氧C-Mn钢中非金属夹杂物形成过程以及铁素体在奥氏体晶内形核过程中发现，当Ti含量 > 0.005 %时可以得到以IGF为主的组织。当非金属夹杂物的成分从Mn、Si氧化物转变为Ti2O3时，贝氏体组织转变为相互交错的IGF组织，Byum还测出了Ti2O3周围的贫Mn区。Shim等[26]研究发现Ti2O3周围的贫Mn区是IGF非均匀形核的主要驱动力，且随着奥氏体化的温度降低，贫Mn区宽度下降，有利于IGF在Ti2O3上形核。另外，相关研究学者[27-28]在热压扩散实验中发现Ti2O3、TiO2会转化为TiO粒子以及少量的Ti3O5，Ti氧化物脱氧促进了IGF形核，改善了CGHAZ的微观组织，提高了HAZ的韧性。
Ti-O处理技术改善钢的大线能量焊接性能的技术关键是如何在钢中得到细小而弥散的氧化物夹杂。因此，在利用Ti-O技术改善HAZ韧性时必须确保钢液凝固前期钢中溶解氧含量足够高，否则在凝固过程中析出的氧化物很少，对HAZ奥氏体晶界“钉轧”作用不明显，难以抑制奥氏体晶粒长大，改善HAZ的韧性。
2) Mg-(Ti)-O处理技术.20世纪七十年代，Abson等[29]发现微量Mg加入到含Ti-O钢中可以降低Ti氧化物聚集长大的能力，细化含Ti氧化物的尺寸，同时在钢中形成复合的Mg-Ti-O夹杂，促进晶内针状铁素体(Intragranular Acicular Ferrite, 简称IAF)形核，改善HAZ韧性。此后，以Mg脱氧钢液形成Mg-Ti-O复合夹杂物的氧化物冶金技术得到了世界各国的重视。Kojima等[30-36]认为以Ti-Mg复合脱氧控制脱氧产物的组成、大小以及数量是最为有效的方法。MgO能有效的促进低碳钢焊接HAZ针状铁素体的形核以及抑制HAZ奥氏体晶粒度。Chang和Kim等[37-38]研究Mn-Si-Ti脱氧钢液凝固过程中Mg对夹杂物以及钢材微观组织影响过程中发现钢液中添加微量的Mg能促进IAF非均匀形核。并且IAF的数量随着钢液中Mg含量的增加而增加。
日本新日铁公司为了满足大线能量焊接船板的要求，成功开发了HAZ细晶粒高韧性技术HTUFF[2]，如图 4。该技术主要的工作特点是利用在1673 K以上高温状态下还能够稳定存在的夹杂物粒子，主要是Mg、Ca的氧化物和硫化物夹杂，使这些微细夹杂物弥散分布于钢材中，抑制奥氏体晶粒长大，同时促进奥氏体IAF形核，改善HAZ的韧性。
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| 图 4 HTUFF的焊接HAZ组织控制思路 Fig. 4 Control ideas of welding HAZ tissue for HTUFF |
3) Ti-Zr-O复合处理技术.Ti和Zr在元素周期表中同族，所以Ti氧化物和Zr氧化物存在着相似的物理、化学性质。随着氧化物冶金的研究不断深入，Zr微合金化大线能量焊接的研究也日益增多[39-40]。卜勇等[40]研究表明Ti和Zr复合氧化物有助于AF形成，并且高温下ZrO2与Ti2O3在钢中的标准形成自由能相差不大，但由于Zr的比重比Ti大，相应的Zr氧化物的比重比Ti氧化物大，在钢水中上浮速度小，能够成为IAF的形核核心。Shi等[4]对含Zr低碳钢大线能量焊接CGHAZ的韧性以及微观组织进行了研究，发现Zr氧化物有助于AF形成，改善焊接CGHAZ的韧性，提高焊接HAZ的冲击性能。这主要是由于Zr氧化物晶粒周围形成Mn的贫化区，从而使铁素体的形核驱动力增加，促进了AF形核。
4) 稀土金属处理技术.国内外学者对轻稀土在钢中的应用做了大量的研究工作[41-43]，发现轻稀土在钢中具有微合金化、弥散硬化以及改善钢材组织及性能的作用。我国学者张莉芹等[41-42]对轻稀土微合金化钢大线能量焊接HAZ组织及性能做过研究工作，发现轻稀土Ce-Ca、Ce-Mg微合金化有利于提高大线能量焊接CGHAZ的强韧性，这主要是因为Ce-Ca、Ce-Mg微合金化有利于在CGHAZ形成高熔点的含Ce、Ca、Mg的氧硫化物，并且Ce、Ca、Mg的氧硫化物与奥氏体热膨胀系数差别大，导致相界面产生较高的应变能，促进CGHAZ中IAF形核。另外，在含Ce-Zr钢中，张莉芹研究发现MnS在Ce2S3和ZrO2上形核，增加了MnS的量，从而促进了IAF形核。
Hidenori等[43]通过模拟低碳钢HAZ来研究Ti-REM-Zr复杂氧化物对AF形成的影响。研究结果表明Ti-REM-Zr复杂氧化物能促进AF形成，Ti-REM-Zr复杂氧化物主要由稀土金属氧化物以及Zr氧化物组成，Zr氧化物与AF取向关系一致，因此AF与Ti-REM-Zr复杂氧化物晶格匹配较好，促进了AF的形成。
2 大线能量焊接船板钢的研究方向大线能量焊接过程中HAZ韧性降低一直制约着船舶工业的发展。TiN技术最早也是最广泛应用于控制焊接HAZ晶粒长大，作为改善钢材焊接性能的重要手段[5]。但是随着焊接线能量不断提高，TiN在1673 K温度下开始不断熔解和粗化，TiN钉轧奥氏体边界阻碍奥氏体晶粒长大的作用被大大削弱。氧化物冶金通过控制氧化物的组成使之细小、弥散化，在1673 K高温下这些氧化物粒子仍能有效的钉轧奥氏体边界，细化焊接HAZ的组织，缩小焊接部位与母材性能的差异[44-45]。但由于现如今船舶工业向大型化、高速化及自动化的快速发展，对船板钢综合性能提出更高的要求，要求船板钢在海水长时间侵蚀、冲刷以及低温条件下仍能保持其优良的综合性能。稀土元素能够满足此要求[46-47]，并且我国稀土稀土元素丰富而齐全，为稀土元素在钢中的应用提供了新的技术思路。
重稀土Y以及轻稀土La、Ce与氧、硫均具有较强的亲和力[48]，其反应产物都是REOS。但是，重稀土Y主要生成YOS复合夹杂物，其密度约为4.25[49]；而轻稀土La (Ce) OS复合夹杂物的密度约为6.0[48]。根据Stock[50]公式可知，YOS复合夹杂物在钢中的上浮速度较快，易于去除，所以经重稀土Y处理的钢液易于净化。另一方面，重稀土Y还能有效的减少钢中夹杂物含量，改善夹杂物分布形态，缩小夹杂物的尺寸，夹杂物形状得到细化和球化[51]，与轻稀土处理相比，经重稀土Y变质后夹杂物更细小，能够减轻或消除元素偏析和组织不均匀导致钢材性能的改善。
重稀土Y的原子半径小于轻稀土元素，易造成晶格畸变，因此在钢中的固溶强化作用较大，在晶界处能与低熔点有害元素交互作用，抑制有害元素在晶界的偏聚，净化和强化晶界，抑制形变奥氏体再结晶和奥氏体晶粒长大。与C、N、H元素作用，可以球化、细化碳化物，消除网状碳化物，减少氢致裂纹倾向，与Nb、V、Ti等合金元素相互作用，能够促进合金元素的沉淀相在铁素体中细化，弥散析出，增大沉淀强化效果[48]。
重稀土氧化钇还能够细化焊缝金属微观组织，改善其焊接性能。薛海涛等[51]研究了稀土添加剂氧化钇对焊缝金属微观组织、化学成分以及力学性能的影响，表明重稀土氧化钇能有效细化焊缝金属微观组织，增加AF和细晶铁素体的含量，改善夹杂物的大小、形态及分布，降低熔敷金属中扩散氢含量和硫含量，大大提高了焊缝金属的焊接性能和低温冲击性能。
由以上分析可知，重稀土Y不仅能够细化、球化钢中夹杂物，改变夹杂物的形态及分布，还能够净化、强化奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒度，改变焊缝金属的微观组织，提高金属的焊接性能以及低温冲击韧性。因此可以推断，重稀土Y应用于大线能量焊接船板钢中也能够细化CGHAZ的组织，改善船板钢大线能量焊接性能及低温冲击等综合性能。
3 结语船舶工业的快速发展，对大线能量焊接船板钢的综合性能提出了更高的要求。船板钢要经受长时间的海水侵蚀、冲刷以及低温冲击，传统的TiN等技术难以满足大线能量焊接HAZ韧性改善的要求，而稀土金属在钢材性能改善方面具有得天独厚的优势，特别是重稀土Y，能够有效的改善钢中夹杂物的形态、分布以及尺寸，形成高熔点的氧化物夹杂，对大线能量焊接HAZ奥氏体晶粒细化具有重大的意义。因此，重稀土Y应用于大线能量焊接用钢HAZ韧性的改善以及低温冲击性能的提升必将受到研究工作者的青睐。
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