超大输入热量焊接部位韧性优良的建筑结构用厚钢板的开发

1、.超大输入热量焊接部位韧性优良的建筑结构用厚钢板的开发肖英龙(重庆钢铁集团公司)D eve lopm en t of Stee l P la te s f or A rch itec tura l Con struc t ionw ith Exce llen t Toughn e ss in L arge Hea t In put W e lded Jo in tsX iao Y in g lo n g(C ho ngq ing Iro n and S tee l Co rp. )1 前言川崎制铁公司开发了大输入热量焊接部韧性 优良的建筑用M A C 325C - A D ( Y P 325M

2、 P a 以 及M A C 355- A D (Y P 355M P a ) 级钢, 作为抑制了 上 贝氏体 (B ) 的铁素体 (F ) + 珠光体 (P ) 组织, 在 SAW ( 埋弧焊) 和 E SW ( 电 渣 焊) 等 输 入 热 量 40kJ mm 的超大热量范围, 实现了 HA Z 的高韧 性化。为了使钢具有细小的 F + P 组织, 在降低碳 当 量 (C eq ) 和有效利用 T iN 促进 F 形成的基础100kJ mm )。此时, 温度随时间的延长而增高, 焊接时的冷却速度变小, HA Z 的高倍组织就会粗大 化, 从而造成钢的强度和韧性的下降。近年, 为了抑制焊接部的

3、脆性断裂, 即使对匣 形柱焊接部也须有高性能。为此, 开发了建筑匣形柱用的大输入热量焊接部 HA Z 高韧性钢材。 本 文概要介绍了超大输入热量焊接性优良钢材的设计方针和所开发的 490M P a 级M A C 325C - A D钢和 520M P a 级M A C 355C A D 钢以及后者的 母材和焊接部性能。上, 生产了 0.08% C 和 C eq =0.34% 的 60mm厚板。 钢板母材性能满足了M A C 355C 规格要求;用开发钢进行了 SAW 和 E SW 超大输入热量焊 接, 对其焊缝韧性进行的评价结果表明, 所有部位均满足了冲击功70J 的要求。在 1995 年的阪

4、神大地震中, 发生了建筑物的 柱梁焊接部梁端断裂和超厚匣形 (bo x ) 柱断裂等钢结构脆断破坏现象。 其中多见梁端焊接部的脆断, 还查明了其断裂机理。 在这些研究中, 调查 了母材及焊接部位韧性对梁端焊接部构造性能的影响, 从而提出了必要韧性的要求。 并且, 为了实现性能标准化而修改了建筑标准, 以规定建筑物 的各种性能。在用于高层建筑物柱形材的焊接四面匣形柱上, 过去一直使用板厚 40mm 以上的 TM C P ( 热2 目标性能将钢材和焊接部的开发目标示于表 1。 作为 母 材 的 目 标 性 能, 现 行 的 M A C 325C 和 M A C355C 的标准是在 SAW 和 E

5、SW 焊接部 (FL : fu2sio n lin e 和 HA Z) 的韧性即冲击功须平均70J。3 为提高 HA Z 韧性而进行的冶金研究3. 1 奥氏体 (A ) 晶粒直径的影响调 查 了 C eq = 0. 3 6 % 0. 4 2 % 、含 C 量0. 12% 0. 15% 的 R EM T i 处理钢和 T iN 处理 钢 A 晶粒直径与再现 HA Z 韧性间的关系。 进行 了 相 当 于 输 入 热 量 4 0 kJ mm 的 1 道 次 SAW 的1 400加热、550 s 从 800冷却到 500的再现 焊接热循环, 用图 1 表示其晶粒直径对再现 HA Z：表 1 钢材和焊

6、接部的开发目标 基体材料焊接部A KV (J )级别YP (M P a)T S (M P a)YR ( % )E l ( % )A KV (J )表面贯穿厚度的延性 ( % )325 445490 6108021272570M A C 325C - A D M A C 355C - A D 355 475 520 640 80 21 27 25 70 3. 2显微组织的影响将进行超大输入热量焊接时的典型 HA Z 组 织示于图 2。 在 C eq 较高、合金加入量较多的钢 中, 淬透性增大了, 钢呈现上B (即U B ) 组织。另一 方面, 由于 C eq 的下降而使 U B 向 F + B

7、(U B ) 和 F + P 组织转变。 将这些组织的 SEM ( 扫描电镜) 观察结果示于图 3。U B 组织中含有较多岛状马氏体 (M - A ) , 但是, F + B 组织中的M -了, F + P 组织中未观察M - A 组织。量减少A图 1在 1 400时 A 晶粒直径对再现 HA Z 韧性的影响图 2进行超大输入热量焊接时不同 C eq 的钢的典型 HA Z 组织比较图 3 典型的再现 HA Z 组织中M A 的分布图 4 表示不同的 HA Z 组织对韧性的影响。U B 组织的再现 HA Z 韧性较低; 反之, F + U B 组织和 F + P 组织的韧性较高, 此现象与 M

8、- A量的下降是对应的。 图 5 表示 F + P 组织的高韧性化机理: 与 U B 组织比较, F + P 组织上断裂的断 面单位变小了, 且因无硬质 M - A , 故韧性提高 了。 因此, 为了提高超大输入热量 HA Z 韧性, 必须抑制 U B 的生成, 即应降低钢的 C eq, 使钢变成的长大也是有效的, 即使加热到 1 400, 也能将A 晶粒抑制在 200m 以下。图 5F + P 组织比 U B 组织韧性高的机理3. 3 采用 HA Z 组织控制提高钢的韧性考虑上述的 HA Z 韧性的支配性因素, 研究 了在超大输入热量焊接中提高韧性的措施。将 加 热 至 1 400后, 冷

9、却 时 间 t800 500 为550 s 热循环材的 C eq 和M - A 量的关系表如图6。C eq 增加使 HA Z 组织从 F + P 转变为 F + U B 再转变为 U B 组织, 同时使M - A 量增加。 此倾 向在 C eq0. 38% 时十分明显。 为了完全防止M图 6 C eq 对基体组织中M - A 体积分数的影响-A 量的发生, 将钢的显微组织定为 F + P 是有效的, 故须将 C eq 控制在 0. 37% 以下。另外, 降低C eq 也是有效的, 即使在同一 C eq 下, 降低钢的 C图 70. 1% C - 0. 37% C eq 的 T iN 处理钢与原

10、来钢显微组织对比含量, 也可以抑制M - A的生成。 在钢板的实际生产中, 必须考虑含 C 量及 C eq 的下降对母材强度下降等其它特性的影响, 故实现与板厚及强度 等级相适应的 C 含量和 C eq 的最佳化是重要的。 为了改善 HA Z 组织, 利用 T iN 和 V N 等有F 晶核生成能的细小夹杂物也是有效的。 将 C eq= 0. 37% 且含 T iN 的钢和原来钢再现 HA Z 组织 的对比示于图 7。T iN 的利用促进了 F 相变, 抑制从上述情况可知, 利用低 C 含量、低 C eq 的最佳成分设计和 T iN的作用, 可以生产超大输入热量焊接、HA Z 韧性仍然十分优良

11、的厚钢板。开发的 C eq 为 0. 08% 0. 34% 的、加入了弥 散 T iN ( 质点) 的钢再现 HA Z 组织及韧性示于图8。即使在设定的 FL 近旁进行 1 450加热时, 也 获得了 F + P 组织, 其再现 HA Z 韧性 ( 冲击功) 也 高达 200J 以上。了 U B 相变; 并且, T iN 对于抑制高温下 A晶粒4开发钢M AC355- AD 的母材性能母材机械性能如表 3。 抗拉强度 562M P a、屈服强度 435M P a、屈服比 77% 、延伸率 31% 、0 夏比冲击吸收能 368J、板厚方向的断面收缩率为72% 。这些母材性能可满足 T S520M

12、 P a 级建筑结 构用 TM C P 厚板标准的要求。4. 1试验用钢用大生产工艺冶炼本开发钢并连铸成板坯,将之再加热后用 TM C P 工艺轧制并快冷, 制成60mm 厚板。 试验用钢化学成分如表 2 所示。4. 2母材机械性能表 2 供试材的化学成分 (% )C eq (W E S) P cm CS iM nPS注0. 080. 191. 520. 0080. 0010. 340. 17T i 处理C eq (W E S) = C + S i24+ M n6+ N i40+ C r5+ M o 4+ V 14P cm = C + S i30+ M n20+ C u 20+ N i60+

13、C r20+ M o 15+ V 10+ 5B表 3 母材机械性能抗拉性能夏比冲击性能在 Z 向试验中的断面收缩率方位YP (M P a)T S (M P a)EL ( % )YR ( % )方向A KV (J )RA ( % )目标C ( 14 t)355- 470520- 640213180772736825%72LL4355624. 3焊接性为了研究开发钢的低温焊接裂纹敏感性, 根5焊缝性能为了调查实际焊缝 HA Z 韧性的提高效果,据 J IS Z3101 规范进行了最高硬度试验, 使焊接长度从 125mm 变化到引弧, 研究了此时材料的 硬化性。 表 4 为焊接长度对最高硬度的影响。

14、 在急冷的引弧条件下, 维氏硬度上升到 350 点, 但在建筑工程标准上规定在最小焊道长 40mm 的硬 度为 290 点, 这表明与原来钢比较, 开发钢的硬化程度小, 是低温焊接裂纹敏感性优良的钢板。表 4 焊接长度对最高硬度的影响采 用 开 发 钢 制 作 了 SAW工 艺 的 方 形 焊 接 及E SW 工艺的隔板焊接的焊缝。同时, 用 CO 2 气体保护焊制作了小输入热量多层焊的柱柱焊缝,同样也评价了 SAW 和 E SW焊缝的韧性。5. 1焊接条件和低、高倍组织坡口形状和焊接条件如表 5。CO 2 焊接的输入热量为 1. 3 2.2kJ mm 、2 电极 1 通道 SAW为 63kJ

15、 mm 、E SW 则采用了 110kJ mm的超大焊道长度 (mm )引弧时间= 2 s输入热量。以确保熔敷金属的韧性为目的, 焊接材料采用了特殊的熔剂和焊丝。125289350 40 290 表 5坡口形状及焊接条件焊接方法电极 ( 直径)溶剂电流 (A )电压 (V )速度 (mm m in )输入热量 (kJ m in )焊道坡口形状单斜面坡口半自动电弧焊KC - 55G( 5 1. 2mm )260 29031 34250 4001. 3 2. 214 层58 道埋弧焊( 串联电极)LTKW 55( 5 6. 4mm )KB 55 IA D2 3001 800405318062. 5

16、1 道单 V 型坡口电渣焊KW 60A D( 5 1. 6mm )KF 1001 道方孔型3805311109. 8焊接部的低倍组织如图 9 所示: 焊道形状良好, 焊接材料向母材的熔入也充分, 且无有害的焊接缺陷; 在 HA Z 的低倍组织中未观察到明显的粗大晶粒, 这是 T iN 细化 A 晶粒的效果。图 9 焊接部位的宏观组织将 E SW 焊缝表层钢板侧 12 t 部的高倍组织之一例示于图 10。 在 FL 附近的粗晶粒区域有一 部分 U B , 但主体组织是 F , 在距 FL 0. 5mm 以上 的 HA Z 部呈现出细小的 F + P 组织。5. 2 焊缝韧性图 11 表示用各种焊

17、接法所得焊接部的夏比 冲击试样的取样位置; 表 6 为 W M 、FL 及 HA Z中心部的夏比冲击特性。 进行超大输入热量焊接的 SAW 及 E SW 焊接部的 0夏比冲击吸收能,与 CO 2 焊接一样, 都有 100J 的高焊缝韧性。图 10 E SW 焊接的高倍组织图 11 各种焊接法焊接部位的夏比冲击试样的取样位置表 6 各焊接部位的夏比冲击特性图 12 表示在 SAW 及 E SW焊接部各部位的韧性分布。 焊接部所有部位的夏比冲击吸收能都超过了平均 70J 的目标值。5. 3十字焊缝抗拉特性 为了查明隔板柱梁焊接部的焊缝强度,分别在板厚 45mm 的隔板和板厚 60mm 的护板 上采

18、用了开发钢。在梁材上采用了板厚 40mm 的夏比冲击功 (J )焊接类型位置HA ZFLWM距表面距表面244337302360353CO 2SAW275193106251159162151幅板侧凸缘侧 护板侧 隔板侧E SW12 t119之 间, 进 行 了 输 入 热 量 为 70kJ mm 的 E SW焊反复进行了 2 次试验, 全部试样的断裂都发生在梁母材上; 其抗拉强度为 552M P a 和 557M P a。这 说明隔板柱梁焊接部有充分的焊缝强度。接; 在梁端则进行了输入热量 2kJ mm 多层 CO 2气体保护焊。将十字焊缝抗拉试验结果示于表 7。图 12SAW 和 E SW 焊接各部位的韧性分布6结语为了在 SAW 或 E SW3) 在基础研究后, 实际生产了采用 T i