大线能量焊接用钢的现状与发展讲解课件

安徽工业大学冶金工程学院2015年10月莱钢-安徽工业大学技术交流大线能量焊接用钢的现状与发展安徽工业大学冶金工程学院2015年10月莱钢-安徽主要内容1大线能量焊接用钢的研究现状2大线能量焊接用钢的技术特征3实验室研究情况介绍4工业应用结果5结语主要内容1大线能量焊接用钢的研究现状焊缝金属焊接过程中融合线附近的温度分布焊接线能量（焊接热输入）为：Q=I×E/ν

（kJ/cm）I焊接电流(A)、E电弧电压(V)、ν焊接速度

(cm/s)，一般地将能够承受线能量超过50kJ/cm的钢材称为大线能量焊接用钢。

大线能量焊接用钢的定义焊缝金属焊接过程中融合线附近的温度分布焊接线能量（焊接热输入大热输入焊接的关键问题—组织脆化

由于焊接热输入的增大，焊接热影响区高温停留时间变长，奥氏体晶粒严重粗化；且由于焊后冷却速度缓慢，在随后的相变过程中容易形成粗大的侧板条铁素体、魏氏组织、上贝氏体等异常组织，M-A岛数量增加且粗大，使焊接热影响区强度和韧性严重恶化，并容易产生裂纹等缺陷，影响整体结构件的安全使用性能。焊枪及焊丝保护气背衬材料铜滑块钢板气电立焊示意图大热输入焊接的关键问题—组织脆化由于焊接热输入造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%，由于中国目前仍不能生产大线能量焊接用钢，造船效率仅为日本的1/4～1/7。造船厂为提高施工效率和降低成本，已逐步采用更为高效的大线能量焊接方法。建造一艘10万吨级的船，若采用大线能量焊接钢板，可提前3个月完工。而国内现有的船板钢只能够承受50kJ/cm以下的焊接热输入。按照目前现有的船舶设计要求，需要线能量达200~400kJ/cm的船板钢，而目前国内没有供货。焊缝金属的性能可以通过调整焊接材料和焊接工艺来满足要求，而焊接热影响区（HAZ）性能的改善则必须从根本上改变传统钢板本身的固有性能。采用2电极VEGA设备1次焊接，焊接作业时间可缩短1/10.板厚60mm大线能量焊接用钢的技术特征示例船板钢船板焊接造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%，由于中国目1水冷滑块2金属熔池3渣池4焊接电源5焊丝6送丝轮7导电杆8引出板9出水管10金属熔滴11进水管12焊缝13起焊槽21mm50mm普通热输入焊接—手工焊大热输入焊接—电渣焊普通热输入焊接：多道次、生产效率低大热输入焊接：单道次、生产效率高，成本低

手工焊焊缝电渣焊焊缝50mm大线能量焊接用钢的技术特征示例高层建筑用钢1水冷滑块2金属熔池3渣池4焊接电源5焊丝

近年，随着构件的大型化和大跨度化，使用低合金高强钢的下游企业为提高施工效率和降低成本，逐步开始采用更为高效的大线能量焊接方法。目前国内常见的大线能量焊接方法如下：（1）双丝串列埋弧自动焊（2）FCB法多丝埋弧自动单面焊适合9mm～35mm钢板的双面单道焊，焊接线能量范围：9～140kJ/cm适合8mm～35mm钢板的单面焊，焊接线能量范围：40～220kJ/cm1大线能量焊接用钢的研究现状近年，随着构件的大型化和大跨度化，使用低合金高强钢（3）单丝气电自动立焊（4）双丝气电自动立焊

为了适应大线能量焊接技术对钢板的特殊要求，早在90年代日本的新日铁、JFE等钢铁企业先后采用不同的理念，开发出适用于造船、桥梁、高层建筑、海洋结构、储油罐、管线钢等不同强度级别的大线能量焊接用宽厚钢板。其中具有代表性的是超高层建筑用SA440钢板，该钢板的焊接热输入已经达到了1100kJ/cm。适合50mm～80mm钢板，焊接线能量范围：250～680kJ/cm适合9mm～32mm钢板，焊接线能量范围：40～220kJ/cm（3）单丝气电自动立焊（4）双丝气电自动立焊为了适大线能量焊接用钢板的应用领域

船舶

桥梁

高层建筑

海洋结构

石油储罐

球罐大线能量焊接用钢板的应用领域船舶国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司的EH40船板钢的焊接热输入量已经达到680kJ/cm，40至100mm厚度的钢板可实现一道次焊接成形，其焊接效率比传统方法提高数十倍。日本新日铁公司开发的EH40造船钢板，其焊接热输入量能够达到390kJ/cm；日本神户制钢开发出的80mm厚度EH36和EH40钢板，焊接热输入量可达到580kJ/cm；韩国浦项钢厂开发的EH40钢板，焊接热输入能够达到350kJ/cm。造船国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司的EH40船板钢JFE公司用于海洋结构的高强度钢种有7个钢种，耐海水腐蚀钢的焊接热输入能够达到200kJ/cm，生产的屈服强度400MPa级的低温海域用TMCP结构钢，板厚达60mm，其焊接热输入量达到193kJ/cm，-60℃的冲击功最低值大于60J。新日铁开发的屈服强度大于420MPa级的低温海域用TMCP结构钢，钢板的韧脆转变温度为-120℃。经204kJ/cm的单面单道焊接，-60℃的冲击功最低值大于60J。住友金属开发的抗拉强度500MPa级别的海洋结构用钢，焊接热输入量能够达到219kJ/cm。海洋工程北极海域石油平台国外大线能量焊接用钢的研究现状JFE公司用于海洋结构的高强度钢种有7个钢种，耐海水腐蚀钢的日本JFE公司开发的MAC355-AD，SA440-E建筑用钢，其焊接热输入量能够达到1100kJ/cm以上；日本新日铁开发的BT-HT440C-HF钢板，焊接热输入量能够达到1000kJ/cm；日本神户制钢开发的SA440钢板最大焊接热输入量为990kJ/cm；抗拉强度为780MPa级别的建筑用钢，焊接热输入能够达到400kJ/cm；住友金属开发的抗拉强度大于590MPa的建筑用钢HT590焊接热输入量达到980kJ/cm。日本新丸内，楼高198m。高层建筑国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司开发的MAC355-AD，SA440-E建筑用日本采用多位向贝氏体技术开发的780MPa级高层建筑用钢开发钢与传统钢的力学性能对比400kJ/cm焊接热输入后的冲击功优点：屈强比降低，焊接免预热，焊接热输入为传统钢的8倍。开发钢传统钢标准日本采用多位向贝氏体技术开发的780MPa级神户制钢开发的抗拉强度大于490MPa的桥梁钢，不需要进行预热而实现焊接，焊接热输入量达到350kJ/cm。2002年开发的抗拉强度为≥490MPa的桥梁钢，焊接热输入量能够达到114kJ/cm，还同时具有良好的耐腐蚀性能，所建成的桥梁可以实现无需做另外的防腐处理；且开发的抗拉强度大于570MPa的桥梁用钢BHS500，焊接热输入量达到150kJ/cm；JFE公司生产的抗拉强度570MPa级的桥梁钢可承受240kJ/cm的焊接热输入；

新日铁公司开发的BHS500桥梁用钢，焊接热输入量可达到100kJ/cm。桥梁日本明石海峡大桥国外大线能量焊接用钢的研究现状神户制钢开发的抗拉强度大于490MPa的桥梁钢，不需要进行预储油罐、压力容器与管线日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造方面也广泛使用大热输入焊接用钢，在高强度管线钢X60～X80等也已经实现大热输入焊接。日本新日铁、JEF、住友等几大钢铁公司均能够生产焊接热输入达400kJ/cm的石油储罐钢板，而供给我国的石油储罐焊接热输入只达到100kJ/cm。此外，日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造领域已经开始广泛使用大热输入焊接用钢。国外大线能量焊接用钢的研究现状储油罐、压力容器与管线日本在水电、核电、石油化工等行业的压力日本新日铁HTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种日本新日铁HTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种新日铁HTUFF

技术生产的大线能量焊接用钢产量统计国外大线能量焊接用钢的研究现状新日铁HTUFF技术生产的大线能量焊接用钢产量统计国外大线类别国外国内公司名称牌号或主要性能最高热输入kJ/cm目前国内的正火或TMCP钢板焊接热输入≤50kJ/cm,达到100kJ/cm的钢板仅有石油储罐和造船板两个钢种船舶JFE公司EH40不预热680新日铁EH40不预热390浦项EH40不预热350海洋平台JFE公司Rel＞420MPa,保证焊接接头-40℃的CTOD和DWT,采用Super-OLAC工艺200新日铁Rel＞420MPa韧脆转变温度-120℃;YS500焊接接头-10℃的CTOD远高于标准;采用TMCP或DQ-T工艺204住友金属Rm＞500MPa，采用TMCP219桥梁神户制钢Rm＞490MPa,不预热350管线新日铁X80150高层建筑JFE、新日铁、神户制钢、住友金属440MPa、590MPa1100

电渣焊HAZ性能多不合格大线能量焊接用钢国内外对比类别国外国内公司名称牌号或主要性能最高热输入kJ/cm目前国日本大热输入焊接用钢的生产技术——氧化物冶金技术使钢中形成纳米级Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子，细化奥氏体晶粒的同时利用这些氧化物作为晶内针状铁素体的形核点，提高大热输入焊接CGHAZ的韧性。JFE公司采用的是自己研发的“JFEEWEL”技术：神户制钢早期采用的是称为“神户超韧化技术”即“KST”技术并结合TMCP的精确控制来生产大热输入焊接用钢，而目前采用的是在原有技术基础上又引入新手段的“低碳多方位贝氏体”技术。新日铁的“HTUFF”技术：即控制O、S、Ca的原子浓度比，并控制硫化物形态。(atomicconcentrationratio，简称ACR)

日本大线能量焊接用钢生产技术简介但是，日本各钢铁公司有关大线能量焊接用钢的信息披露大多只限于说明应用效果，而对其理论与技术细节却很少涉及，甚至会看到些带误导性的报道。日本大热输入焊接用钢的生产技术——氧化物冶金技术使钢中形成纳日本的大线能量焊接用钢广泛应用于多个领域，最高热输入水平达1000kJ/cm；而我国的大线能量焊接用钢的最高热输入水平为100kJ/cm，且仅应用于石油储罐和造船这两个领域，其它应用领域的钢种热输入水平仅为50kJ/cm。在造船钢板、海洋工程、桥梁、高层建筑、管线、水电、核电、石油化工容器等许多急需大线能量焊接性能的品种钢，目前尚无应用业绩报道。造成这巨大差异的原因是我国还没有掌握生产大线能量焊接用钢的工艺控制技术。这种技术一直被国外垄断并实现严格的技术封锁，国内企业至今还没有掌握其核心工艺控制技术而实现工业化生产。大线能量焊接用钢国内外现状

打破传统的TiN机制，引入“氧化物冶金”新概念，利用热稳定性好的高熔点氧化物，采用新型工艺控制方法使钢中的夹杂物破碎细化。从而在大输入焊接热循环过程中钉扎奥氏体晶粒并促进形成大量针状铁素体或贝氏体，细化HAZ组织提高韧性。开发策略使夹杂物变害为利新工艺日本的大线能量焊接用钢广泛应用于多个领域，

晶内无夹杂物晶内有夹杂物改变晶界组织晶界无铁素体存在块状多边形铁素体抑制γ晶粒长大提高HAZ韧性机理通过控制钢中夹杂物的类型、尺寸、数量来控制HAZ相变组织提高钢板焊接性能的途径晶内无夹杂物晶传统钢大热输入焊接用钢焊缝金属焊缝金属焊缝金属针状铁素体能够抑制裂纹传播、增强抗裂纹传播的能力。a：贝氏体组织

b：针状铁素体提高钢板大线能量焊接性能的途径传统钢大热输入焊缝金属焊缝金属焊缝金属针状铁素体能够抑制裂纹晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界形核连续推进的铁素体晶粒的位向完全不一样，由此可明显抑制非等轴铁素体晶粒的形成及定向长大；晶内针状铁素体的形成增加了铁素体的体积分数，使铁素体晶粒细化的同时形状和分布趋于更加合理；使钢材在塑、韧性不降低的情况下得到有效强化；韧性较高的晶内针状铁素体完全包围了传统意义上属于有害的非金属夹杂物粒子，使夹杂物对钢材塑、韧性和疲劳性能等的损害程度显著降低甚至消除；钢中第二相，包括传统意义上的夹杂物微细化及其形状和分布状态的有效控制是未来钢铁材料科学与技术发展的重要方向。晶内针状铁素体在未来钢铁材料研究开发中的作用晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界形核连续推进的晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系只有当HAZ组织中的针状铁素体含量达到50％以上时，焊接热影响区才会显现出良好的低温韧性晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系只有当HAZ组织中的针HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响HAZ部位奥氏体晶粒细小有利于提高韧性HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响HAZ部位奥氏体晶粒细小PT1350℃PT1400℃利用TiN机理生产的大线能量焊接用钢，当温度达到1300℃时，HAZ区域约50%的TiN质点会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用；当温度达到1400℃时，在靠近熔合线部位，约88%的TiN质点会发生溶解。当焊接线能量＞100kJ/cm后，HAZ区域的TiN质点的分解将更加严重，最终导致TiN质点失去钉扎作用，造成HAZ韧性的大幅度下降。

TiN粒子在靠近熔合线处温度达到1400℃溶解，失去形核作用；并且弱化钉扎奥氏体晶界作用，使奥氏体晶粒长大。PT1350℃PT1400℃利用TiN机氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比

在靠近熔合线温度达1400℃时，TiN机理改善HAZ韧性的效果降低，Ti的氧化物在此高温区域发挥作用，改善韧性。氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比在靠近熔合线温●

良好的热稳定性（在1400℃左右高温下不发生溶解或长大）●微细夹杂物粒径的有效范围（阻止奥氏体晶粒粗大并促进晶内铁素体生成）●合理的体积分率（足够数量的微细夹杂物，并满足钢的纯净度要求）●能够在钢中均匀、弥散分布微细第二相粒子的选择原则●根据热力学计算夹杂物粒子的形核率可得到从大到小分别为MgO＞CaO＞SiO2＞Ti2O3

＞Al2O3

＞MnO●根据LWS理论计算的理论粒子半径随时间变化从小到大分别为MgO＜CaO＜

Al2O3

＜

Ti2O3

＜

SiO2

＜

MnO如何选择合适的微细第二相粒子类型●良好的热稳定性微细第二相粒子的选择原则●根据热力学计算夹利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生成●铁素体容易在奥氏体内非金属夹杂物处形核●夹杂物周围溶质贫乏区促进铁素体形核●夹杂物与铁素体的晶格错排度小，造成在低能量界面上优先形核●非金属夹杂物作为惰性介质表面，有利于铁素体形核●在一次铁素体与奥氏体的高能界面上生成二次铁素体以夹杂物为核形成的针状铁素体组织IAF夹杂物IAF利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生成●铁素体容易在奥

Mn是奥氏体稳定元素，在γ铁中Mn的扩散速度比S小，且Mn3+离子半径和Ti3+相近，(Ti,Mn)2O3颗粒从铁基中吸收锰原子，造成贫Mn区的存在，使A3温度上升，增加了铁素体形核的化学自由能。

贫Mn区的宽度和深度取决于S的含量，还与Si、Al等其它元素有关，MnS的尺寸也会对IGF形核产生影响。能够作为IAF的形核质点的夹杂物类型有多种。

测试点与界面距离(nm)浓度（wt%）Mn晶内针状铁素体形核机理之一溶质贫乏区AFMn是奥氏体稳定元素，在γ铁中Mn的扩散速度比S小，且Mn用高温激光显微镜观察到的针状铁素体形成过程用高温激光显微镜观察到的针状铁素体形成过程大线能量焊接用钢开发的难点大线能量焊接用钢开发的难点

夹杂物OM统计结果A钢为传统冶炼方法，即采用钢厂现行的合金化方法，不严格控制合金添加顺序和添加时机；B钢在冶炼过程中，采用新工艺，控制添加各合金的添加顺序和添加时机。3实验室夹杂物的控制研究结果A钢1225个/mm2B钢4256个/mm2两炉钢主要化学成分相同夹杂物OM统计结果A钢为传统冶炼方法，即采用钢厂现行的合金

萃取复型试样的夹杂物形貌

B钢中的TiN粒子数量约为A钢的4倍，且B钢中大于0.5μm的TiN粒子并未发现，A钢中却存在大量尺寸大于0.5μm甚至大于1μm的TiN粒子。

两炉钢TiN对比结果实验室夹杂物的控制研究结果两炉钢含TiN夹杂物对比结果萃取复型试样的夹杂物形貌B钢中的TiN粒子数量A钢B钢两炉钢的夹杂物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM统计结果2346个/mm283个/mm25362个/mm2482个/mm2两炉钢含TiOx夹杂物对比结果采用新工艺冶炼的B钢，含Ti氧化物的夹杂物数量高于A钢10倍以上。实验室夹杂物的控制研究结果A钢B钢两炉钢的夹杂物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM统计结A钢中大尺寸夹杂物SEM结果TiN(b)6.7μm5μm16.5μm10μm(a)实验室夹杂物的控制研究结果A钢中大尺寸夹杂物SEM结果TiN(b)6.7μm5μm16(a)3.1μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物的控制研究结果(a)3.1μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物(b)2.9μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物的控制研究结果(b)2.9μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物编号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)12014003199263，198，214(225)(b)50014003550163，170，203(179)(c)800140030730185，196，167(183)50μmIAF

IPFGBF(a)GBFIPF

IAF(b)

IPFGBFIAF(c)GranularBainiticFerrite(GBF)IntraGranularFerrite(IGF)IntraPolygonalFerrite(IPF)IntraAcicularFerrite(IAF）新工艺钢板大线能量焊接后的组织与性能

焊接热输入对试验钢组织性能的影响实验室研究结果编号热输入峰值温度停留时间t8/5Akv(-20℃)(a)传统钢大热输入焊接热模拟结果(a)粗大γ与板片状GBF;(b)粗大γ与贝氏体，γ尺寸>1mm;(c)粗大GBF、贝氏体与侧板条铁素体编号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)100140011384(b)100140011386(c)100140011385(b)100μm(c)100μm100μm(a)传统钢大线能量焊接后的组织与性能

3实验室研究结果传统钢大热输入焊接热模拟结果(a)粗大γ与板片状GBF;(a)、(c)传统钢(b)、(d)新工艺钢裂纹(c)20μm20μm裂纹C1C2C3C4(d)20μm(a)50μm(b)50μm传统钢与工业试制钢HAZ区组织抵抗裂纹传播形貌对比(a)、(c)传统钢(b)、(d)新工2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2μm(a)(b)(c)夹杂物A、B尺寸分别为520nm、600nm；夹杂物C尺寸为450nm，位于GBF晶粒内；夹杂物D为尺寸为1.5μm，位于GBF晶粒边界；夹杂物E尺寸为1.9μm，GBF在长大到此夹杂物时，因受到阻碍而发生了晶界弯曲，并没有将夹杂物包覆在GBF晶粒内。γ晶界处的夹杂物与组织形貌3实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2夹杂物A尺寸1.2μm；夹杂物B尺寸为2.3μm；夹杂物C尺寸为1.4μm。1μmAα2α12μm4μmCα1

α4α3α28μm2μmBα4α3

α2α1α54μm(a)(b)(c)γ晶粒内的夹杂物与组织形貌图C中α3，α4为二次晶内铁素体(SecondaryintragranularFerrite)3实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响IAF的形成不仅与夹杂物的类型和尺寸有关，还与夹杂物组成结构有关。夹杂物A尺寸1.2μm；1μmAα2α12μm4(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于5μm的复合夹杂物与IGF形核OM形貌A和B为较大尺寸(3～5μm)夹杂物；C、D、E为中等尺寸(1～3μm)夹杂物；F、G、H，为小尺寸(小于1μm)夹杂物。夹杂物越细小HAZ韧性越好。

3.实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于4工业应用结果1、第五代原油储罐用钢

新工艺钢板各项力学性能匹配合理，全厚度规格钢板屈强比小于0.9；焊接热输入可达到400kJ/cm，针状铁素体含量达80％以上；合金成本比原成分节省约300元/吨钢。已通过中石化十建焊接检测，可满足15万m3及以上储罐要求；中科院金属所耐H2S腐蚀性能检测；湖南省科技鉴定。已对国家战略石油储备工程批量供货，获2013年冶金科学技术奖二等奖。2、造船用钢板

工业生产的TMCP态70mm的EH36、EH40钢板具有良好的大线能量焊接性能，模拟焊接热输入可稳定达到800kJ/cm；钢板送中船造船厂进行实际焊接热输入达到400kJ/cm以上，满足船舶焊接设计的需求。3、压力容器用钢板提高压力容器用钢板的焊接性能，包括石油化工、水电、核电用钢。4工业应用结果1、第五代原油储罐用钢新工艺类别钢板号板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%Akv(-20℃)/J钢厂原钢板30200326357150.8923269试制钢52200325606450.8725278工业应用结果类别钢板号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J钢厂原钢板30200100130011389，17，16125130012159，17，14400140033269，3，6试制钢5220010013001138201，179，12112513001215217，218，19040014003326174，183，152原钢板

试制钢第五代原油储罐用钢类别钢板号板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%A类别板厚mm热输入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J非试制钢40196WM103,107,115FL12,8,10FL+1mm20,47,36试制钢40202WM118,120,125FL100,90,101FL+1mm155,173,175(a)非试制钢(b)试制钢两种钢板气电立焊金相组织工业应用结果(b)(a)原工艺钢板的HAZ组织粗大；新工艺钢板的HAZ组织细小。气电立焊结果第五代原油储罐用钢类别板厚mm热输入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J湘钢储油罐气电立焊焊接接头金相组织(200kJ/cm)(500X)工业应用结果第五代原油储罐用钢湘钢储油罐气电立焊焊接接头金相组织(200kJ/cm)(热输入kJ/cm峰值温度℃停留时间st8/5s-20℃AkvJ10014001138287,225,17420014001215267,168,22630014003309262,119,25940014003325231,232,24350014005550196,207,209800140030730217,145,198焊接热模拟结果300kJ/cm400kJ/cm焊接热模拟金相组织(100X)工业应用结果造船用钢板EH40热输入kJ/cm峰值温度℃停留时间st8/5s-20℃Ak

采用新工艺试制的船板钢的HAZ典型组织与针状铁素体

（Q=800kJ/cm；PT=1400℃、t8/5=730s、保温30s；AKV(-20℃)=188J）

该工艺生产的钢板的焊接结果应该是目前国内的最好研究水平，有望在电渣焊等要求更高线能量的焊接条件下使用。夹杂物工业应用结果采用新工艺试制的船板钢的HAZ典型组织与针状铁素体线能量/kJ﹒cm-1Rm/MPa冲击试样取样位置Akv(-20℃)/J430545；530上表面焊缝81，70，90熔合线187，136，144熔合线外2mm133，131，140熔合线外5mm218，270，258熔合线外10mm243，231，224下表面焊缝118，140，125熔合线106，73，130熔合线外2mm201，183，137熔合线外5mm205，281，212熔合线外10mm303，303，300工业应用结果造船厂大线能量焊接结果线能量/kJ﹒cm-1Rm/MPa冲击试样取样位置Akv(

工业应用结果与南钢合作的大线能量焊接项目以海洋工程用正火钢为基础，采用新型生产工艺技术来生产大线能量焊接用钢，目前已经完成了工业试制，获得了圆满成功。试制钢在Ceq值高达0.44的条件下，焊接线能量水平达到300kJ/cm，已经超过国际最高200kJ/cm的水平。大线能量焊接熔合线部位金相组织工业应用结果与南钢合作的大线能量焊接项目以海洋基于新技术实验室已经开发出的原型钢有：造船板日本的造船效率是我国的4~7倍，大型船舶使用的厚钢板焊接线能量可达400kJ/cm，这类钢板的焊接效率是传统钢板的10倍以上，而目前国内无此类产品供货；原型钢可承受800kJ/cm的焊接热输入；(2)高层建筑用钢目前国内的高层建筑用钢常用的电渣焊热输入为200~400kJ/cm左右，其HAZ韧性基本不合格，制定国家标准的几家单位对此只能采取结构性弥补措施，不采用大线能量焊接用钢则难以消除HAZ脆化的安全隐患。国内至今还不能生产这类钢板，且这类钢板不需要认证即可迅速扩大市场份额；原型钢可承受1000kJ/cm的焊接热输入；(3)桥梁钢开发出国产的大线能量焊接用桥梁钢，将大幅度降低施工单位的焊接成本，加快施工进度，且不需要认证即可实现供货；原型钢可承受400kJ/cm的焊接热输入；

最新研究成果基于新技术实验室已经开发出的原型钢有：最新研究成果(4)管线钢国产管线钢的焊接一直是瓶颈，X80实际焊接线能量多为30kJ/cm，可采用新技术将焊接线能量提高到50kJ/cm以上，在能够解决夹杂物超标问题的同时，还可解决施工单位焊接难的问题；原型钢可承受200kJ/cm的焊接热输入；(5)水电、核电、石油化工压力容器钢板采用新技术可生产出易焊接、免预热类钢板，或实现大线能量焊接性能。原型钢可承受300kJ/cm的焊接热输入；(6)海工钢

十三五规划中重点发展海洋工程，大量中厚板及型钢需要良好的焊接性能，采用新技术可大幅度提高钢板的焊接效率。原型钢可承受300kJ/cm的焊接热输入；

最新研究成果(4)管线钢最新研究成果(6)特厚钢板对于特厚钢板的轧制，由于钢板厚度的增加，现行的TMCP工艺对钢材晶粒细化的效果非常有限，尤其是厚钢板的心部组织难以实现细化。采用新工艺可改善这类厚钢板的心部组织并借助于晶内铁素体或多位向贝氏体的形成，提高钢板的强韧性能。原型钢采用控制析出+控制冷却新工艺，取消了未再结晶轧制；(7)高强钢及超高强度钢

目前国产80~100kg级别高强度钢的焊接一直是个难题，除了要严格控制热输入以外，还要严格控制预热及冷却。采用新技术开发出的80～100kg级别的高强度钢及超高强度钢，使这类钢板具有易焊接性能，能够实现免预热。该技术也可应用于提高军工类用钢的焊接性能，包括航母用钢及军用舰艇、装甲等钢材。(8)大型H型钢等型材、轴承钢等线棒材、铸锻件等特钢通过夹杂物的充分细化，可提高其综合性能。

最新研究成果(6)特厚钢板最新研究成果

原料

压缩比

综合分析

特厚规格板坯4-6坯厚增加，双鼓变形道次增加，变形渗透更加困难，中心偏析、疏松、裂纹、夹杂等缺陷不能被有效减弱或消除，相反还会更加恶化心部性能双坯焊接复合特厚板坯4-6中心偏析、疏松、裂纹、夹杂等缺陷被转移到坯料的1/4处，有利于变形渗透并改善钢板心部组织性能，但需要增加设备改造的额外投资传统规格板坯2-3坯厚减薄，有利于变形渗透和心部质量性能的改善，无额外投资，但总变形量严重不足，需探讨能够保证使用性能的低压缩比特厚板制造新技术

问题的提出：随连铸坯技术的进步，逐渐形成以连铸板坯取代传统铸钢锭生产特厚板的趋势，而随着板厚规格的增加，从满足压缩比的角度考虑，又出现了连铸坯厚度不断增大的趋势。几种主要特厚板生产工艺存在的问题如下：

最新研究成果原料压缩比综合分析新思路—控制析出+控制冷却受大线能量焊接热影响区组织的细化是在高温、无变形、慢冷条件下形成的事实启发，提出将这种组织应用于低压缩比特厚板制造的新思路：控制析出+控制冷却。具体措施：弱化或完全取消奥氏体未再结晶区轧制，将几乎全部变形量用于高温区的铸坯缺陷消除，达到将有效压缩比由大约2-3提高到约4-6的相同效果；同时通过奥氏体形态和轧后冷却过程的精细控制，促成微细第二相粒子诱导的晶内铁素体或多位向贝氏体在线生成，以保障特厚板的综合使用性能并兼备大线能量焊接性能。可适用于无法充分发挥TMCP工艺优势的钢材工业生产。小的奥氏体晶粒奥氏体形变硬化奥氏体析出第二相（再结晶）（应变累积）（氧化物冶金技术）铁素体形核率增加冷却速度增大（快速冷却技术）（铁素体相变驱动力增加）新思路

最新研究成果新思路—控制析出+控制冷却受大线能量焊接热影响区组织的细化是（a）传统钢（b）开发钢增加氧化物质点能够有效细化铸态晶粒有氧化钛类夹杂物

无氧化钛类夹杂物高Mn钢连铸坯微观组织

采用“氧化物冶金”原理，将本属于有害的夹杂物经有利化处理后，生成高温下稳定的微细氧化物或复合夹杂物粒子并使这些第二相粒子成为凝固过程中二次析出粒子和钢液凝固的形核质点，缩小枝晶间距，降低元素偏析，细化铸坯原始晶粒组织。能够在连铸坯、大型铸件工业生产中得到应用。

最新研究成果-铸态组织改善（a）传统钢（b）开发钢增加氧化物质点能够有效谢谢大家！谢谢大家！

安徽工业大学冶金工程学院2015年10月莱钢-安徽工业大学技术交流大线能量焊接用钢的现状与发展安徽工业大学冶金工程学院2015年10月莱钢-安徽主要内容1大线能量焊接用钢的研究现状2大线能量焊接用钢的技术特征3实验室研究情况介绍4工业应用结果5结语主要内容1大线能量焊接用钢的研究现状焊缝金属焊接过程中融合线附近的温度分布焊接线能量（焊接热输入）为：Q=I×E/ν

（kJ/cm）I焊接电流(A)、E电弧电压(V)、ν焊接速度

(cm/s)，一般地将能够承受线能量超过50kJ/cm的钢材称为大线能量焊接用钢。

大线能量焊接用钢的定义焊缝金属焊接过程中融合线附近的温度分布焊接线能量（焊接热输入大热输入焊接的关键问题—组织脆化

由于焊接热输入的增大，焊接热影响区高温停留时间变长，奥氏体晶粒严重粗化；且由于焊后冷却速度缓慢，在随后的相变过程中容易形成粗大的侧板条铁素体、魏氏组织、上贝氏体等异常组织，M-A岛数量增加且粗大，使焊接热影响区强度和韧性严重恶化，并容易产生裂纹等缺陷，影响整体结构件的安全使用性能。焊枪及焊丝保护气背衬材料铜滑块钢板气电立焊示意图大热输入焊接的关键问题—组织脆化由于焊接热输入造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%，由于中国目前仍不能生产大线能量焊接用钢，造船效率仅为日本的1/4～1/7。造船厂为提高施工效率和降低成本，已逐步采用更为高效的大线能量焊接方法。建造一艘10万吨级的船，若采用大线能量焊接钢板，可提前3个月完工。而国内现有的船板钢只能够承受50kJ/cm以下的焊接热输入。按照目前现有的船舶设计要求，需要线能量达200~400kJ/cm的船板钢，而目前国内没有供货。焊缝金属的性能可以通过调整焊接材料和焊接工艺来满足要求，而焊接热影响区（HAZ）性能的改善则必须从根本上改变传统钢板本身的固有性能。采用2电极VEGA设备1次焊接，焊接作业时间可缩短1/10.板厚60mm大线能量焊接用钢的技术特征示例船板钢船板焊接造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%，由于中国目1水冷滑块2金属熔池3渣池4焊接电源5焊丝6送丝轮7导电杆8引出板9出水管10金属熔滴11进水管12焊缝13起焊槽21mm50mm普通热输入焊接—手工焊大热输入焊接—电渣焊普通热输入焊接：多道次、生产效率低大热输入焊接：单道次、生产效率高，成本低

手工焊焊缝电渣焊焊缝50mm大线能量焊接用钢的技术特征示例高层建筑用钢1水冷滑块2金属熔池3渣池4焊接电源5焊丝

近年，随着构件的大型化和大跨度化，使用低合金高强钢的下游企业为提高施工效率和降低成本，逐步开始采用更为高效的大线能量焊接方法。目前国内常见的大线能量焊接方法如下：（1）双丝串列埋弧自动焊（2）FCB法多丝埋弧自动单面焊适合9mm～35mm钢板的双面单道焊，焊接线能量范围：9～140kJ/cm适合8mm～35mm钢板的单面焊，焊接线能量范围：40～220kJ/cm1大线能量焊接用钢的研究现状近年，随着构件的大型化和大跨度化，使用低合金高强钢（3）单丝气电自动立焊（4）双丝气电自动立焊

为了适应大线能量焊接技术对钢板的特殊要求，早在90年代日本的新日铁、JFE等钢铁企业先后采用不同的理念，开发出适用于造船、桥梁、高层建筑、海洋结构、储油罐、管线钢等不同强度级别的大线能量焊接用宽厚钢板。其中具有代表性的是超高层建筑用SA440钢板，该钢板的焊接热输入已经达到了1100kJ/cm。适合50mm～80mm钢板，焊接线能量范围：250～680kJ/cm适合9mm～32mm钢板，焊接线能量范围：40～220kJ/cm（3）单丝气电自动立焊（4）双丝气电自动立焊为了适大线能量焊接用钢板的应用领域

船舶

桥梁

高层建筑

海洋结构

石油储罐

球罐大线能量焊接用钢板的应用领域船舶国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司的EH40船板钢的焊接热输入量已经达到680kJ/cm，40至100mm厚度的钢板可实现一道次焊接成形，其焊接效率比传统方法提高数十倍。日本新日铁公司开发的EH40造船钢板，其焊接热输入量能够达到390kJ/cm；日本神户制钢开发出的80mm厚度EH36和EH40钢板，焊接热输入量可达到580kJ/cm；韩国浦项钢厂开发的EH40钢板，焊接热输入能够达到350kJ/cm。造船国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司的EH40船板钢JFE公司用于海洋结构的高强度钢种有7个钢种，耐海水腐蚀钢的焊接热输入能够达到200kJ/cm，生产的屈服强度400MPa级的低温海域用TMCP结构钢，板厚达60mm，其焊接热输入量达到193kJ/cm，-60℃的冲击功最低值大于60J。新日铁开发的屈服强度大于420MPa级的低温海域用TMCP结构钢，钢板的韧脆转变温度为-120℃。经204kJ/cm的单面单道焊接，-60℃的冲击功最低值大于60J。住友金属开发的抗拉强度500MPa级别的海洋结构用钢，焊接热输入量能够达到219kJ/cm。海洋工程北极海域石油平台国外大线能量焊接用钢的研究现状JFE公司用于海洋结构的高强度钢种有7个钢种，耐海水腐蚀钢的日本JFE公司开发的MAC355-AD，SA440-E建筑用钢，其焊接热输入量能够达到1100kJ/cm以上；日本新日铁开发的BT-HT440C-HF钢板，焊接热输入量能够达到1000kJ/cm；日本神户制钢开发的SA440钢板最大焊接热输入量为990kJ/cm；抗拉强度为780MPa级别的建筑用钢，焊接热输入能够达到400kJ/cm；住友金属开发的抗拉强度大于590MPa的建筑用钢HT590焊接热输入量达到980kJ/cm。日本新丸内，楼高198m。高层建筑国外大线能量焊接用钢的研究现状日本JFE公司开发的MAC355-AD，SA440-E建筑用日本采用多位向贝氏体技术开发的780MPa级高层建筑用钢开发钢与传统钢的力学性能对比400kJ/cm焊接热输入后的冲击功优点：屈强比降低，焊接免预热，焊接热输入为传统钢的8倍。开发钢传统钢标准日本采用多位向贝氏体技术开发的780MPa级神户制钢开发的抗拉强度大于490MPa的桥梁钢，不需要进行预热而实现焊接，焊接热输入量达到350kJ/cm。2002年开发的抗拉强度为≥490MPa的桥梁钢，焊接热输入量能够达到114kJ/cm，还同时具有良好的耐腐蚀性能，所建成的桥梁可以实现无需做另外的防腐处理；且开发的抗拉强度大于570MPa的桥梁用钢BHS500，焊接热输入量达到150kJ/cm；JFE公司生产的抗拉强度570MPa级的桥梁钢可承受240kJ/cm的焊接热输入；

新日铁公司开发的BHS500桥梁用钢，焊接热输入量可达到100kJ/cm。桥梁日本明石海峡大桥国外大线能量焊接用钢的研究现状神户制钢开发的抗拉强度大于490MPa的桥梁钢，不需要进行预储油罐、压力容器与管线日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造方面也广泛使用大热输入焊接用钢，在高强度管线钢X60～X80等也已经实现大热输入焊接。日本新日铁、JEF、住友等几大钢铁公司均能够生产焊接热输入达400kJ/cm的石油储罐钢板，而供给我国的石油储罐焊接热输入只达到100kJ/cm。此外，日本在水电、核电、石油化工等行业的压力容器制造领域已经开始广泛使用大热输入焊接用钢。国外大线能量焊接用钢的研究现状储油罐、压力容器与管线日本在水电、核电、石油化工等行业的压力日本新日铁HTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种日本新日铁HTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种新日铁HTUFF

技术生产的大线能量焊接用钢产量统计国外大线能量焊接用钢的研究现状新日铁HTUFF技术生产的大线能量焊接用钢产量统计国外大线类别国外国内公司名称牌号或主要性能最高热输入kJ/cm目前国内的正火或TMCP钢板焊接热输入≤50kJ/cm,达到100kJ/cm的钢板仅有石油储罐和造船板两个钢种船舶JFE公司EH40不预热680新日铁EH40不预热390浦项EH40不预热350海洋平台JFE公司Rel＞420MPa,保证焊接接头-40℃的CTOD和DWT,采用Super-OLAC工艺200新日铁Rel＞420MPa韧脆转变温度-120℃;YS500焊接接头-10℃的CTOD远高于标准;采用TMCP或DQ-T工艺204住友金属Rm＞500MPa，采用TMCP219桥梁神户制钢Rm＞490MPa,不预热350管线新日铁X80150高层建筑JFE、新日铁、神户制钢、住友金属440MPa、590MPa1100

电渣焊HAZ性能多不合格大线能量焊接用钢国内外对比类别国外国内公司名称牌号或主要性能最高热输入kJ/cm目前国日本大热输入焊接用钢的生产技术——氧化物冶金技术使钢中形成纳米级Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子，细化奥氏体晶粒的同时利用这些氧化物作为晶内针状铁素体的形核点，提高大热输入焊接CGHAZ的韧性。JFE公司采用的是自己研发的“JFEEWEL”技术：神户制钢早期采用的是称为“神户超韧化技术”即“KST”技术并结合TMCP的精确控制来生产大热输入焊接用钢，而目前采用的是在原有技术基础上又引入新手段的“低碳多方位贝氏体”技术。新日铁的“HTUFF”技术：即控制O、S、Ca的原子浓度比，并控制硫化物形态。(atomicconcentrationratio，简称ACR)

日本大线能量焊接用钢生产技术简介但是，日本各钢铁公司有关大线能量焊接用钢的信息披露大多只限于说明应用效果，而对其理论与技术细节却很少涉及，甚至会看到些带误导性的报道。日本大热输入焊接用钢的生产技术——氧化物冶金技术使钢中形成纳日本的大线能量焊接用钢广泛应用于多个领域，最高热输入水平达1000kJ/cm；而我国的大线能量焊接用钢的最高热输入水平为100kJ/cm，且仅应用于石油储罐和造船这两个领域，其它应用领域的钢种热输入水平仅为50kJ/cm。在造船钢板、海洋工程、桥梁、高层建筑、管线、水电、核电、石油化工容器等许多急需大线能量焊接性能的品种钢，目前尚无应用业绩报道。造成这巨大差异的原因是我国还没有掌握生产大线能量焊接用钢的工艺控制技术。这种技术一直被国外垄断并实现严格的技术封锁，国内企业至今还没有掌握其核心工艺控制技术而实现工业化生产。大线能量焊接用钢国内外现状

打破传统的TiN机制，引入“氧化物冶金”新概念，利用热稳定性好的高熔点氧化物，采用新型工艺控制方法使钢中的夹杂物破碎细化。从而在大输入焊接热循环过程中钉扎奥氏体晶粒并促进形成大量针状铁素体或贝氏体，细化HAZ组织提高韧性。开发策略使夹杂物变害为利新工艺日本的大线能量焊接用钢广泛应用于多个领域，

晶内无夹杂物晶内有夹杂物改变晶界组织晶界无铁素体存在块状多边形铁素体抑制γ晶粒长大提高HAZ韧性机理通过控制钢中夹杂物的类型、尺寸、数量来控制HAZ相变组织提高钢板焊接性能的途径晶内无夹杂物晶传统钢大热输入焊接用钢焊缝金属焊缝金属焊缝金属针状铁素体能够抑制裂纹传播、增强抗裂纹传播的能力。a：贝氏体组织

b：针状铁素体提高钢板大线能量焊接性能的途径传统钢大热输入焊缝金属焊缝金属焊缝金属针状铁素体能够抑制裂纹晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界形核连续推进的铁素体晶粒的位向完全不一样，由此可明显抑制非等轴铁素体晶粒的形成及定向长大；晶内针状铁素体的形成增加了铁素体的体积分数，使铁素体晶粒细化的同时形状和分布趋于更加合理；使钢材在塑、韧性不降低的情况下得到有效强化；韧性较高的晶内针状铁素体完全包围了传统意义上属于有害的非金属夹杂物粒子，使夹杂物对钢材塑、韧性和疲劳性能等的损害程度显著降低甚至消除；钢中第二相，包括传统意义上的夹杂物微细化及其形状和分布状态的有效控制是未来钢铁材料科学与技术发展的重要方向。晶内针状铁素体在未来钢铁材料研究开发中的作用晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界形核连续推进的晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系只有当HAZ组织中的针状铁素体含量达到50％以上时，焊接热影响区才会显现出良好的低温韧性晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系只有当HAZ组织中的针HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响HAZ部位奥氏体晶粒细小有利于提高韧性HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响HAZ部位奥氏体晶粒细小PT1350℃PT1400℃利用TiN机理生产的大线能量焊接用钢，当温度达到1300℃时，HAZ区域约50%的TiN质点会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用；当温度达到1400℃时，在靠近熔合线部位，约88%的TiN质点会发生溶解。当焊接线能量＞100kJ/cm后，HAZ区域的TiN质点的分解将更加严重，最终导致TiN质点失去钉扎作用，造成HAZ韧性的大幅度下降。

TiN粒子在靠近熔合线处温度达到1400℃溶解，失去形核作用；并且弱化钉扎奥氏体晶界作用，使奥氏体晶粒长大。PT1350℃PT1400℃利用TiN机氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比

在靠近熔合线温度达1400℃时，TiN机理改善HAZ韧性的效果降低，Ti的氧化物在此高温区域发挥作用，改善韧性。氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比在靠近熔合线温●

良好的热稳定性（在1400℃左右高温下不发生溶解或长大）●微细夹杂物粒径的有效范围（阻止奥氏体晶粒粗大并促进晶内铁素体生成）●合理的体积分率（足够数量的微细夹杂物，并满足钢的纯净度要求）●能够在钢中均匀、弥散分布微细第二相粒子的选择原则●根据热力学计算夹杂物粒子的形核率可得到从大到小分别为MgO＞CaO＞SiO2＞Ti2O3

＞Al2O3

＞MnO●根据LWS理论计算的理论粒子半径随时间变化从小到大分别为MgO＜CaO＜

Al2O3

＜

Ti2O3

＜

SiO2

＜

MnO如何选择合适的微细第二相粒子类型●良好的热稳定性微细第二相粒子的选择原则●根据热力学计算夹利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生成●铁素体容易在奥氏体内非金属夹杂物处形核●夹杂物周围溶质贫乏区促进铁素体形核●夹杂物与铁素体的晶格错排度小，造成在低能量界面上优先形核●非金属夹杂物作为惰性介质表面，有利于铁素体形核●在一次铁素体与奥氏体的高能界面上生成二次铁素体以夹杂物为核形成的针状铁素体组织IAF夹杂物IAF利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生成●铁素体容易在奥

Mn是奥氏体稳定元素，在γ铁中Mn的扩散速度比S小，且Mn3+离子半径和Ti3+相近，(Ti,Mn)2O3颗粒从铁基中吸收锰原子，造成贫Mn区的存在，使A3温度上升，增加了铁素体形核的化学自由能。

贫Mn区的宽度和深度取决于S的含量，还与Si、Al等其它元素有关，MnS的尺寸也会对IGF形核产生影响。能够作为IAF的形核质点的夹杂物类型有多种。

测试点与界面距离(nm)浓度（wt%）Mn晶内针状铁素体形核机理之一溶质贫乏区AFMn是奥氏体稳定元素，在γ铁中Mn的扩散速度比S小，且Mn用高温激光显微镜观察到的针状铁素体形成过程用高温激光显微镜观察到的针状铁素体形成过程大线能量焊接用钢开发的难点大线能量焊接用钢开发的难点

夹杂物OM统计结果A钢为传统冶炼方法，即采用钢厂现行的合金化方法，不严格控制合金添加顺序和添加时机；B钢在冶炼过程中，采用新工艺，控制添加各合金的添加顺序和添加时机。3实验室夹杂物的控制研究结果A钢1225个/mm2B钢4256个/mm2两炉钢主要化学成分相同夹杂物OM统计结果A钢为传统冶炼方法，即采用钢厂现行的合金

萃取复型试样的夹杂物形貌

B钢中的TiN粒子数量约为A钢的4倍，且B钢中大于0.5μm的TiN粒子并未发现，A钢中却存在大量尺寸大于0.5μm甚至大于1μm的TiN粒子。

两炉钢TiN对比结果实验室夹杂物的控制研究结果两炉钢含TiN夹杂物对比结果萃取复型试样的夹杂物形貌B钢中的TiN粒子数量A钢B钢两炉钢的夹杂物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM统计结果2346个/mm283个/mm25362个/mm2482个/mm2两炉钢含TiOx夹杂物对比结果采用新工艺冶炼的B钢，含Ti氧化物的夹杂物数量高于A钢10倍以上。实验室夹杂物的控制研究结果A钢B钢两炉钢的夹杂物SEM形貌示例含Ti氧化物SEM统计结A钢中大尺寸夹杂物SEM结果TiN(b)6.7μm5μm16.5μm10μm(a)实验室夹杂物的控制研究结果A钢中大尺寸夹杂物SEM结果TiN(b)6.7μm5μm16(a)3.1μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物的控制研究结果(a)3.1μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物(b)2.9μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物的控制研究结果(b)2.9μm3μmB钢中夹杂物SEM结果示例实验室夹杂物编号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)12014003199263，198，214(225)(b)50014003550163，170，203(179)(c)800140030730185，196，167(183)50μmIAF

IPFGBF(a)GBFIPF

IAF(b)

IPFGBFIAF(c)GranularBainiticFerrite(GBF)IntraGranularFerrite(IGF)IntraPolygonalFerrite(IPF)IntraAcicularFerrite(IAF）新工艺钢板大线能量焊接后的组织与性能

焊接热输入对试验钢组织性能的影响实验室研究结果编号热输入峰值温度停留时间t8/5Akv(-20℃)(a)传统钢大热输入焊接热模拟结果(a)粗大γ与板片状GBF;(b)粗大γ与贝氏体，γ尺寸>1mm;(c)粗大GBF、贝氏体与侧板条铁素体编号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J(a)100140011384(b)100140011386(c)100140011385(b)100μm(c)100μm100μm(a)传统钢大线能量焊接后的组织与性能

3实验室研究结果传统钢大热输入焊接热模拟结果(a)粗大γ与板片状GBF;(a)、(c)传统钢(b)、(d)新工艺钢裂纹(c)20μm20μm裂纹C1C2C3C4(d)20μm(a)50μm(b)50μm传统钢与工业试制钢HAZ区组织抵抗裂纹传播形貌对比(a)、(c)传统钢(b)、(d)新工2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2μm(a)(b)(c)夹杂物A、B尺寸分别为520nm、600nm；夹杂物C尺寸为450nm，位于GBF晶粒内；夹杂物D为尺寸为1.5μm，位于GBF晶粒边界；夹杂物E尺寸为1.9μm，GBF在长大到此夹杂物时，因受到阻碍而发生了晶界弯曲，并没有将夹杂物包覆在GBF晶粒内。γ晶界处的夹杂物与组织形貌3实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响2μmGBFE4μm2μmGBFCD4μm1μmGBFAB2夹杂物A尺寸1.2μm；夹杂物B尺寸为2.3μm；夹杂物C尺寸为1.4μm。1μmAα2α12μm4μmCα1

α4α3α28μm2μmBα4α3

α2α1α54μm(a)(b)(c)γ晶粒内的夹杂物与组织形貌图C中α3，α4为二次晶内铁素体(SecondaryintragranularFerrite)3实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响IAF的形成不仅与夹杂物的类型和尺寸有关，还与夹杂物组成结构有关。夹杂物A尺寸1.2μm；1μmAα2α12μm4(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于5μm的复合夹杂物与IGF形核OM形貌A和B为较大尺寸(3～5μm)夹杂物；C、D、E为中等尺寸(1～3μm)夹杂物；F、G、H，为小尺寸(小于1μm)夹杂物。夹杂物越细小HAZ韧性越好。

3.实验室研究结果夹杂物对铁素体形核的影响(b)B(d)E(f)H(a)A(e)FG(c)CD尺寸小于4工业应用结果1、第五代原油储罐用钢

新工艺钢板各项力学性能匹配合理，全厚度规格钢板屈强比小于0.9；焊接热输入可达到400kJ/cm，针状铁素体含量达80％以上；合金成本比原成分节省约300元/吨钢。已通过中石化十建焊接检测，可满足15万m3及以上储罐要求；中科院金属所耐H2S腐蚀性能检测；湖南省科技鉴定。已对国家战略石油储备工程批量供货，获2013年冶金科学技术奖二等奖。2、造船用钢板

工业生产的TMCP态70mm的EH36、EH40钢板具有良好的大线能量焊接性能，模拟焊接热输入可稳定达到800kJ/cm；钢板送中船造船厂进行实际焊接热输入达到400kJ/cm以上，满足船舶焊接设计的需求。3、压力容器用钢板提高压力容器用钢板的焊接性能，包括石油化工、水电、核电用钢。4工业应用结果1、第五代原油储罐用钢新工艺类别钢板号板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%Akv(-20℃)/J钢厂原钢板30200326357150.8923269试制钢52200325606450.8725278工业应用结果类别钢板号热输入/kJ·cm-1峰值温度/℃停留时间/st8/5/sAkv(-20℃)/J钢厂原钢板30200100130011389，17，16125130012159，17，14400140033269，3，6试制钢5220010013001138201，179，12112513001215217，218，19040014003326174，183，152原钢板

试制钢第五代原油储罐用钢类别钢板号板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%A类别板厚mm热输入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J非试制钢40196WM103,107,115FL12,8,10FL+1mm20,47,36试制钢40202WM118,120,125FL100,90,101FL+1mm155,173,175(a)非试制钢(b)试制钢两种钢板气电立焊金相组织工业应用结果(b)(a)原工艺钢板的HAZ组织粗大；新工艺钢板的HAZ组织细小。气电立焊结果第五代原油储罐用钢类别板厚mm热输入kJ/cm缺口位置Akv(-20℃)J湘钢储油罐气电立焊焊接接头金相组织(200kJ/cm)(500X)工业应用结果第五代原油储罐用钢湘钢储油罐气电立焊焊接接头金相组织(200kJ/cm)(热输入kJ/cm峰值温度℃停留时间st8/5s-20℃AkvJ10014001138287,225,17420014001215267,168,22630014003309262,119,25940014003325231,232,24350014005550196,207,209800140030730217,145,198焊接热模拟结果300kJ/cm400kJ/cm焊接热模拟金相组织(100X)工业应用结果造船用钢板EH40热输入