大線能量鋼板EH40軋制工藝和焊接性能研究

王納，張宇，麻晗，秦亞飛

大線能量鋼板EH40軋制工藝和焊接性能研究

王納，張宇，麻晗，秦亞飛

（江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司，江蘇 張家港 215625）

試制16、35和70 mm厚超大線能量焊接鋼板EH40。基于“新一代氧化物冶金技術”路線進行成分設計，通過研究連續相轉變行為制定軋制工藝，最后測試試制板的微觀組織、力學性能和焊接性能。試制板組織為鐵素體加少量珠光體，抗拉強度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J。焊接熱模擬結果表明，線能量為100～400 kJ/cm時，模擬CGHAZ在?40 ℃下的沖擊吸收能量≥56 J。分別采用三絲埋弧焊和氣電立焊單道次焊透35 mm厚板，線能量>300 kJ/cm，焊接接頭的抗拉強度≥520 MPa，焊接熱影響區在?40 ℃下的沖擊吸收能量≥79 J。試制板EH40可滿足超大線能量的焊接要求。

連續冷卻相轉變；沖擊性能；EH40；焊接性能

焊接線能量或者熱輸入量，用于表征焊接過程中引入的熱量，數值越大，表明引入的熱量越大。常用的焊接方法，比如手工電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊接等，其線能量通常在10～50 kJ/cm之間。大線能量焊接，通常是指線能量在100～300 kJ/cm之間，可單道次完成厚度35 mm及以下鋼板的焊接。當前船舶制造企業廣泛采用的FCB焊接方法，即三絲埋弧焊，可實現20～35 mm鋼板的單道次焊接成型，焊接線能量150～300 kJ/cm。對于35 mm厚普通鋼板，采用線能量40 kJ/cm約需焊接15道次，而采用熱輸入量為300 kJ/cm的FCB方法可單道次完成焊接，焊接效率提高數十倍[1-4]。

針對如何通過改善鋼板性能而改善焊接接頭的沖擊性能，尤其是熱影響區的沖擊性能，國內外相繼開展了大量的研究工作，日本制鐵開發了HTUFF技術，通過在鋼中加入適當的Mg或Ca生成均勻彌散分布且熱穩定性好的氧化物或硫化物微細粒子，抑制HAZ奧氏體晶粒的長大，實現良好的HAZ韌性。寶鋼開發了ETISD技術，利用強脫氧劑進行鋼液脫氧，有效地控制鋼中微米級夾雜物和納米級析出物，在大線能量焊接過程中，選擇性地利用微米級夾雜物促進IAF的形成，或者利用納米級析出物抑制奧氏體晶粒的長大。沙鋼開發了SHTT技術，組合運用焊接熔合線旁奧氏體粗大化抑制、奧氏體晶粒內部微細化組織控制，以及脆性斷裂組元M-A島的抑制等關鍵技術，開發鋼板在大線能量焊接條件下，焊接熱影響區的低溫韌性可滿足?20 ℃沖擊功要求。該技術可進一步將鋼板的焊接線能量從200 kJ/cm提高到300 kJ/cm左右的水平，SHTT技術主要包括的內容：焊接熔合線旁粗大化抑制；晶粒內部微細化組織控制；脆性斷裂組元M?A島的抑制[5-6]。

沙鋼基于SHTT技術開發的不同規格EH40船板力學性能符合船規要求，焊接熱影響區表現出優異的低溫沖擊韌性。

1 試驗方法

鋼板成分設計采用SHTT技術路線，使用180 t轉爐冶煉成320 mm厚連鑄坯，化學成分如表1，之后在寬厚板5 m軋機上進行軋制，得到成品鋼板。試樣經磨制、拋光、4%硝酸酒精侵蝕后用光學顯微鏡觀察鋼板組織。

軋制鋼板拉伸性能測試采用M12尺寸的試樣，在250 kN拉伸試驗機（Instron 5585）上進行。沖擊試驗在450 J（IMP450Jdynatup，Instron）試驗機上進行，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。維氏硬度測試采用10 kg載荷。

連續冷卻轉變（CCT）試驗在Gleeble 3800熱模擬試驗機上進行，具體參數為：以10 ℃/s的速度加熱到1 150 ℃并保溫2 min；以10 ℃/s的速度冷卻到900 ℃，保溫3 s后進行壓縮，壓下量50%，變形速率為1 s?1。保溫3 s后以不同冷卻速度冷至室溫。

焊接性能通過焊接粗晶區（CGHAZ）熱模擬、FCB和EGW來評價，CGHAZ熱模擬試驗在Gleeble 3 800熱模擬試驗機上進行，試樣尺寸為10 mm× 10 mm×76 mm，具體參數為：試樣加熱速率為180 ℃/s，峰值溫度為1 450 ℃（保溫3 s），采用Rykalin 2D模型，焊接熱輸入包括100、150、200、300 kJ/cm。

焊接試驗采用FCB和EGW分別對35 mm厚試制鋼板進行單道次單面焊接，坡口見圖1，FCB焊材選用“US-36（焊絲）+PF-I55E（焊劑）”，EGW焊絲選用SC-EG50，無焊前預熱與焊后熱處理，焊接參數見表2。取焊道中部焊接接頭，經過磨制、拋光和硝酸酒精侵蝕后用光學顯微鏡觀察低倍形貌及金相組織，并取樣進行力學性能試驗。

表1 試驗鋼主要化學成分

Tab.1 Chemical composition of the tested steels wt.%

圖1 試制鋼板焊接坡口形式

表2 焊接參數

Tab.2 Welding parameters

2 軋制工藝制定

圖2示出了在900 ℃變形量為50%時，不同冷卻速度對相轉變組織的影響。由圖2看出，當冷速≤7 ℃/s時，得到鐵素體（F）和珠光體（P）；隨著冷速增加，貝氏體（B）含量增加，當冷速≥15 ℃/s時，得到100% B。此外，隨著冷速增加，硬度值也從HV138增加到HV216。通過測量熱膨脹曲線數據及觀察組織繪制了CCT圖（圖3），冷速為1～20 ℃/s時，相轉變開始溫度和結束溫度分別為710～609 ℃和502～640 ℃。

根據船級社規范規定，EH40鋼抗拉強度≥510 MPa，依據經驗公式m=3.734×HV?99.8[7]，得出硬度≥163。故當冷速達到5 ℃/s時，可確保鋼板足夠的強度，為保證鋼板韌性優良，組織需帶有一定比例F和P[8-10]，因此冷速還需滿足≤15 ℃/s。

3 軋制鋼板組織和性能

3.1 軋板試制工藝

采用以上軋制工藝路徑，進行了16、35、70 mm 3種厚度規格的鋼板軋制，實際軋制工藝見表3，隨著成品板厚增加，待溫厚度增加，精軋溫度減小，而終冷溫度降低，板厚為70 mm時，終冷溫度為580 ℃。

圖2 試制鋼板不同冷速下的顯微組織

圖3 試制鋼板CCT曲線

3.2 軋板組織

圖4為試制鋼板的顯微組織，16 mm出現了過冷現象，因此B含量比例高，F和P含量比例低，35和70 mm厚鋼板組織以“F+少量P”為主，B含量較少，因/2（表示厚度）處冷速相對/4處慢[11]，故/2處組織偏大。

3.3 軋板力學性能

表4列出了軋制鋼板的力學性能，其屈服強度≥381 MPa，抗拉強度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J，強度和沖擊性能均滿足GB/T 714—2008要求。16 mm厚鋼強度最高，沖擊值最低，這和其組織類型相對應，但力學性能仍滿足規范要求，可見此成分軋制工藝窗口較寬。/2處強度比/4處略低，這是因為/2處組織粗大所導致，這也是控軋控冷鋼板組織的典型特征，圖5為落錘實驗樣品的形貌，可知3種規格的鋼板在溫度為?65 ℃時出現斷裂，展現了良好的止裂性能。

表3 熱軋工藝參數

Tab.3 Hot rolling parameters

圖4 試制鋼板軋后顯微組織

表4 試制鋼板軋后力學性能

Tab.4 Mechanical properties of the trial-produced steel plates after hot rolling

圖5 落錘實驗樣品形貌

3.4 軋板焊接性能

3.4.1 焊接熱模擬性能

圖6列出了試制鋼板的模擬焊接性能結果。結果表明，并不是熱輸入越低，沖擊吸收功越高[12-15]，熱輸入量為100～400 kJ/cm時，模擬CGHAZ的?40 ℃的沖擊吸收能量≥56 J，熱輸入為300 kJ/cm時，沖擊值達到最高。

圖6 焊接模擬后CGHAZ的沖擊性能

圖7列出了上述模擬CGHAZ的典型微觀組織。在熱輸入量為≤150 kJ/cm時，模擬CGHAZ以B為主；在熱輸入為300 kJ/cm時，晶界鐵素體（GBF）開始粗化，晶內出現針狀鐵素體（AF）和多邊形鐵素體（PF）[16-18]；當熱輸入量增加到400 kJ/cm時，GBF粗化嚴重，損害了沖擊性能。

3.4.2 焊接接頭

圖8和圖9分別為FCB和EGW焊接接頭的橫截面低倍和熱影響區組織。低倍檢驗和探傷檢驗未發現氣孔、裂紋和夾渣等缺陷，焊接接頭成形良好，CGHAZ組織主要為“GBF+PF+AF”。圖8中GBF尺寸和熱模擬300 kJ/cm的GBF尺寸相當，與圖8相比，圖9中GBF尺寸偏小，EGW的熱輸入量（319 kJ/cm）大于FCB（303 kJ/cm），但因焊接過程中EGW有水冷銅塊的作用，導致高溫停留時間變短[19-21]，因此EGW的GBF尺寸偏小。

表5為焊接接頭力學性能，EGW焊接接頭抗拉強度高于FCB接頭強度，兩者均斷裂在母材位置，FCB焊接熱影響區?40 ℃沖擊吸收能量≥79 J，EGW焊接熱影響區?40 ℃沖擊吸收能量≥109 J。

圖10給出了沖擊值為119 J的熔合線（FL）位置的沖擊斷口典型形貌，沖擊缺口覆蓋焊縫（WM）、FL和CGHAZ 3個區域，FL兩側的WM和CGHAZ兩個區域都呈現韌性斷裂特征，韌窩大小和深淺不一，揭示了良好的沖擊性能[22-26]。

圖7 不同熱輸入焊接熱模擬的CGHAZ顯微組織

圖8 FCB焊接接頭橫截面形貌和CGHAZ顯微組織

圖9 EGW焊接接頭橫截面形貌和CGHAZ顯微組織

表5 焊接接頭力學性能

Tab.5 Mechanical properties of the welded joints

圖10 FL位置沖擊斷口形貌

4 結論

1）試制了16、35、70 mm厚度的超大線能量船板鋼EH40，鋼板組織為鐵素體加少量珠光體，屈服強度≥381 MPa，抗拉強度≥521 MPa，伸長率≥22%，?40 ℃沖擊吸收能量≥167 J，滿足GB/T 714—2008要求。

2）對試制鋼板進行了焊接熱模擬測試，焊接線能量100～400 kJ/cm時，模擬熱影響區的?40 ℃的沖擊吸收能量≥56 J；對35 mm厚度鋼板進行了三絲埋弧焊和氣電立焊，熱輸入>300 kJ/cm，焊接接頭的抗拉強度≥520 MPa，熱影響區?40 ℃沖擊吸收能量≥79 J。

[1] TERADA Y, KOJIMA A, KIYOSEI A, et al. High-strength Linepipes with Excellent HAZ Toughness [J]. Nippon Steel Technical Report, 2004, 90(7): 88-93.

[2] SUZUKI S, ICHIMIYA K, AKITA T. High Tensile Strength Steel Plates with Excellent HAZ Toughness for Shipbuilding: JFE EWEL Technology for Excellent Quality in HAZ of High Heat Inputwelded Joints [J]. JFE Technical Report, 2005, 5(5): 24-29.

[3] ZHANG Yu, PAN Xin, XIE Jiang-chang. Development of 610 MPa Grade Steel Plate with Low Yield Ratio through Thermo-Mechanical Controlled Processing with Accelerated Cooling[C]// Proceedings of the 10th International Conference on Steel Rolling. Beijing, 2010: 214-219.

[4] 朱立光, 孫立根. 氧化物冶金技術及其在船體鋼開發中的應用及展望[J]. 煉鋼, 2017, 33(5): 1-11.

ZHU Li-guang, SUN Li-gen. Application and Prospect for Shipbuilding Steel Development with Oxide Metallurgy Technique[J]. Steelmaking, 2017, 33(5): 1-11.

[5] 張宇陳少慧馬毅. 提高鋼板HAZ韌性“SHTT”技術的開發[N]. 世界金屬導報, 2012-09-11(B05).

[6] 張宇, 王加友, 王納. 新一代氧化物冶金技術開發[N]. 世界金屬導報, 2022-01-18 (04).

ZHANG Yu, WANG Jia-you, WANG Na. Development of New Generation Oxide Metallurgy Technology[N]. World Metals Reports, 2022-01-18 (04).

[7] PAVLINA E J, VAN TYNE C J. Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness for Steels[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2008, 17(6): 888-893.

[8] 李天生, 張宏獻. Nb對高Mo型H13鋼中奧氏體晶粒度的影響[J]. 金屬熱處理, 2018, 43(2): 20-25.

LI Tian-sheng, ZHANG Hong-xian. Effect of Nb on Austenite Grain Size of H13 Steel with High Molybdenum[J]. Heat Treatment of Metals, 2018, 43(2): 20-25.

[9] CALVO J, JUNG I H, ELWAZRI A M, et al. Influence of the Chemical Composition on Transformation Behaviour of Low Carbon Microalloyed Steels[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009, 520(1/2): 90-96.

[10] 黃健, 段琳娜, 劉清友, 等. 添加Mo對高Nb管線鋼組織和CCT曲線的影響[J]. 材料熱處理學報, 2009, 30(5): 96-100.

HUANG Jian, DUAN Lin-na, LIU Qing-you, et al. Effect of Mo Addition on Microstructure and CCT Curves of Nb Microalloyed Pipeline Steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2009, 30(5): 96-100.

[11] OGIBAYASHI S. Advances in Technology of Oxide Metallurgy [J]. Nippon Steel Technical Report, 1994, 61(4): 70-76.

[12] 張亞運, 張宇, 王納, 等. 焊接熱輸入量對Mg處理鋼粗晶熱影響區組織和低溫韌性的影響[J]. 熱加工工藝, 2019, 48(11): 165-168.

ZHANG Ya-yun, ZHANG Yu, WANG Na, et al. Effect of Welding Heat Input on Microstructure and Low Temperature Toughness of Coarse Grain Heat Affected Zone of Mg-Treated Steel[J]. Hot Working Technology, 2019, 48(11): 165-168.

[13] 王超, 婁號南, 王丙興, 等. 合金元素對大線能量焊接用鋼組織性能的影響[J]. 鋼鐵, 2018, 53(6): 85-91.

WANG Chao, LOU Hao-nan, WANG Bing-xing, et al. Effect of Alloying Elements on Microstructure and Properties of High Heat Input Welding Steel[J]. Iron & Steel, 2018, 53(6): 85-91.

[14] ZHANG Yu, LI Xiao-bao, MA Han. Enhancement of Heat-Affected Zone Toughness of a Low Carbon Steel by TiN Particle[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2016, 47(4): 2148-2156.

[15] WANG Yan, ZHU Li-guang, ZHANG Qing-jun, et al. Effect of Mg Treatment on Refining the Microstructure and Improving the Toughness of the Heat-Affected Zone in Shipbuilding Steel[J]. Metals, 2018, 8(8): 616.

[16] GU Cai-hong, ZHAN Kai. Successful Production of High Heat Input Welding Steel EH36-W200 by Sha steel[J]. World Metals Reports, 2018, 8(12): 1.

[17] TAKAHASHI J, KAWAKAMI K, HAMADA J I, et al. Direct Observation of Niobium Segregation to Dislocations in Steel[J]. Acta Materialia, 2016, 107: 415-422.

[18] ZHU Li-guang, WANG Yan, WANG Shuo-ming, et al. Research of Microalloy Elements to Induce Intragranular Acicular Ferrite in Shipbuilding Steel[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2019, 46(6): 499-507.

[19] SIMONDS B J, SOWARDS J W, HADLER J, et al. Dynamic and Absolute Measurements of Laser Coupling Efficiency during Laser Spot Welds[J]. Procedia CIRP, 2018, 74: 632-635.

[20] KOJIMA A, KIYOSE R, UEMORI M, et al. Super High HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles[J]. Nippon Steel Technical Report, 2004, 90(7): 2-6.

[21] GRAJCAR A, MORAWIEC M, Ró?A?SKI M, et al. Twin-Spot Laser Welding of Advanced High-Strength Multiphase Microstructure Steel[J]. Optics & Laser Technology, 2017, 92: 52-61.

[22] OKANO S, KOYAMA T, KOBAYASHI Y, et al. TMCP type HT570 Steel Plates with Excellent Weld Ability[J]. Kobe Steel Engineering Reports, 2002, 52(1): 20-24.

[23] BJORHOVDE R. Development and Use of High Performance Steel[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(3/4/5): 393-400.

[24] PARDAL G, MECO S, DUNN A, et al. Laser Spot Wel-ding of Laser Textured Steel to Aluminium[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 241: 24-35.

[25] 夏佃秀, 尚成嘉, 孫衛華, 等. 低合金高強鋼大熱輸入焊接熱影響區組織性能[J]. 焊接學報, 2011, 32(4): 83-86.

XIA Dian-xiu, SHANG Cheng-jia, SUN Wei-hua, et al. Microstructure and Properties of High Heat Input Welding HAZ of High Strengthen Steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(4): 83-86.

[26] KING J E. Cleavage Initiation in the Intercritically Reheated Coarse-Grained Heat-Affected Zone: Part I[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1994, 25(3): 563-573.

Research on Rolling Process and Welding Properties of EH40 Suitable for Large Heat Input Welding

WANG Na, ZHANG Yu, MA Han, QIN Ya-fei

(Institute of Research of Iron and Steel (IRIS), Shasteel, Jiangsu Zhangjiagang 215625, China)

EH40 steel plates with a thickness of 16, 35 and 70 mm was successfully hot rolled based on new oxide metallurgy route and study of continuous transformation behavior, and thus microstructure, mechanical property and weldability of the rolled plates were examined. The plates consist of ferrite and pearlite, and show a tensile strength ≥ 525 MPa, elongation ≥22% and an impact absorbed energy at ?40 ℃≥ 247 J. The single-pass welding of 35 mm thick test plate was conducted by using FCB and EGW, which has a heat input of >300 kJ/cm. The welded joints exhibit a tensile strength of ≥ 520, and impact absorbed energy at ?40 ℃≥79 J were observed for heat affected zone. The developed steel EH40 is suitable for ultra-large heat input welding.

continuous cooling transformation; impact property; EH40; welding property

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.011

TG142.7

A

1674-6457(2022)10-0078-07

2022-07-28

王納（1985—），女，碩士研究生，主要研究方向為低合金高強鋼板及配套焊接工藝及焊材開發。

張宇（1978—），男，博士，正高級工程師，主要研究方向為先進鋼鐵材料開發。