近年来,造船业的发展及长程货物运输量的增加,对造船用钢板提出了越来越高的要求。建造大容量船只需要有屈服强度达390N/mm2,厚度达65mm或更厚的钢板。对这些厚重钢板的焊接需要采用大线能量输入,线能量超过500KJ/cm。
在大线能量输入焊接过程中,熔融线附近部位被重新加热至超过1400℃的温度,奥氏体晶粒变得非常粗大,在焊接后的冷却过程中,韧性较差的粗大铁素体就会在奥氏体晶界处产生,同时奥氏体晶粒内产生上贝氏体,这些显微组织的变化急剧地降低了焊接节点的韧性。另外,想要用传统控轧控冷(TMCP)方法提高强度,就需要增加碳含量,这也会导致上贝氏体的形成,造成焊接性能和焊接节点韧性下降。
如何解决这一问题,日本JFE钢厂开展了研究,提出所谓“JFEEWEL”技术,其要点是:(1)通过TiN优化来控制熱影响区的晶粒尺寸;(2)通过微合金化和添加元素原子浓度比的控制来控制晶粒内显微组织;(3)通过使用超高冷速(OLAC)技术来进行组织优化。
高温下稳定的TiN,是控制奥氏体晶粒的长大的主要因素。在以往的工艺中,由于TiN在高温下的分解,失去了其控制焊接熔融区奥氏体晶粒长大的效果。为了解决这个问题,必须优化Ti和N的含量以及Ti与N的含量比。在精确的含量控制下,TiN的固溶温度可以从不到1400℃提高到1450℃以上,大大增强了TiN的稳定性。
(Ca,Mn)S类型的非金属杂质是铁素体的形核位置,精确控制O,S和Ca等杂质含量,实现CaS,MnS等微粒的弥散分布,可以形成细小的晶内铁素体,并且抑制上贝氏体的形成,从而提高熱影响区的韧性。
此外,利用适量的B,在γ-α转变过程中生成BN,作为晶内铁素体的形核位置,可以细化铁素体晶粒尺寸,同时可以有效降低钢中自由N的含量,而自由N对钢的韧性是有害的。研究表明,高热输入焊接过程中,熔融金属液中的B会扩散到熱影响区中去,在高热输入焊接之后的冷却过程中析出BN,从而有效提高熱影响区的韧性。通过控制加入到基材中的B元素的量可以使晶内细小铁素体在整个熱影响区内都形成。在焊接过程中热输入越高,焊接后冷却速率越低,B的使用效果就越好,这是JFE-EWEL技术的一大特点。
所谓超高冷速(OLAC)技术,就是将成分优化与理论极限冷速的运用结合起来,最大限度地抑制熱影响区中上贝氏体的产生,来提高韧性。
“JFEEWEL”技术已经成功运用于大型集装箱船只的屈服强度达390N/mm2的重板部分和低温工作的屈服强度达335N/mm2的船体钢板,使这些钢板从基材到高热输入焊接节点都达到优良的性能。
(一员)