大线能量焊接用钢的现状与发展

1、 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）为焊接线能量（焊接热输入）为：Q=IE / （kJ/cm） I焊接电流焊接电流 (A) 、E电弧电压电弧电压 (V)、焊接速度焊接速度 ( cm /s)， 一般地将能够承受线能量一般地将能够承受线能量超过超过50kJ/cm的钢材称为的钢材称为大线能量焊接用钢。大线能量焊接用钢。 大线能量焊接用钢的定义大线能量焊接用钢的定义 大热输入焊接的关键问题组织脆化 由于焊接热输入的由于焊接热输入的 增大，焊接热影响区高增大，焊接热影响区高 温停留时间变长，奥氏温停留时间变长，奥氏 体晶粒严重粗化；且由体晶粒严重粗化；且由 于焊后冷却速度

2、缓慢，于焊后冷却速度缓慢， 在随后的相变过程中容在随后的相变过程中容 易形成粗大的侧板条铁易形成粗大的侧板条铁 素体、魏氏组织、上贝素体、魏氏组织、上贝 氏体等异常组织，氏体等异常组织，M-A 岛数量增加且粗大，使岛数量增加且粗大，使 焊接热影响区强度和韧焊接热影响区强度和韧 性严重恶化，并容易产性严重恶化，并容易产 生裂纹等缺陷，影响整生裂纹等缺陷，影响整 体结构件的安全使用性体结构件的安全使用性 能。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 造船过程中焊接工时约占造船总工时的造船过程中焊接工时约占造船总工时的30%-40%30%-40%，由于中国目前仍不能生产，由

3、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大线能量焊接用钢，造船效率仅为日本的1/41/41/71/7。造船厂为提高施工效率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和降低成本，已逐步采用更为高效的大线能量焊接大线能量焊接方法。建造一艘方法。建造一艘10万吨级万吨级 的船，若采用大线能量焊接钢板，可提前的船，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个月完工。而国内现有的船板钢 只能够承受只能够承受50 kJ/cm以下的焊接热输入。按照目前现有的船舶设计要求，需以下的焊接热输入。按照目前现有的船舶设计要求，需 要线能量达要线能量达200400kJ/

4、cm的船板钢，而目前国内没有供货。的船板钢，而目前国内没有供货。 焊缝金属的性能可以通焊缝金属的性能可以通 过调整焊接材料和焊接过调整焊接材料和焊接 工艺来满足要求，而焊工艺来满足要求，而焊 接热影响区（接热影响区（HAZHAZ）性能）性能 的改善则必须从根本上的改善则必须从根本上 改变传统钢板本身的固改变传统钢板本身的固 有性能。有性能。采用采用2电极电极VEGA设备设备1次焊接，次焊接， 焊接作业时间可缩短焊接作业时间可缩短1/10. 板厚板厚60mm 大线能量焊接用钢的技术特征示例大线能量焊接用钢的技术特征示例 船板钢船板钢 船板焊接船板焊接 1水冷滑块水冷滑块 2金属熔池金属熔池 3渣

5、池渣池 4焊接电源焊接电源 5焊丝焊丝 6送丝送丝 轮轮 7导电杆导电杆 8引出板引出板 9出水管出水管 10金属熔滴金属熔滴 11进进 水管水管 12 焊缝焊缝 13起焊槽起焊槽 21mm 50mm 普通热输入焊接普通热输入焊接手工焊手工焊大热输入焊接大热输入焊接电渣焊电渣焊 普通热输入焊接：多道次、生产效率低普通热输入焊接：多道次、生产效率低 大热输入焊接：单道次、生产效率高，成本低大热输入焊接：单道次、生产效率高，成本低 手工焊焊缝手工焊焊缝 电渣焊焊缝电渣焊焊缝 50mm 大线能量焊接用钢的技术特征示例大线能量焊接用钢的技术特征示例 高层建筑用钢高层建筑用钢 近年，随着构件的大型化和大

6、跨度化，使用低合金高强钢的下游企业为近年，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。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目前国内常见的大线能量焊接方法如下：如下： （1 1）双丝串列埋弧自动焊）双丝串列埋弧自动焊（2 2）FCBFCB法多丝埋弧自动单面焊法多丝埋弧自动单面焊 适合适合9mm35mm钢板的双面单道钢板的双面单道 焊，焊接线能量范围：焊，焊接线能量范围：9140kJ/cm 适合适合8mm35mm钢板的单面焊，钢板的单面焊， 焊接线能量范围：焊接

7、线能量范围：40220kJ/cm 1 1 大线能量焊接用钢的研究现状大线能量焊接用钢的研究现状 （3 3）单丝气电自动立焊）单丝气电自动立焊 （4 4）双丝气电自动立焊）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，早在为了适应大线能量焊接技术对钢板的特殊要求，早在9090年代日本的新日年代日本的新日 铁、铁、JFEJFE等钢铁企业先后采用不同的理念，开发出适用于等钢铁企业先后采用不同的理念，开发出适用于造船、桥梁、高层造船、桥梁、高层 建筑、海洋结构、储油罐、管线钢建筑、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等不同强度级别的大线能量焊接用宽厚 钢板。其中具有

8、代表性的是超高层建筑用钢板。其中具有代表性的是超高层建筑用SA440SA440钢板，该钢板的焊接热输入钢板，该钢板的焊接热输入 已经达到了已经达到了1100kJ/cm。 适合适合50mm80mm钢板，焊接线钢板，焊接线 能量范围：能量范围：250680 kJ/cm 适合适合9mm32mm钢板，焊接线钢板，焊接线 能量范围：能量范围：40220 kJ/cm 大线能量焊接用钢板的应用领域大线能量焊接用钢板的应用领域 船舶船舶 桥梁桥梁 高层建筑高层建筑 海洋结构海洋结构 石油储罐石油储罐 球罐球罐 国外大线能量焊接用钢的研究现状国外大线能量焊接用钢的研究现状 日本日本JFEJFE公司公司的的EH4

9、0EH40船板钢的焊接船板钢的焊接 热输入量已经达到热输入量已经达到680kJ/cm680kJ/cm，4040 至至100mm100mm厚度的钢板可实现一道次厚度的钢板可实现一道次 焊接成形，其焊接效率比传统方焊接成形，其焊接效率比传统方 法提高数十倍。法提高数十倍。 日本日本新日铁新日铁公司开发的公司开发的EH40EH40造船造船 钢板，其焊接热输入量能够达到钢板，其焊接热输入量能够达到 390 kJ/cm390 kJ/cm； 日本日本神户制钢神户制钢开发出的开发出的80mm80mm厚度厚度 EH36 EH36 和和EH40EH40钢板，焊接热输入量钢板，焊接热输入量 可达到可达到580kJ

10、/cm580kJ/cm； 韩国韩国浦项浦项钢厂开发的钢厂开发的EH40EH40钢板，钢板， 焊接热输入能够达到焊接热输入能够达到350kJ/cm350kJ/cm。 造船造船 JFEJFE公司公司用于海洋结构的高强度钢种有用于海洋结构的高强度钢种有7 7个个 钢种，耐海水腐蚀钢的焊接热输入能够达钢种，耐海水腐蚀钢的焊接热输入能够达 到到200kJ/cm200kJ/cm，生产的屈服强度，生产的屈服强度400MPa400MPa级的级的 低温海域用低温海域用TMCPTMCP结构钢，板厚达结构钢，板厚达60mm60mm，其，其 焊接热输入量达到焊接热输入量达到193kJ/cm193kJ/cm，-60-6

11、0的冲的冲 击功最低值大于击功最低值大于60J60J。 新日铁新日铁开发的屈服强度大于开发的屈服强度大于420 MPa420 MPa级的级的 低温海域用低温海域用TMCPTMCP结构钢，钢板的韧脆转变结构钢，钢板的韧脆转变 温度为温度为-120-120。经。经204kJ/cm204kJ/cm的单面单道焊的单面单道焊 接，接，-60-60的冲击功最低值大于的冲击功最低值大于60J60J。 住友金属住友金属开发的抗拉强度开发的抗拉强度500 MPa500 MPa级级 别的海洋结构用钢，焊接热输入量别的海洋结构用钢，焊接热输入量 能够达到能够达到219 kJ/cm219 kJ/cm。 海洋工程海洋工

12、程 北极海域石油平台北极海域石油平台 国外大线能量焊接用钢的研究现状国外大线能量焊接用钢的研究现状 日本日本JFEJFE公司公司开发的开发的MAC355-ADMAC355-AD，SA440-SA440- E E建筑用钢，其焊接热输入量能够达到建筑用钢，其焊接热输入量能够达到 1100 kJ/cm1100 kJ/cm以上；以上； 日本日本新日铁新日铁开发的开发的BT-HT440C-HFBT-HT440C-HF钢板，钢板， 焊接热输入量能够达到焊接热输入量能够达到1000 kJ/cm1000 kJ/cm； 日本日本神户制钢神户制钢开发的开发的SA440SA440钢板最大焊钢板最大焊 接热输入量为接

13、热输入量为990 kJ/cm990 kJ/cm；抗拉强度为；抗拉强度为 780MPa780MPa级别的建筑用钢，焊接热输入能级别的建筑用钢，焊接热输入能 够达到够达到400 kJ/cm400 kJ/cm； 住友金属住友金属开发的抗拉强度大于开发的抗拉强度大于590MPa590MPa的的 建筑用钢建筑用钢HT590HT590焊接热输入量达到焊接热输入量达到980 980 kJ/cm kJ/cm 。 日本新丸内，楼高日本新丸内，楼高198m。 高层建筑高层建筑 国外大线能量焊接用钢的研究现状国外大线能量焊接用钢的研究现状 日本采用多位向贝氏体技术开发的日本采用多位向贝氏体技术开发的 780MPa级

14、高层建筑用钢级高层建筑用钢 开发钢与传统钢的力学性能对比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优点：屈强比降低，焊接免预热，焊接热输入为传统钢的8倍。倍。 开发钢开发钢 传统钢传统钢 标准标准 神户制钢神户制钢开发的抗拉强度大于开发的抗拉强度大于490MPa490MPa的的 桥梁钢，桥梁钢，不需要不需要进行进行预热预热而实现而实现焊接焊接， 焊接热输入量达到焊接热输入量达到350 kJ/cm350 kJ/cm。20022002年开年开 发的抗拉强度为发的抗拉强度为490MPa490MPa的桥梁钢

15、，焊的桥梁钢，焊 接热输入量能够达到接热输入量能够达到114kJ/cm114kJ/cm，还同时，还同时 具有良好的耐腐蚀性能，所建成的桥梁具有良好的耐腐蚀性能，所建成的桥梁 可以实现可以实现无需做另外的防腐处理无需做另外的防腐处理；且开；且开 发的抗拉强度大于发的抗拉强度大于570MPa570MPa的桥梁用钢的桥梁用钢 BHS500BHS500，焊接热输入量达到，焊接热输入量达到150kJ/cm150kJ/cm； JFEJFE公司公司生产的抗拉强度生产的抗拉强度 570MPa570MPa级的桥梁钢可承受级的桥梁钢可承受 240kJ/cm240kJ/cm的焊接热输入；的焊接热输入； 新日铁新日铁

16、公司开发的公司开发的BHS500BHS500桥桥 梁用钢，焊接热输入量可达梁用钢，焊接热输入量可达 到到100kJ/cm100kJ/cm。 桥梁桥梁 日本明石海峡大桥日本明石海峡大桥 国外大线能量焊接用钢的研究现状国外大线能量焊接用钢的研究现状 储油罐、压力容器与管线储油罐、压力容器与管线 日本日本在在水电、核电、石水电、核电、石 油化工油化工等行业的压力容等行业的压力容 器制造方面也广泛使用器制造方面也广泛使用 大热输入焊接用钢，在大热输入焊接用钢，在 高强度高强度管线钢管线钢X60 X80等也已经实现大热等也已经实现大热 输入焊接。输入焊接。 日本新日铁、日本新日铁、JEFJEF、住友、住

17、友 等几大钢铁公司均能够生等几大钢铁公司均能够生 产焊接热输入达产焊接热输入达400kJ/cm400kJ/cm 的石油储罐钢板，而供给的石油储罐钢板，而供给 我国的石油储罐焊接热输我国的石油储罐焊接热输 入只达到入只达到100kJ/cm100kJ/cm。 此外，日本在水电、核电、此外，日本在水电、核电、 石油化工等行业的压力容石油化工等行业的压力容 器制造领域已经开始广泛器制造领域已经开始广泛 使用大热输入焊接用钢。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国外大线能量焊接用钢的研究现状 日本新日铁日本新日铁HTUFFHTUFF开发的主要大线能量焊接用钢种开发的主要大线能量焊接用钢

18、种 新日铁新日铁HTUFF 技术生产的大线能量焊接用钢产量统计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国外大线能量焊接用钢的研究现状 类别类别 国外国外国内国内 公司名称公司名称牌号或主要性能牌号或主要性能最高热输入最高热输入kJ/cm 目前国内的目前国内的 正火或正火或TMCP 钢板焊接热输钢板焊接热输 入入50 kJ/cm, 达到达到100kJ/cm 的钢板仅的钢板仅 有石油储有石油储 罐和造船罐和造船 板两个钢板两个钢 种种 船舶船舶 JFE公司公司EH40不预热不预热680 新日铁新日铁EH40不预热不预热390 浦项浦项EH40不预热不预热350 海洋海洋

19、平台平台 JFE公司公司 Rel l420MPa,保证焊接接保证焊接接 头头-40 的的CTOD和和DWT, 采用采用Super-OLAC工艺工艺 200 新日铁新日铁 Rel l420MPa韧脆转变温韧脆转变温 度度-120;YS500焊接接头焊接接头 -10 的的CTOD远高于标远高于标 准准;采用采用TMCP或或DQ-T工工 艺艺 204 住友金属住友金属 Rm500MPa，采用，采用 TMCP 219 桥梁桥梁神户制钢神户制钢Rm490MPa,不预热不预热350 管线管线新日铁新日铁X80150 高层高层 建筑建筑 JFE、新日铁、新日铁、 神户制钢、神户制钢、 住友金属住友金属 44

20、0MPa、590MPa1100 电渣焊电渣焊 HAZ性能性能 多不合格多不合格 大线能量焊接用钢国内外对比大线能量焊接用钢国内外对比 日本大热输入焊接用钢的生产技术日本大热输入焊接用钢的生产技术氧化物冶金技术氧化物冶金技术 使钢中形成纳米级使钢中形成纳米级Ca、Mg的氧化的氧化 物和硫化物粒子，细化奥氏体晶物和硫化物粒子，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，提高大内针状铁素体的形核点，提高大 热输入焊接热输入焊接CGHAZ的韧性。的韧性。 JFE公司采用的是自己研发的公司采用的是自己研发的 “JFE EWEL”技术：技术： 神户制钢神户

21、制钢早期采用的是称为早期采用的是称为 “神户超韧化技术神户超韧化技术”即即“KST” 技术并结合技术并结合TMCP的精确控制的精确控制 来生产大热输入焊接用钢，而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目前采用的是在原有技术基础 上又引入新手段的上又引入新手段的“低碳多方低碳多方 位贝氏体位贝氏体”技术。技术。 新日铁新日铁的的“HTUFF”技术：技术： 即控制即控制O、S、Ca的原子浓的原子浓 度比，并控制硫化物形态。度比，并控制硫化物形态。 (atomic concentration ratio，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

22、焊接用钢的信息披露大多只限于说明应用效果，而但是，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。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；而我国的大线能量焊接用钢的最高热输入水平为100kJ/cm，且，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仅应用于石油储罐和造船这两个领域，其它应用领

23、域的钢种热输入水平仅为 50kJ/cm。在。在造船钢板、海洋工程、桥梁、高层建筑、管线、水电、核电、石造船钢板、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。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

24、工业化生产。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大线能量焊接用钢国内外现状 打破传统的打破传统的TiN机制，机制，利用热稳定性好的高熔点氧化利用热稳定性好的高熔点氧化 物物夹杂物破碎细化夹杂物破碎细化。从而在大输入焊接热循环过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。组织提高韧性。 开发策略开发策略使夹杂物变害为利使夹杂物变害为利 新工艺新工艺 晶内无夹杂物晶内无夹杂物 晶内有夹杂物晶内有夹杂物 改变晶界组织 晶界无铁素体晶界无铁素体 存在块状多边形

25、铁素体存在块状多边形铁素体 抑制晶粒长大 提高HAZ韧性机理 通过控制钢中夹杂物的类型、尺寸、数量来控制通过控制钢中夹杂物的类型、尺寸、数量来控制HAZHAZ相变组织相变组织 提高钢板焊接性能的途径提高钢板焊接性能的途径 传统钢传统钢 大热输入大热输入 焊接用钢焊接用钢 焊缝焊缝 金属金属 焊缝焊缝 金属金属 焊缝焊缝 金属金属 针状铁素体能够抑制裂纹传播、针状铁素体能够抑制裂纹传播、 增强抗裂纹传播的能力。增强抗裂纹传播的能力。 a：贝氏体组织：贝氏体组织 b：针状铁素体：针状铁素体 提高钢板大线能量焊接性能的途径提高钢板大线能量焊接性能的途径 晶内针状铁素体分割了原奥氏体晶粒，其位向与晶界

26、形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；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；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韧性较高的晶内针状铁素体完全包围了传统意义上属

27、于 有害的非金属夹杂物粒子，使夹杂物对钢材塑、韧性和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；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。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在未来钢铁材料研究开发中的作用 晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系晶内针状铁素体含量与韧脆转变温度的关系 只有当只有当HAZHAZ组织中

28、的针状铁素体含量达到组织中的针状铁素体含量达到5050以上以上 时，焊接热影响区才会显现出良好的低温韧性时，焊接热影响区才会显现出良好的低温韧性 HAZ部位奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响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部位奥氏体晶粒细小有利于提高韧性 PT1350 PT1400 PT1350 PT1400 利用利用TiNTiN机理机理生产的大线能量焊接用钢，当温度达到生产的大线能量焊接用钢，当温度达到13001300时，时，HAZHAZ区域约区域约 50%50%的的TiNTiN质点会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用；当温度达到质点会发生溶解而失去抑制晶粒长大的

29、作用；当温度达到14001400 时，在靠近熔合线部位，约时，在靠近熔合线部位，约88%88%的的TiNTiN质点会发生溶解。当焊接线能量质点会发生溶解。当焊接线能量 100kJ/cm100kJ/cm后，后，HAZHAZ区域的区域的TiNTiN质点的分解将更加严重，最终导致质点的分解将更加严重，最终导致TiNTiN质点失质点失 去钉扎作用，造成去钉扎作用，造成HAZHAZ韧性的大幅度下降。韧性的大幅度下降。 TiNTiN粒子在靠近熔合线处温度达到粒子在靠近熔合线处温度达到14001400溶解，失去形核作用；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。并且弱化钉扎奥氏体晶

30、界作用，使奥氏体晶粒长大。 氮化钛与氧化钛改善氮化钛与氧化钛改善HAZ韧性效果的对比韧性效果的对比 在靠近熔合线温度达在靠近熔合线温度达1400时，时，TiN机理改善机理改善HAZ韧性的效韧性的效 果降低，果降低，Ti的氧化物在此高温区域发挥作用，改善韧性。的氧化物在此高温区域发挥作用，改善韧性。 良好的热稳定性良好的热稳定性 （在（在14001400左右高温下不发生溶解或长大）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）（阻止奥氏体晶粒粗大并促进晶内铁素体生成） 合理的体积分率合理的体积分率 （足够数量的微细夹杂物

31、，并满足钢的纯净度要求）（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、弥散分布能够在钢中均匀、弥散分布 微细第二相粒子的选择原则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MgOCaO SiO2 Ti2O3 Al2O3 MnO 根据根据LWS理论计算的理论粒子半径随时间变化从小到大分别为理论计算的理论粒子半径随时间变化从小到大分别为MgOCaO Al2O3 Ti2O3 SiO2 MnO 如何选择合适的微细第二相粒子类型如何选择合适的微细第二相粒子类型 利用夹杂物形核，促进晶内微细针状铁素体生

32、成利用夹杂物形核，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以夹杂物为核形成的针状铁素体组织 IAF夹杂物夹杂物 IAF Mn是奥

33、氏体稳定元素，在是奥氏体稳定元素，在铁中铁中Mn的扩散速度比的扩散速度比S小，且小，且Mn3+离子半径和离子半径和 Ti3+相近，相近，(Ti,Mn)2O3颗粒从铁基中吸收锰原子，造成颗粒从铁基中吸收锰原子，造成贫贫Mn区区的存在，使的存在，使A3 温度上升，增加了铁素体形核的化学自由能。温度上升，增加了铁素体形核的化学自由能。 贫贫Mn区的宽度和深度取决于区的宽度和深度取决于S的含量，还与的含量，还与Si、Al等其它元素有关，等其它元素有关， MnS的的 尺寸也会对尺寸也会对IGF形核产生影响。形核产生影响。 能够作为能够作为 IAF的形核质点的夹杂物类型有多种。的形核质点的夹杂物类型有多种

34、。 测试点与界面距离测试点与界面距离(nm) 浓度（浓度（ wt% ） Mn 晶内针状铁素体形核机理之一晶内针状铁素体形核机理之一 溶质贫乏区溶质贫乏区 AF 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 夹杂物夹杂物OM统计结果统计结果 A钢钢为传统冶炼方法，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；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。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

35、究结果实验室夹杂物的控制研究结果 A钢钢1225个个/mm2 B钢钢4256个个/mm2 两炉钢主要化学成分相同两炉钢主要化学成分相同 萃取复型试样的夹杂物形貌萃取复型试样的夹杂物形貌 B钢中的钢中的TiN粒子数量约为粒子数量约为A钢的钢的 4倍，且倍，且B钢中大于钢中大于0.5m的的TiN粒子粒子 并未发现，并未发现，A钢钢中却存在大量尺寸大中却存在大量尺寸大 于于0.5m甚至甚至大于大于1m的的TiN粒子。粒子。 两炉钢两炉钢TiN对比结果对比结果 实验室夹杂物的控制研究结果实验室夹杂物的控制研究结果 两炉钢含两炉钢含TiN夹杂物对比结果夹杂物对比结果 A钢钢 B钢钢 两炉钢的夹杂物两炉钢

36、的夹杂物SEM形貌示例形貌示例 含含Ti氧化物氧化物SEM统计结果统计结果 2346个个/mm2 83个个/mm2 5362个个/mm2 482个个/mm2 两炉钢含两炉钢含TiOx夹杂物对比结果夹杂物对比结果 采用新工艺冶炼的采用新工艺冶炼的B钢，含钢，含Ti氧化物的夹氧化物的夹 杂物数量高于杂物数量高于A钢钢10倍以上倍以上。 实验室夹杂物的控制研究结果实验室夹杂物的控制研究结果 A钢钢中大尺寸夹杂物中大尺寸夹杂物SEM结果结果 TiN (b) 6.7m 5m 16.5m 10m (a) 实验室夹杂物的控制研究结果实验室夹杂物的控制研究结果 (a) 3.1m 3m B钢钢中夹杂物中夹杂物S

37、EM结果示例结果示例 实验室夹杂物的控制研究结果实验室夹杂物的控制研究结果 (b) 2.9m 3m B钢钢中夹杂物中夹杂物SEM结果示例结果示例 实验室夹杂物的控制研究结果实验室夹杂物的控制研究结果 编编 号号 热输入热输入 /kJcm-1 峰值温峰值温 度度 / 停留时停留时 间间 /s t8/5 /s Akv (-20) /J (a)12014003199263，198，214 (225) (b)50014003550163，170，203 (179) (c)800140030730185，196，167 (183) 50m IAF IPF GBF (a) GBF IPF IAF (b)

38、IPF GBF IAF (c) Granular Bainitic Ferrite (GBF) Intra Granular Ferrite (IGF) Intra Polygonal Ferrite (IPF) Intra Acicular Ferrite (IAF） 新工艺钢板大线能量焊接后的组织与性能新工艺钢板大线能量焊接后的组织与性能 焊接热输入对焊接热输入对试验钢试验钢组织性能的影响组织性能的影响 实验室研究结果实验室研究结果 传统钢传统钢大热输入焊接热模拟结果大热输入焊接热模拟结果 (a)粗大粗大与板片状与板片状GBF; (b)粗大粗大与贝氏体，与贝氏体，尺寸尺寸1mm; (c)粗

39、大粗大GBF、贝氏体与侧板条铁素、贝氏体与侧板条铁素 体体 编号编号 热输入热输入 /kJcm-1 峰值温峰值温 度度 / 停留时间停留时间 /s t8/5 /s Akv (-20) /J (a)100140011384 (b)100140011386 (c)100140011385 (b) 100m (c) 100m100m (a) 传统钢大线能量焊接后的组织与性能传统钢大线能量焊接后的组织与性能 3 实验室研究结果实验室研究结果 (a) (a)、(c)(c)传统钢传统钢 (b)(b)、(d)(d)新工艺钢新工艺钢 裂纹裂纹 (c) 20m 20m 裂纹裂纹 C1 C2 C3 C4 (d)

40、20m (a) 50m (b) 50m 传统钢与工业试制钢传统钢与工业试制钢HAZHAZ区组织抵抗裂纹传播形貌对比区组织抵抗裂纹传播形貌对比 2m GBF E 4m 2m GBF C D 4m 1m GBF A B 2m (a)(b)(c) 夹杂物夹杂物A、 B尺寸分别为尺寸分别为520nm、600nm； 夹杂物夹杂物C尺寸为尺寸为450nm，位于，位于GBF晶粒内；夹杂物晶粒内；夹杂物D为尺寸为为尺寸为1.5m，位于，位于GBF晶粒边界；晶粒边界； 夹杂物夹杂物E尺寸为尺寸为1.9m，GBF在长大到此夹杂物时，因受到阻碍而发生了晶界弯曲，并没有在长大到此夹杂物时，因受到阻碍而发生了晶界弯曲，

41、并没有 将夹杂物包覆在将夹杂物包覆在GBF晶粒内。晶粒内。 晶界处晶界处的夹杂物与组织形貌的夹杂物与组织形貌 3 实验室研究结果实验室研究结果 夹杂物对铁素体形核的影响夹杂物对铁素体形核的影响 夹杂物夹杂物A尺寸尺寸1.2m ； 夹杂物夹杂物B尺寸为尺寸为2.3m ； 夹杂物夹杂物C尺寸为尺寸为1.4m 。 1m A 2 1 2m 4 m C 1 4 3 2 8m 2m B 4 3 2 1 5 4m (a)(b)(c) 晶粒内晶粒内的夹杂物与组织形貌的夹杂物与组织形貌 图图C中中3，4为二次晶内铁素体为二次晶内铁素体(Secondary intragranular Ferrite ) 3 实验

42、室研究结果实验室研究结果 夹杂物对铁素体形核的影响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。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。 (b) B (d) E (f) H (a) A (e) F G (c) C D 尺寸小于尺寸小于5m的复合夹杂物与的复合夹杂物与IGF形核形核OM形貌形貌 A和和B为较大尺寸为较大尺寸(35m)夹杂物；夹杂物；C、D、E为中等尺寸为中等尺寸(13m)夹杂物；夹杂物；F、 G、H，为小尺寸，为小尺寸(小于小于1m)夹杂物。夹杂物。夹杂物越细小夹杂物越细小HAZ韧性越好。韧性越好。 3. 实验室研

43、究结果 夹杂物对铁素体形核的影响夹杂物对铁素体形核的影响 4 4 工业应用结果工业应用结果 1、第五代原油储罐用钢、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； 焊接热输入可达到焊接热输入可达到400kJ/cm，针状铁素体含量达，针状铁素体含量达80以上；合金成本比原以上；合金成本比原 成分节省约成分节省约300元元/吨钢吨钢。已通过中石化十建焊接检测，可满足。已通过中石化十建焊接检测，可满足15万万m3及以及以 上储罐要求；中科院金属所耐上储罐要求；中科院金属所耐H2S腐蚀性能检测；湖南省科技鉴定

44、。已对国腐蚀性能检测；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。年冶金科学技术奖二等奖。 2、造船用钢板、造船用钢板 工业生产的工业生产的TMCP态态70mm的的EH36、EH40钢板具有良好的大线能量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；钢板送中船造船厂进 行实际焊接热输入达到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。以上，满足船舶焊接设计的需求。 3、压力容器用钢板、压力容器用钢板 提高压力容器用钢板的

45、焊接性能，包括石油化工、水电、核电用钢。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。 类别类别钢板号钢板号板厚板厚mmRel/MPaRm/MPaYRA50/%Akv(-20)/J 钢厂原钢板钢厂原钢板30200326357150.8923269 试制钢试制钢52200325606450.8725278 工业应用结果工业应用结果 类别类别钢板号钢板号 热输入热输入 /kJcm-1 峰值温度峰值温度 / 停留时间停留时间 /s t8/5 /s Akv (-20) /J 钢厂原钢板钢厂原钢板30200 100130011389，17，16 125130012159，17，14 400

46、140033269，3，6 试制钢试制钢52200 10013001138201，179，121 12513001215217，218，190 40014003326174，183，152 原钢板原钢板 试制钢试制钢 第五代原油储罐用钢第五代原油储罐用钢 类别类别板厚板厚mm热输入热输入kJ/cm缺口位置缺口位置Akv (-20) J 非试制钢非试制钢40196 WM103,107,115 FL12,8,10 FL+1mm20,47,36 试制钢试制钢40202 WM118,120,125 FL100,90,101 FL+1mm155,173,175 (a)非试制钢非试制钢 (b)试制钢试制钢

47、 两种钢板气电立焊金相组织两种钢板气电立焊金相组织 工业应用结果工业应用结果 (b) (a) 原工艺钢板的原工艺钢板的 HAZ组织粗大；组织粗大； 新工艺钢板的新工艺钢板的 HAZ组织细小。组织细小。 气电立焊结果气电立焊结果 第五代原油储罐用钢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) 工业应用结果工业应用结果 第五代原油储罐用钢第五代原油储罐用钢 热输入热输入kJ/cm峰值温度峰值温度停留时间停留时间st8/5 s-20Akv J 10014001138287,225,174 20014001215267,1

48、68,226 30014003309262,119,259 40014003325231,232,243 50014005550196,207,209 800140030730217,145,198 焊接热模拟结果焊接热模拟结果 300kJ/cm400kJ/cm 焊接热模拟金相组焊接热模拟金相组织织 (100X) 工业应用结果工业应用结果 造船用钢板造船用钢板 EH40 采用新工艺试制的船板钢的采用新工艺试制的船板钢的HAZHAZ典型组织与针状铁素体典型组织与针状铁素体 （Q=800kJ/cm；PT=1400、 t8/5=730s、保温保温30s；AKV(-20)=188J ） 该工艺生产的钢

49、板的焊接结果应该是目前国内的最好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。件下使用。 夹杂物夹杂物 工业应用结果工业应用结果 线能量线能量/kJ J cm-1 Rm/MPa冲击试样取样位置冲击试样取样位置Akv( -20)/J 430545；530 上表面上表面 焊缝焊缝81，70，90 熔合线熔合线187，136，144 熔合线外熔合线外2mm133，131，140 熔合线外熔合线外5mm218，270，258 熔合线外熔合线外10mm243，231，224 下表面下表面 焊缝焊缝1

50、18，140，125 熔合线熔合线106，73，130 熔合线外熔合线外2mm201，183，137 熔合线外熔合线外5mm205，281，212 熔合线外熔合线外10mm303，303，300 工业应用结果工业应用结果 造船厂大线能量焊接结果造船厂大线能量焊接结果 工业应用结果工业应用结果 与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。满成功。 试制钢在试制钢在Ceq值

51、高达值高达0.44的条件下，焊接线能量水平达到的条件下，焊接线能量水平达到300 kJ/cm， 已经超过国际最高已经超过国际最高200 kJ/cm的水平。的水平。 大线能量焊接熔合线部位金相组织大线能量焊接熔合线部位金相组织 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47倍，大型船舶使用的厚钢板焊接线能量可 达400 kJ/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；原型钢可承受原型钢可承受800kJ/cm800kJ/cm的焊接热输入；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200400 kJ/

52、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；原型钢可承受原型钢可承受1000kJ/cm1000kJ/cm的焊接热输入；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；原型钢可承受原型钢可承受 400kJ/cm400kJ/cm的焊接热输入；的焊接热输入； 最新研究成果最新研究成果 (4) 管线钢 国产管线钢的焊接一直是瓶颈，X80实际焊

53、接线能量多为30 kJ/cm ，可采用新技术将焊接线能量提高到50 kJ/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；原型原型 钢可承受钢可承受200kJ/cm200kJ/cm的焊接热输入；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。原型钢可承受原型钢可承受300kJ/cm300kJ/cm的焊接热输入；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。原型钢可承受原型钢可承受 300kJ/cm300

54、kJ/cm的焊接热输入；的焊接热输入； 最新研究成果最新研究成果 (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80100kg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采用新技术开发出的8080100kg100kg级别的级别的 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