[发明专利]一种提高钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧性的方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接用高强度钢板技术领域，特别是提供了一种提高大线能量焊接条件下热影响区韧性的方法。适用于造船、桥梁、高层建筑、大型石油储罐制造中使用的大线能量焊接用高强度钢板，在焊接线能量≥50KJ/cm的范围内，能够有效提高焊接热影响区(Heat Affected Zone，以下简称HAZ)韧性的方法。

技术背景

近年来，对船舶、桥梁、高层建筑、大型石油储罐等大型结构物的施工中，低碳低合金高强度钢的使用日益广泛。为了提高施工效率、降低成本，在焊接工序中相继采用了单面焊双面成形埋弧自动焊、气电立焊、电渣焊等大线能量焊接技术。由于焊接线能量的增大，使焊接热影响区的高温停留时间变长，金属在冷却时，奥氏体晶粒长大的驱动力大，并有充分的长大时间，造成晶粒的过分粗大，尤其使焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)的强度和韧性下降较大，并容易产生裂纹等缺陷。因此，国内外相继开发出多种大线能量焊接用钢板，采用不同的机理来控制CGHAZ晶粒的过分长大。

目前国内应用较为广泛的采用TiN机制来抑制CGHAZ晶粒粗化的方法，如专利申请号为200610047899.8“一种可大线能量焊接的低合金高强度钢板及其制造方法”。其机理是因为Ti与N结合成TiN，能够阻止奥氏体晶粒的长大和增加铁素体形核，控制钢中Ti/N在2.4～3.2之间，会有效提高钢板和焊接热影响区的性能；又如许祖泽著的《新微合金钢的焊接》(机械工业出版社)中，控制Ti/N为3.42，能够抑制晶粒长大，提高热影响区韧性；又如专利申请号200510023216.0中，控制Ti/N为2.0～3.0；专利申请号200510047672.9中，采用Nb-Ti微合金化方法，也能达到上述效果。

国外如日本特公昭55-026164号公报、特开平03-264614和特开平04-143264都公开了采用Ti的氮化物或复合化物及析出物来促进铁素体的形核，提高CGHAZ韧性。

但是，Ti在金属中形成的TiN或Ti(CN)在焊接过程中，尤其是在熔合线附近，其温度可超过1400℃，超过了TiN的熔点，TiN在此温度下几乎全部溶解而失去了作用。另外，传统的TiN技术对脱硫处理没有要求，而TiN很容易与硫化物生成复合粒子，削弱了钉扎晶界的作用。Ti的氧化物在金属中会粗化为凝聚体，若不能控制形成微细弥散的Ti的氧化物，则会形成5μm以上的夹杂物，成为结构物的破坏起点。

也有采用添加B的方法来控制CGHAZ韧性。如申请号96105716.8；申请号01128316.5；公开号CN1396294A；公开号CN1338528。这些技术的共同点是加入B，利用B的氮化物来抑制CGHAZ晶粒的粗化。但是，B的加入目前没有良好的控制措施，并且B很容易形成碳化物和氮化物，容易在奥氏体晶界聚集，促使此处的位错密度增高，成为氢陷阱，增加晶界开裂倾向，造成母材韧性的严重下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧性的方法，在大线能量焊接条件下，提高HAZ韧性。

本发明基于CaO-MnS机理，来提高大线能量焊接CGHAZ韧性，不采用Ti和B的机理来提高焊接热影响区韧性，而是采用在钢中添加Ca的方法来提高焊接热影响区韧性，并且在添加过程中通过调整Ca在钢中的分布，使之形成细小弥散的CaO或CaS的第二相质点，达到纳米级尺寸，多数为500nm以下。而MnS则依附于这种第二相质点形核、长大，促进奥氏体晶内针状铁素体(IGF)形核。使钢板在大线能量焊接时，有效地抑制CGHAZ的晶粒长大，显著提高CGHAZ韧性。

本发明是在C-Mn钢的基础上，通过添加Ca元素来控制CGHAZ韧性的；Ca元素通过气液界面进行脱氧，发生了[Ca]+[O]＝(CaO)和[Ca]+[S]＝(CaS)的反应；使之形成细小弥散的纳米级CaO或CaS质点，并使MnS依附其上形核长大成圆形，Ca含量达到50-60ppm时，能够有效提高HAZ韧性。

本发明所述的C-Mn钢中含有的主要元素为C：0.7-0.15、Si：0.2-0.6％、Mn：1.3-1.8％、Nb：0.02-0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质；均为重量百分比。