大熱輸入焊接用Q420C鋼板的開發(fā)

劉衛(wèi)航

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524072)

隨著我國橋梁和建筑事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外各大項(xiàng)目焊接工藝均采用大熱輸入進(jìn)行現(xiàn)場焊接，以往鋼材在焊接施工中的焊接熱輸入不小于50 kJ·cm-1的即稱為大熱輸入焊接。大熱輸入焊接用鋼材能夠承受的焊接熱輸入越大，焊接速率越高，焊接施工效率就越高[1]。目前我國基建行業(yè)對(duì)高等級(jí)鋼材的需求量越來越大，但是隨著鋼材強(qiáng)度的提高，其沖擊韌度和焊接性能顯著下降，焊接裂紋敏感性增加。特別是隨著焊接熱輸入的提高，傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼的焊接熱影響區(qū)力學(xué)性能惡化，易產(chǎn)生焊接冷裂紋問題，給大型結(jié)構(gòu)鋼的制造帶來困難[2]。

2018年初某項(xiàng)目進(jìn)行招投標(biāo)時(shí)，招標(biāo)鋼板量約15×104t，牌號(hào)為Q420C，該項(xiàng)目要求鋼板在滿足性能的前提下還必須滿足大熱輸入焊接，大熱輸入要求焊接熱輸入不小于240 kJ·cm-1。針對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)要求，筆者對(duì)大熱輸入焊接用Q420C焊接鋼板進(jìn)行開發(fā)。

1 大熱輸入焊接用Q420C鋼板性能要求

根據(jù)GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼》及用戶特殊要求，該Q420C鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求見表1和表2。

大熱輸入焊接用Q420C鋼板的其他性能要求：

(1) 當(dāng)采用最大熱輸入240 kJ·cm-1以上進(jìn)行焊接時(shí)，焊后熱影響區(qū)性能滿足中國船級(jí)社《材料與焊接》工藝評(píng)定要求，并且平均沖擊吸收能量應(yīng)不小于47 J,單個(gè)沖擊吸收能量應(yīng)不小于34 J。

(2) 具有良好的抗層狀撕裂性能，因?yàn)樵撲摪逯饕糜诮Y(jié)構(gòu)鋼梁，鋼板在厚度方向受力較大，要求具有Z35級(jí)別性能。

表1 大熱輸入焊接用Q420C鋼板的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition requirements of Q420C steel plate for high heat input welding (mass fraction) %

表2 大熱輸入焊接用Q420C鋼板的力學(xué)性能要求Tab.2 Mechanical property requirements of Q420C steel plate for high heat input welding

2 成分設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)

2.1 成分設(shè)計(jì)

該批鋼材要求在最大熱輸入270 kJ·cm-1的情況下，具有良好的焊接性能，因此該鋼種在成分設(shè)計(jì)時(shí)要求具有較低碳當(dāng)量和低的焊接裂紋敏感性指數(shù)，并且磷、硫元素需嚴(yán)格控制，以保證鋼的潔凈度來達(dá)到足夠的韌性[3]，具體的成分設(shè)計(jì)見表3。

表3 大熱輸入焊接用Q420C鋼板的成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Composition design of Q420C steel plate for high heat input welding (mass fraction) %

為了保證鋼板最終性能，根據(jù)適當(dāng)?shù)某煞峙浔忍砑恿宋⒘康暮辖鹪剽?、鈦、鋁元素。鈮元素主要提高鋼板的強(qiáng)度(控軋導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散析出的沉淀硬化及加速冷卻導(dǎo)致的相變強(qiáng)化)；鈦元素抑制加熱、軋制及焊接熱循環(huán)過程中奧氏體晶粒長大，改善鋼板的沖擊韌性；鋁元素與氮元素相結(jié)合，消除固溶氮對(duì)鋼板沖擊韌性、時(shí)效脆化特性等不利影響，另外鋁與氮結(jié)合形成AlN粒子，細(xì)化鋼板晶粒尺寸，提高鋼板屈服強(qiáng)度、改善鋼板沖擊韌性[4-6]。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

該鋼種主要生產(chǎn)路徑為KR預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→爐外精煉LF+RH真空處理→動(dòng)態(tài)輕壓下連鑄→板坯精整→板坯二切→板坯加熱→雙機(jī)架控軋→加速冷卻(緩冷)→探傷→剪切→取樣性能檢驗(yàn)→表面質(zhì)量和外觀尺寸、標(biāo)識(shí)→出廠。

2.2.1 煉鋼工藝設(shè)計(jì)

(1) 鐵液比不小于88%，對(duì)來料鐵液通過加入石灰石等脫硫劑進(jìn)行KR攪拌去除鐵液中的硫元素及夾雜物，控制硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.001%。

(2) 轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)吹模式去除鋼液中的有害雜質(zhì)磷元素及氣體元素，使得鋼液溫度高于1 650 ℃。

(3) 爐外精煉采用LF+RH真空處理，使得硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.002%，高真空時(shí)間多于18 min，純脫氣時(shí)間多于6 min。

(4) 連鑄過程中，為保證鋼板探傷合格、夾雜物需充分上浮，過熱度一般控制在25 ℃，拉坯速度設(shè)置為0.8～1.5 m·min-1。

2.2.2 厚板軋制工藝設(shè)計(jì)

(1) 加熱工藝，為保證該成分體系中加入的鈮、鈦等微量合金元素充分發(fā)揮作用，確保鈮元素充分固溶，該鋼種的加熱溫度控制為1 120～1 180 ℃。

(2) 軋制工藝采用兩階段軋制，對(duì)于粗軋階段一般控制在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行軋制，待溫度降至部分再結(jié)晶區(qū)域，停止軋制進(jìn)行待溫，直到鋼板溫度降至完全未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)一步進(jìn)行精軋階段的軋制。 對(duì)于該鋼種控軋厚度倍數(shù)限制在2～5倍，二次開軋溫度根據(jù)厚度設(shè)定為860～1 010 ℃，終軋溫度設(shè)定為820～880 ℃。

(3) 冷卻工藝，控軋冷卻的目的主要是鋼在經(jīng)過控制軋制后，鋼中的奧氏體組織經(jīng)過一定的冷卻速率，奧氏體組織一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，從而在低碳當(dāng)量的情況下，獲得高的強(qiáng)度及韌性。該鋼種根據(jù)不同的厚度使開冷溫度控制為780～830 ℃，冷卻速率控制為14～25 ℃·s-1，終冷溫度控制為450～600 ℃。

3 性能試驗(yàn)

對(duì)采用上述成分設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)開發(fā)出的40 mm厚的大熱輸入焊接用Q420C鋼板進(jìn)行性能驗(yàn)證。

3.1 拉伸性能

按照GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》進(jìn)行取樣和制樣工作，參照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率及抗層狀撕裂性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見表4。

表4 Q420C鋼板的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of the Q420C steel plate

3.2 低溫沖擊韌性

對(duì)試制出的40 mm原Q420C鋼板按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，鋼板在20～-80 ℃的沖擊吸收能量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量較大，見圖1。

圖1 Q420C鋼板沖擊吸收能量曲線Fig.1 Impact absorption energy curve of the Q420C steel plate

3.3 大熱輸入下的焊接性能

采用焊劑銅襯墊法(FCB法)大熱輸入焊接試驗(yàn)對(duì)該Q420C鋼板進(jìn)行焊接，熱輸入為250 kJ·cm-1，測試其焊接性能[7-9]。焊縫彎曲時(shí)采用全厚度側(cè)彎，彎心直徑為40 mm，彎曲角度為180°，壓頭中心對(duì)準(zhǔn)焊縫中心。彎曲試驗(yàn)后可見，試樣受拉面平整，無任何裂紋，彎曲結(jié)果為全部合格。該Q420C鋼板焊后拉伸性能及沖擊性能見表5。

表5 大熱輸入焊接后Q420C鋼板的拉伸性能及沖擊吸收能量Tab.5 Tensile properties and impact absorbed energy ofthe Q420C steel plate after high heat input welding

3.4 顯微組織

在不同放大倍數(shù)下觀察該40 mm厚Q420C鋼板的1/4厚度處的顯微組織，如圖2所示。其顯微組織為貝氏體+少量鐵素體，晶粒度水平為10～12級(jí)，其組織細(xì)小均勻。

圖2 Q420C鋼板的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the Q420C steel plate

4 結(jié)論

(1) 通過成分設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出了具有大熱輸入焊接性能的厚40 mm的Q420C鋼板，該Q420C鋼板的顯微組織細(xì)小均勻。該鋼板的力學(xué)性能較好，在-80 ℃下其沖擊吸收能量>200 J。

(2) 該Q420C鋼板在熱輸入為250 kJ·cm-1的情況下，其熔合線處的沖擊吸收能量遠(yuǎn)大于47 J,表明其焊接性能較好。