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，國內外各大項目焊接工藝均采用大熱輸入進行現(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)對高等級鋼材的需求量越來越大，但是隨著鋼材強度的提高，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)低合金高強鋼的焊接熱影響區(qū)力學性能惡化，易產生焊接冷裂紋問題，給大型結構鋼的制造帶來困難[2]。

2018年初某項目進行招投標時，招標鋼板量約15×104t，牌號為Q420C，該項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。針對該項目的技術要求，筆者對大熱輸入焊接用Q420C焊接鋼板進行開發(fā)。

1 大熱輸入焊接用Q420C鋼板性能要求

根據(jù)GB/T 1591-2008《低合金高強結構鋼》及用戶特殊要求，該Q420C鋼板的化學成分及力學性能要求見表1和表2。

大熱輸入焊接用Q420C鋼板的其他性能要求：

(1) 當采用最大熱輸入240 kJ·cm-1以上進行焊接時，焊后熱影響區(qū)性能滿足中國船級社《材料與焊接》工藝評定要求，并且平均沖擊吸收能量應不小于47 J,單個沖擊吸收能量應不小于34 J。

(2) 具有良好的抗層狀撕裂性能，因為該鋼板主要用于結構鋼梁，鋼板在厚度方向受力較大，要求具有Z35級別性能。

表1 大熱輸入焊接用Q420C鋼板的化學成分要求(質量分數(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鋼板的力學性能要求Tab.2 Mechanical property requirements of Q420C steel plate for high heat input welding

2 成分設計及工藝設計

2.1 成分設計

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計時要求具有較低碳當量和低的焊接裂紋敏感性指數(shù)，并且磷、硫元素需嚴格控制，以保證鋼的潔凈度來達到足夠的韌性[3]，具體的成分設計見表3。

表3 大熱輸入焊接用Q420C鋼板的成分設計(質量分數(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?shù)某煞峙浔忍砑恿宋⒘康暮辖鹪剽墶⑩?、鋁元素。鈮元素主要提高鋼板的強度(控軋導致的細晶強化、彌散析出的沉淀硬化及加速冷卻導致的相變強化)；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合，消除固溶氮對鋼板沖擊韌性、時效脆化特性等不利影響，另外鋁與氮結合形成AlN粒子，細化鋼板晶粒尺寸，提高鋼板屈服強度、改善鋼板沖擊韌性[4-6]。

2.2 工藝設計

該鋼種主要生產路徑為KR預處理脫硫→轉爐吹煉→爐外精煉LF+RH真空處理→動態(tài)輕壓下連鑄→板坯精整→板坯二切→板坯加熱→雙機架控軋→加速冷卻(緩冷)→探傷→剪切→取樣性能檢驗→表面質量和外觀尺寸、標識→出廠。

2.2.1 煉鋼工藝設計

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

(2) 轉爐采用頂?shù)讖痛的Ｊ饺コ撘褐械挠泻﹄s質磷元素及氣體元素，使得鋼液溫度高于1 650 ℃。

(3) 爐外精煉采用LF+RH真空處理，使得硫元素質量分數(shù)不大于0.002%，高真空時間多于18 min，純脫氣時間多于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 ℃，拉坯速度設置為0.8～1.5 m·min-1。

2.2.2 厚板軋制工藝設計

(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，對于粗軋階段一般控制在奧氏體完全再結晶區(qū)域進行軋制，待溫度降至部分再結晶區(qū)域，停止軋制進行待溫，直到鋼板溫度降至完全未再結晶區(qū)進一步進行精軋階段的軋制。 對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)厚度設定為860～1 010 ℃，終軋溫度設定為820～880 ℃。

(3) 冷卻工藝，控軋冷卻的目的主要是鋼在經過控制軋制后，鋼中的奧氏體組織經過一定的冷卻速率，奧氏體組織一部分轉變?yōu)樨愂象w組織，從而在低碳當量的情況下，獲得高的強度及韌性。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

對采用上述成分設計及工藝設計開發(fā)出的40 mm厚的大熱輸入焊接用Q420C鋼板進行性能驗證。

3.1 拉伸性能

按照GB/T 2975-2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》進行取樣和制樣工作，參照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》進行拉伸試驗，其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率及抗層狀撕裂性能滿足標準要求，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方法》進行沖擊試驗，鋼板在20～-80 ℃的沖擊吸收能量均滿足標準要求，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)大熱輸入焊接試驗對該Q420C鋼板進行焊接，熱輸入為250 kJ·cm-1，測試其焊接性能[7-9]。焊縫彎曲時采用全厚度側彎，彎心直徑為40 mm，彎曲角度為180°，壓頭中心對準焊縫中心。彎曲試驗后可見，試樣受拉面平整，無任何裂紋，彎曲結果為全部合格。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，其組織細小均勻。

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

4 結論

(1) 通過成分設計和工藝設計，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鋼板的顯微組織細小均勻。該鋼板的力學性能較好，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大于47 J,表明其焊接性能較好。