高強度鋼板及配套焊接材料開發(fā)

 從防震、耐震的觀點出發(fā),在建筑領域都強烈要求鋼架結(jié)構(gòu)物焊縫部實現(xiàn)高韌(性)化。現(xiàn)代城市越來越多的建筑在超高層化和大跨度化,所用柱材主要采用40mm厚度以上的高強(度)板焊成四面匣形樁,焊接工藝為ESW(電渣焊)和SAW(埋弧焊)。在高效的大熱量輸入焊接中,HAZ(焊接熱影響區(qū))和WM(焊接金屬部)的顯微組織就會粗大化,從而造成原來(普通)鋼的韌性不可避免地下降。

  JFE鋼公司開發(fā)的設計基準440N/mm2的建筑結(jié)構(gòu)用高性能590N/mm2鋼材及焊接材料,完成了490~590N/mm2大熱量輸入焊接部韌性優(yōu)良的建筑鋼板及其焊接材料的系列配套。

  現(xiàn)概要介紹四面匣形樁的大熱量輸入焊接部高韌化技術—JFEEWEL和用此技術生產(chǎn)的590N/mm2鋼板(SA440-E)的母材性能、以及用配套焊接材料焊接的焊縫性能。

  2 大熱量輸入焊接的應用及目標性能

  匣形樁角部(即棱邊)焊接用SAW工藝而內(nèi)擋板部焊接用ESW工藝。施加的焊接輸入熱量隨板厚的增大而增大,有時SAW超過60kJ/mm而ESW超過100kJ/mm。

  以焊接內(nèi)擋板的ESW焊縫為例:因其HAZ長時間滯留于1400℃高溫而使奧氏體(γ)晶粒顯著粗大化,在焊后冷卻中產(chǎn)生γ→α相變,從γ晶界生成粗大鐵素體的同時,因舊γ晶內(nèi)變成了含在硬質(zhì)島狀馬氏體(M-A)的上貝氏體(upperbainite)組織,故HAZ韌性低下。一般隨著鋼板的高強度、厚壁化和Ceq的增大,其韌性會顯著下降。

  鋼板(SA440-E)的目標性能與獲得了(日本)國土交通大臣材料認定的現(xiàn)行HBL325、355、385及SA440的規(guī)格相同;且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部(FL)以及WM的0℃夏比沖擊吸收能(vEo),與在小熱量多層堆焊的鋼架梁端焊接接合部的性能要求相同,平均目標值≥70J。

  3 大熱量輸入焊縫的高韌化技術

  用大熱量輸入焊接匣形樁時,其HAZ高韌化技術包括γ晶粒細化技術、HAZ晶內(nèi)組織控制技術、最佳成分設計及生產(chǎn)工藝、以及利用來自WM的B擴散以控制HAZ組織共4個方面內(nèi)容,有效利用這些技術,即可實現(xiàn)建筑用高強度鋼板的開發(fā)和應用目標。

  為了進行粗晶HAZ(下稱CGHAZ)的極小化,利用在高溫下穩(wěn)定的氮化物和氧化物抑制γ晶粒粗大化是有效的。為此,著眼于在鋼中的彌散分布且在工業(yè)上易于控制的TiN,就最大限度應用其對γ晶粒的細化作用進行了研究。

  在采用了熱微積分學(thermo-cale)的熱力學解析和實驗研究基礎上,對鋼中的Ti、N含量、Ti/N及微合金化(microalloying)進行控制,將TiN固溶溫度從原<1400℃提高到了>1400℃,從而實現(xiàn)了TiN質(zhì)點的彌散分布。

  用再現(xiàn)焊接熱循環(huán)裝置,將細化了γ晶粒的鋼加熱到相當于大熱量輸入焊接時HAZ溫度后的1400℃,再以80s慢冷至1200℃后急冷,以凍結(jié)鋼的高溫組織并調(diào)查了γ晶粒尺寸。結(jié)果表明,用γ晶粒細化技術可將其細化到200μm以下,從而實現(xiàn)了CGHAZ的極小化。

  為了查明晶內(nèi)組織對HAZ韌性的影響,采用Ceq在0.34%~0.44%間變化、厚60mm鋼板,進行相當于輸入熱量100kJ/mmESN焊接的1400℃加熱、在冷卻時間(△t800-500)=1000s內(nèi)從800℃冷至500℃的再現(xiàn)焊接熱循環(huán),調(diào)查了再現(xiàn)的HAZ韌性變化和顯微組織的關系。結(jié)果表明,Ceq較高,加入合金量多的鋼變成了上貝氏體(簡稱UB)組織,其再現(xiàn)HAZ韌性顯著低下;而Ceq較低的鋼則變?yōu)殍F素體+貝氏體(F+B)和鐵素體+珠光體(F+P)組織,提高了再現(xiàn)HAZ韌性,此變化與鋼中M-A量的減少相對應。

  另一方面,因Ceq低下而使與再現(xiàn)HAZ顯微組織變化相適應的硬度下降,故須考慮與鋼的強度級別相適應的焊縫強度成分設計。為了實現(xiàn)HBL325鋼HAZ組織的(F+P)化,應控制其Ceq=0.35%左右;還考慮到HBL385、SA440鋼的焊縫強度而控制其顯微組織為F+B,從而進行了Ceq≤0.40%的合金設計。

  4 焊接金屬的高韌化技術

  在大熱量輸入SAW及ESW焊接中,即使在WM也會因組織的粗大化而使其韌性低下。為了實現(xiàn)WM的高韌化,就須完全抑制在舊γ晶界生成晶界F,且控制晶內(nèi)為針狀F。

  為此,向焊接材料中優(yōu)化加入了強化淬透性元素、抑制晶界F元素和晶內(nèi)針狀F相變促進元素,以控制WM的化學組成。因在SAW及ESW焊接時有20%~50%的母材稀釋,故控制WM組織時須考慮鋼板化學成分產(chǎn)生的影響。

  因此,設定了焊接工藝及輸入熱量相適應的母材稀釋量,對焊接材料成分進行了周密設計,通過WM組織的最佳化實現(xiàn)了WM的高韌化。故所開發(fā)的焊接材料,就能配套用于以JFEEWEL技術生產(chǎn)鋼板的焊接中。

  5 SA440-E鋼板的開發(fā)

  在采用JFEEWEL技術生產(chǎn)的鋼板中,此前已介紹過HBL325-E、355-E及385-E,故現(xiàn)僅簡述SA440-E鋼板的試制及以母材、焊縫性能為中心的實機制造結(jié)果。

  關于焊縫的韌性,無論在焊縫的WM、FL和HAZ的任何部位,其0℃夏比沖擊吸收能vEo都明顯超過了70J的目標值(最低78J、最高247J),表明其焊縫韌性優(yōu)良。為了查明大熱量輸入焊接的焊縫強度,分別制作了平接焊縫和十字形焊縫,對之進行了抗拉試驗。結(jié)果表明,斷裂雖然都發(fā)生在HAZ,但其各自抗拉強度都超過了590N/mm2這個開發(fā)鋼板的目標值、而分別達611N/mm2和658N/mm2。

  6 結(jié)語

  JFE制鋼公司開發(fā)的這類鋼板及配套的焊接材料,能滿足多樣化的用戶需求,特別能適用于現(xiàn)代城市超高層和大跨度建筑物中對立柱等大型鋼結(jié)構(gòu)的材料及制作。

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