2006-10-14 | 超级钢及其焊接性研究现状

qijuanzhu · 发表于 2011-4-27 17:16:44

2006-10-14 | 超级钢及其焊接性研究现状
标签：焊接  材料  激光  晶粒  钢铁
0前言
材料是现代文明的支柱之一。随着现代工业的发展，对材料性能的要求也越来越高。现代材料研究有两大趋势：（1）开发新技术、新工艺、新设备，以研究各种具有特殊要求或优异性能的新材料；（2）对现有传统材料如钢铁、铝、铜采用特殊的加工工艺，以大幅度提高其性能，有效地提高资源的利用率和回收率。由此可见提高性能、降低成本、减少对环境的损害，已成为上世纪末和本世纪初材料研究的一大热点。众所周知，在各种各样的材料中，钢铁材料一直占主导地位，曾经对社会的发展和人类的进步做出过突出的贡献。然而，尽管钢铁问世已经3000多年了，至今实际使用的钢铁结构材料的强度水平仅达到理论强度的1/6～1/7，并且，其性能价格比较其它材料偏低，从而严重影响了钢铁材料的发展和应用。为了提高钢铁材料的竞争力并使构件轻型化，20世纪90年代中期，日本提出“超级钢”概念，即在保持材料其它性能不变和不提高材料成本的前提下，把现有钢铁材料强度和工程构件寿命分别提高一倍。随后，世界各国迅速展开对超级钢的研究和开发工作，并成为钢铁材料领域研究的热点。
1.  超级钢性能特点及关键技术
1．1超级钢性能特点
超级钢是利用普通低碳钢，在基本不改变材料成分，不提高材料成本的前提下，通过控制轧制工艺和轧制温度，使材料强度提高一倍，而其他性能保持不变。因此，超级钢与传统材料相比具有以下特点：（1）比传统的钢铁材料有更高的性能价格比；（2）在强度上比传统钢铁材料高一倍以上；（3）在使用寿命上比传统材料高一倍；（4）基本消除宏观偏析。而在生产实际中，为了达到超级钢的性能指标，就必须严把生产关，使超级钢钢质达到以下三项技术要求：（1）超洁净化：一是最大限度的祛除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素的含量（S+P+O+H+N ≤50PPM）；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。（2）高度均匀化：即指钢材成分、组织和性能的高度均匀，尽可能的减少钢在凝固过程中的偏析。（3）超细晶粒化：即要求钢的铸态组织充分细化，原始晶粒能被充分破碎，最终晶粒尺寸达到10mm以下。实践证明，在保证上述技术指标的条件下可使钢的强韧性获得大幅度提高。
1．2超级钢生产关键技术
金属的强化方式有固溶强化、析出强化、位错强化、热处理强化、沉淀强化和晶粒细化强化等。在这些强化方式中，晶粒细化是唯一能够同时提高强度和韧性的有效方法。其它方法都是在强度提高的同时，冲击韧性下降。，因此，获得超细晶粒金属材料的加工工艺是超级钢生产过程中的关键技术。而在实际生产中，根据材料成分和性能不同，获得超细晶粒组织的工艺有：（1）ECAP工艺[1] ；（2）ARB工艺[2,3] ；（3）CSP技术[4] ；（4）弛豫析出控制相关技术[5,6] 。目前，国内外超级钢生产中普遍采用的晶粒细化技术为：（4）弛豫析出控制相关技术。
2．超级钢研究现状
1997年日本首先提出了“超级钢”的概念，即在保持材料其性能及成本不变的前提下，把现有钢铁材料强度提高一倍，并启动“超级钢”在内的四大科研项目，预计10年完成研究工作希望2015年前后更换基础设施。2001年，欧盟启动“超细晶粒钢开发”计划，2002年，美国公布实施两个“超级钢开发项目”。我国1998年启动了国家重大基础研究计划项目（973项目），－“新一代钢铁材料的基础研究”课题。到2002年底，基础理论研究工作已基本完成，并成功开发200Mpa，400Mpa和800Mpa级超级细晶粒钢的生产工艺，现已在宝钢和本钢等厂家投入批量生产，该项目科研成果相继被列入国家高技术研究发展计划（863计划），正在全国各行业推广应用。
3．超级钢典型产品介绍
400Mpa级超细晶粒钢是国家重点基础研究计划项目（973项目），－“新一代钢铁材的基础研究”的研究内容之一，其目标是对现有Q235级别的碳素钢在基本不改变成分的情况下，通过特殊的加工工艺，在保证韧性和塑性的同时使钢材的屈服强度提高一倍，以代替同强度级别的低合金高强度钢。它也是目前我国已批量生产并应用于实际生产的一种超级钢。其化学成分见表1，主要性能指标见表2。
表1 400Mpa超级钢化学成分(mass,%)
      C       Mn       Si       P       S
   0.1~0.12    1.0~1.20    ≤0.3    ≤0.02    ≤0.01
表2  400Mpa超级钢性能检测结果
检验项目符号单位检验数据备注
屈服强度 σ0.1 MPa 408.28 402.26 0.1平行弹性变形线
σ0.2 Mpa 424.73 418.92 0.2平行弹性变形线
σ╳2 Mpa 436.09 430.56 0.2平行纵坐标屈服强度
抗拉强度 σb Mpa 633.40 620.73
弹性变形延伸率 Ag % 11.76 10.99
断裂延伸率 δ（80mm） % 18.14 17.79
塑性应变比 r / 0.68 0.65 平均值：0.665
应变硬化指数 n / 0.12 0.11 平均值：0.115
K Mpa 930.63 895.26 平均值：913
断裂时瞬间应力 F Mpa 53.17 51.72
弹性模量 E MPa 217416.1 215927.2
冷弯试验 d=1a d：弯心直径
a：钢板厚度

400Mpa超级钢产品及其生产技术对于我国国民经济和社会发展具有重要意义，在国民经济的许多行业均具有广阔的推广应用前景。首先，在国内外汽车生产厂普遍追求降低成本、减轻自重、减少油耗的背景下，超级钢首先在汽车制造行业找到了市场并且前景良好。其次，400Mpa超级钢的生产技术可以推广应用到线材、中厚板等品种，这为超级钢在建筑业以及其它行业的应用开辟了途径。建筑业是普碳钢应用最为广泛的领域，应用超级钢来替代传统的II级钢筋具有良好的前景；在造船、桥梁以及压力容器等领域也可以应用超级钢的生产技术来实现减少合金元素用量、降低成本、改善性能的目的，因此在这些领域也具有广阔的应用前景。另外，400Mpa超级钢的生产技术可以应用于更高强度级别超级钢的开发，并由此带动普碳钢乃至结构钢的更新换代。
4．超级钢焊接存在的问题
由于超级钢是在不改变原材料成分及其他工艺性能的基础上，通过人为控制轧制工艺及温度，使材料组织细化（晶粒尺寸小于10um），从而使材料强度提高1倍以上。而在超级钢焊接过程中，由于受焊接热源的作用，焊缝及热影响区在焊接热循环的作用下，势必会造成晶粒长大现象，从而引起焊接接头组织和性能的恶化。由于超级钢晶粒极度细化，焊接时面临的主要问题一是焊缝金属的强韧化;二是热影响区晶粒长大的问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要针对400MPa级和800Mpa级超细晶粒钢铁解决上述焊接性问题。
5．超级钢焊接研究现状
5.1超级钢焊缝金属的强韧化研究
焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。对400Mpa级超细晶粒钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性。而对800Mpa级超细晶钢，要实现焊缝金属与母材等匹配较为困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的冷裂倾向增大。要实现焊缝的强韧化，并避免冷裂纹，需开发与母材性能相匹配的焊接材料，但在这方面尚无成熟的经验。目前韩国拟开发的与800Mpa级匹配的焊接材料是无预热超低碳贝氏体焊接材料。
5.2超级钢焊接晶粒长大问题研究。
资料[7]对于超细晶粒钢，不论是400Mpa级还是800Mpa级钢种，由于晶粒极度细小，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。晶粒长大不仅会造成HAE的脆化，而且还会导致HAE的软化，为解决这一问题，应采用低热输入的焊接方法。资料[8,9]认为，超细晶粒钢焊接热影响区经热循环作用后有严重的晶粒长大倾向，长大程度随焊接热输入的增大而迅速增长。在HAE中有明显的脆性组织，但从冲击功上难以看出脆化现象；从结晶断口比例来看，缺口前沿粗晶区组织越多，结晶状断口比例越大，这说明粗晶区的韧性低于母材，但这种局部脆性区对焊接接头的韧性有多大影响尚需进一步研究证实。资料[10,11]研究结果表明，钢中夹杂物的存在对HAE晶粒长大有双重作用，对本研究的试验用钢，高洁净度可减缓超细晶粒HAE的奥氏体晶粒长大；峰值温度降低时，奥氏体平均晶粒尺寸明显减少，而且HAE宽度也随之减小。资料[12,13]的研究结果为：用低于10kJ/cm的低热输入焊可抑制12mm厚超细晶粒钢的热影响区软化，低热输入既可通过有/无金属供给的激光焊，也可用高速焊，但这样做的缺点会降低焊接生产率，可用高速多级切舍适应的自动焊接系统。
5．3超级钢焊接工艺研究：
5．3．1超级钢激光焊接工艺研究：
   由于超级钢特有的组织性能特点所决定，在进行焊接工艺实验时，多选用高能量密度的焊接方法—激光焊。资料[14,15]认为激光焊接焊缝和热影响区窄，熔深大，加热冷却速度快，适合焊接对热敏感的超级钢。采用较小的激光功率并配合较慢的焊接速度，可减少粗晶区硬化倾向。对12mm中厚钢板正反面均用6kw功率，1.0m/min焊速可焊密。对3mm厚钢板应采用2.1kw功率，1m/min焊速焊接。对1.6mm厚深度轧制钢，为减少软化区宽度，应采用2kw功率，2.5m/min焊速焊接。超级钢激光焊接接头粗晶组织以韧性较好的下贝氏体为主，3mm厚SS400钢粗晶区韧性可达到与母材同等水平。终轧温度较高的SS400钢激光焊接接头无软化区，接头强度高于母材。资料[16]认为：激光焊将使焊接产生较大的熔深/熔宽比，激光焊接的HAZ接头没有软化区域，接头的拉伸强度也高于基体的强度，且具有良好的弯曲韧性。资料[17]实验结果表明：超级钢中过度变形的晶粒在激光焊接过程中会发生再结晶过程，从而在焊接接头中将会出现硬度低于母材的再结晶区，通过采用高激光功率和高焊接速度的硬规范可以减小再结晶区的宽度和HAZ宽度，使接头强度高于母材，而塑性不低于母材。资料[18]的实验结果认为：在保证均匀熔透的条件下，随激光功率的增加，所需的线能量减少，热影响区窄，有利于抑制接头晶粒过度长大和减小热影响区尺寸，改善接头性能。采用高功率和高速度的硬规范焊接超级钢可获得热影响区更窄，力学性能良好的接头。
5．3．2超级钢等离子弧焊工艺研究
   资料[19]对超级钢等离子弧焊接接头组织和性能进行了实验研究。并将实验结果同超级钢激光焊接接头进行了对比，结果表明：（1）激光焊缝冲击功高出等离子弧焊缝一倍以上，而且高于母材；等离子弧焊缝和母材的断口形貌为韧窝状的延性断裂，激光焊的断口形貌为河流状脆性断裂。（2）等离子弧焊接超级钢的焊缝组织为先共析铁素体，侧板条铁素体和珠光体；激光焊为贝氏体和低碳马氏体。
5．3．3超声波冲击处理工艺在超级钢焊接中的应用研究
资料[20]研究结果表明：经超声波冲击处理后，超级钢焊接接头的疲劳寿命，在应用范围200Mpa时比原始焊接接头的寿命延长8倍以上，而焊接接头的FAT值比原始焊接接头的FAT值提高66%。文章认为经超声波冲击处理后，焊接接头疲劳强度提高的原因是：在超声波的作用下，焊趾处的应力集中系数大大降低，并且在焊接区形成较大的表面压应力。
6超级钢焊接性研究动态和趋势
   由于超级钢自身的组织和特点，无论采取什么焊接方法，在焊接热循环的作用下，焊接热影响区晶粒长大是不可避免的，而晶粒的长大往往会造成性能的下降，应尽量降低热影响区和晶粒的尺寸。因此，在以后的超级钢焊接性研究中，研究热点应集中在高能量密度焊接方法（例如：激光焊、电子束焊）和低热量输入焊接方法（例如：窄间隙电弧焊，低温扩散焊，摩擦搅拌焊等）。但对于强度级别较低的钢（例如：400Mpa级以下钢种），也可尝试利用普通焊接方法例如：手工电弧焊，氩弧焊，等离子弧焊等，可通过采取强制冷却等方式来保证焊接接头的强度。
7结束语
   超级钢作为一种新型钢铁材料，由于其具有低成本，强度高，无污染，可反复回收利用等特点，因此具有广阔的应用前景。为了尽快将超级钢应用到实际生产中，其焊接性问题就成了一个急待解决的技术难题，但我们坚信在广大焊接技术人员的共同努力下，这个难题一定会被圆满解决，超级钢也将会得到越来越广泛的应用。（作者：赵洪运, 王国栋, 刘相华, 杜林

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