一种适应大线能量焊接的钢板及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种适应大线能量焊接的钢板及其制造方法。该钢板的化学成分包含：Ｃ：０．０５－０．１２ｗｔ％、Ｍｎ：１．２－１．６ｗｔ％、Ｓｉ：０．１２－０．３５ｗｔ％、Ｐ≤０．０１５ｗｔ％、Ｓ≤０．００６ｗｔ％、Ａｌ≤０．０１５ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５－０．０２ｗｔ％、Ｎｂ：０．００８－０．０５ｗｔ％、Ｎ：０．０００１－０．００６ｗｔ％、Ｎｉ≤０．５ｗｔ％、Ｍｏ≤０．５ｗｔ％、Ｃａ：０．００１－０．００４ｗｔ％，余量为Ｆｅ和不可避免的杂质，其碳当量为０．３２－０．４３。本发明专利技术通过对钢坯中夹杂物进行形态控制，并采用控轧控冷的轧制工艺，制得一种适应大线能量焊接的钢板。该钢板低温韧性良好，尤其是大线能量焊接以后具有优良的接头韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢铁材料领域，具体地说，本专利技术涉及一种在大线能量焊接条件下具 有高焊接热影响区韧性的钢板及其制造方法。
技术介绍
高强度低合金钢厚板是一种重要的工程材料，广泛应用于造船、海洋平台、油气 管线、大桥、高层建筑、压力容器以及机械制造等工业领域，其性能指标中既有力学 性能要求，也有焊接性能要求，其中焊接性能特别是焊接热影响区(HAZ)的韧性成 为关系构件使用安全的一个重要指标。但经历焊接热循环以后，HAZ晶粒粗化将导致 钢材局部的低韧性，由于韧性反映了材料抵抗裂纹萌生和扩展的能力，低韧性意味着 材料的使用安全存在风险，因此使焊接接头部位和母材获得相近的韧性(即等韧)一 直是人们努力的目标。国外很早就注意到结构钢厚板HAZ的低韧性，如德国标准DIN17102—81除了对 钢板的力学性能提出要求之外，还规范了HAZ的夏比冲击性能，一2(TC夏比冲击功大 于27J (横向)或者47J (纵向)。与此相适应，在工艺技术方面，发展了结构钢厚板 的纯净化冶炼特别是降低钢中的硫含量和对钢水进行钙处理，以及通过控轧控冷降低 碳当量等技术，这些措施对于提高钢的低温冲击性能有很好的效果。为保证焊接接头 的性能，还对焊接工艺和材料作了严格的规范，对于一些重要的构件如油气管线，往 往控制焊接的线能量输入。但近年来，为了提高焊接效率，特别是随着钢板厚度和强 度级别的提高，为保证一次成型以及焊缝质量，焊接时需要更大的热量输入，从较大 线能量的埋弧自动焊(30 —50kJ/cm〉到大线能量的气电焊、电渣焊，大线能量焊接工 艺得到了较多的应用，特别是用于船板的焊接，单道次焊接线能量达到100kJ/cm甚至 400kJ/cm以上，在焊接线能量输入不断提高的条件下，保证钢板的焊接性能特别是 HAZ的低温韧性引起了特别的关注。在大线能量焊接条件下由材料自身原因所引起的接头的低韧性可能源于以下因素1、大的热量输入导致HAZ奥氏体晶粒的粗化，并将进一步得到粗大的常温组织，显著提高钢的脆性转变温度。2、 因HAZ温度梯度的升高和冷却速度的降低，过冷奥氏体转变后形成较多脆性 组织如晶界铁素体、MA组元等。3、 粗大的或者硬脆性的夹杂物，这些夹杂物既包括钢板中原有的较大颗粒夹杂物 (如硅酸钙、氧化铝)，也包括钢板中原有颗粒较小但在焊接过程中明显粗化的夹杂物或者析出物(如TiN， A1203)，还包括某些硬脆性夹杂物如Ab03或者铝镁尖晶石(MgO A1203)等。研究表明，对于Al203夹杂物，即使5微米大小就有可能在其与基体界 面形成应力集中引发脆断。所以，为提高钢板焊接接头韧性，需要同时控制接头得到细小的组织和减少出现 粗大或者脆性的夹杂物，在大线能量焊接条件下，对此要求更为苛刻。现有大多数专利文献涉及的大线能量焊接钢板主要通过TMCP控制轧制技术从而 提高钢板抗大线能量焊接性能。控制轧制过程之所以能够得到非常细小的晶粒，是因 为在控制轧制过程中形成的数十纳米大小的析出物颗粒如碳化物、氮化物或者碳氮化 物能够钉扎位错线的移动从而阻止晶界的迁移和晶粒的长大。但是，由于这些细小析 出物的固溶温度均较低，即使固溶温度较高的TiN，在140(TC左右其数量也将明显减 少并粗化，因此，它们对位错线的钉扎作用大为减弱。而在大线能量焊接条件下，熔 合线的温度可以达到1500°C，因缺乏析出物对位错线的钉扎效果将导致奥氏体晶粒明 显粗化，导致钢材的低韧性。很多高熔点的氧化物在1500。C甚至更高温度下是稳定的， 一些特定的氧化物还因 为特殊的界面特性可以影响焊接冷却过程中过冷奥氏体的转变，从而可用于对HAZ 的微观组织进行控制。如美国专利文献5，985，053提出采用含Ti和Mg的氧化物，粒 度控制在5微米以下，这些夹杂物在500-80(TC温度区间能够作为核心诱发针状铁素 体组织，经焊接热模拟(峰值温度140(TC， 500-80(TC时间27秒)一20。C夏比冲击功 150J以上。但该焊接热模拟工艺对应的线能量输入仅40,000-60,00J/cm，还算不上大 线能量，且该文献未提供实物焊接的数据，无法评价钢材在大线能量悍接条件下的接 头韧性。CN200510023216.0涉及一种可大线能量焊接的厚钢板及制造方法，提出添加稀 土元素，通过形成稀土氧化物来获得提高钢的抗大线能量焊接特性，但稀土元素为活 泼元素，且在浇钢过程中容易导致水口堵塞，因此在实际应用中有很多限制。美国专 利124759和CN200710052132.9提供了一种大线能量焊接高强度船板钢，它们均使用 硼，利用其中的BN来钉扎奥氏体晶粒的长大，但这种方法对钢中的硼含量(5-15ppm)和氮含量要求苛刻，生产上的难度比较大。如上所述，在大线能量焊接条件下夹杂物的形态控制是一项关键技术，这既包括 寻找能够在高温下稳定性好的夹杂物或者析出物来钉扎位错防止奥氏体晶粒长大，也 包括在钢中形成微细化的夹杂物。对于后者，必须考虑钢的成分设计特别是硫含量及 Mn/S、钙处理、脱氧工艺以及连铸二冷工艺等因素。针对以上问题，本专利技术者进行了化学成分配比的研究，且通过对钢坯中夹杂物的 形态控制，设计出了一种适应大线能量焊接的钢板，从而完成了本专利技术。本专利技术的一个目的在于提供一种适应大线能量焊接的钢板。本专利技术的另一个目的在于提供这种钢板的制造方法。
技术实现思路
本专利技术的第一个方面提供一种适应大线能量焊接的钢板，该钢板的化学成分包含C: 0.05-0.12wt%、 Mn: 1.2-1.6wt%、 Si: 0.12-0.35wt%、 P《0.015wt%、 S《0.006wt%、 Al《0.015wto/o、 Ti: 0.005-0.02wt%、 Nb: 0.008-0.05wt%、 N: 0.0001-0.006wt%、 Ca-0.001-0.004wt^,余量为Fe和不可避免的杂质，且所述钢板中的碳当量为0.32-0.43。在一个优选实施方式中所述钢板的化学成分中还包括Ni《0.5wt%、 Mo《 0.5wt%。碳当量可根据下式确定碳当量C^q=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 。下面，对所述适应大线能量焊接的钢板的一些化学成分的作用作详细叙述。C是决定钢材强度和焊接性能的主要元素，当碳含量过低，难以满足所需要的强度，而且钢板厚度规格过大时，板厚中心低温冲击性能达不到要求，但过高的碳含量会给钢的可焊性及连铸的可浇性带来不利。Si是作为脱氧元素而添加的，硅含量较低的话，钢水氧化性比较高，炼钢过程成分控制难度增大，但硅含量过高，钢中组织容易脆化，焊接时出现裂纹的可能性将大大增强。Mn是主要的强化元素，为保证钢板强度，应加入一定量的锰，但添加量过高的 话，会导致碳当量增高，从而使得钢板的焊接性能变差。P是杂质元素，理论上要求尽可能低，但对于炼钢过程来说，过低的P含量要求 会大大增加生产成本，而对性能的增益则有限。S也是一种有害元素，高的硫含量会提高钢板的脆性转变温度，降低钢的可焊接性能，但过度要求低的硫含量也会明显增加炼钢成本，降低其可制造性，综合考虑， 一般控制在0.006wty。以下为宜。Nb能提高轧制过程的再结晶温度，促进晶粒细化，还能与Ti形成复合氮化物， 降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适应大线能量焊接的钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分包含：Ｃ：０．０５－０．１２ｗｔ％、Ｍｎ：１．２－１．６ｗｔ％、Ｓｉ：０．１２－０．３５ｗｔ％、Ｐ≤０．０１５ｗｔ％、Ｓ≤０．００６ｗｔ％、Ａｌ≤０．０１５ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５－０．０２ｗｔ％、Ｎｂ：０．００８－０．０５ｗｔ％、Ｎ：０．０００１－０．００６ｗｔ％、Ｃａ：０．００１－０．００４ｗｔ％，余量为Ｆｅ和不可避免的杂质，且所述钢板中的碳当量为０．３２－０．４３。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑庆，沈建国，马志刚，吴扣根，刘自立，胡会军，曹能，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]