[发明专利]大线能量焊接用厚钢板中纳米析出物的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及大线能量焊接用厚钢板的冶炼技术，特别涉及大线能量焊接用厚钢板中纳米析出物的控制方法。

背景技术

在造船、建筑、压力容器、石油天然气管线以及海洋平台等许多领域，提高厚钢板焊接热影响区的韧性已经成为越来越迫切的要求。然而，在传统厚钢板的焊接过程中，焊接热影响区的强度和韧性随着焊接线能量的提高而大幅下降，因此提高厚板的大线能量焊接性能成为引人关注的课题。提高厚钢板的大线能量焊接性能，不仅可以提高造船、建筑、管线等行业的作业效率，缩短作业工时，改善劳动条件，降低制造成本，而且有利于环境保护和节能减排。

在厚板的大线能量焊接过程中，防止热影响区性能的恶化是开发大线能量焊接用钢的关键。一般经过TMCP工艺制造的具有微细组织结构的厚钢板经过焊接热循环之后，原来良好的组织结构遭到破坏，奥氏体晶粒明显长大，形成粗晶热影响区，使大线能量焊接过程中焊接热影响区的韧性降低。

在粗晶热影响区导致脆化的组织是冷却过程中形成的粗大的晶界铁素体、侧板条铁素体和上贝氏体，以及在晶界铁素体近傍形成的珠光体、在侧板条铁素体的板条间形成的碳化物岛状M-A组元等。随着旧奥氏体晶粒粒径的增加，晶界铁素体和侧板条铁素体等尺寸也相应增大，焊接热影响区的夏比冲击功将显著降低。

提高厚钢板大线能量焊接性能，一般有两种有效措施。其一是细化焊接热影响区的奥氏体晶粒。细化奥氏体晶粒的方法是利用在钢材中弥散分布的微细夹杂物，特别是纳米析出物作为钉扎粒子，在焊接热循环的过程中，钉扎奥氏体晶界的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。这样就可以减小脆性组织晶界铁素体和侧板条铁素体等的尺寸，达到改善焊接热影响区韧性的目的。

其二是在焊接冷却从奥氏体到铁素体的相变过程中促进晶内针状铁素体的形成。这样一方面可以通过针状铁素体的分割作用减小晶粒大小；另一方面，针状铁素体的韧性良好，有利于改善焊接热影响区的韧性。

对比促进晶内针状铁素体形成的方法，细化焊接热影响区奥氏体晶粒的方法，其效果更加直接、有效。可以发挥钉扎作用的粒子必须同时具备在钢材中的分散性和焊接高温下的稳定性这两种特性。Fe₃C、VC、TiC、NbC等碳化物粒子，以及AlN、TiN等氮化物粒子虽然可以在钢材中微细分散，但是在焊接热循环的融合线附近的温度超过1400℃的高温下，发生固溶或者长大，不能很好地抑制奥氏体晶粒的长大。Al₂O₃、Ti₂O₃等氧化物粒子，虽然在焊接热循环的高温下可以稳定存在，不发生固溶，但是这些粒子粒径较大，也不能很好地抑制奥氏体晶粒的长大。强脱氧剂Mg、Ca、REM等氧化物和硫化物粒子，尤其是Mg的氧化物粒子，同时具备在钢材中的分散性和焊接高温下的稳定性这两种特性，可以有效地钉扎奥氏体晶界的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。

实际上，能够有效发挥钉扎作用，抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大的粒子，应当尺寸较小、数量较大，特别是大量弥散分布的纳米粒子具有良好的钉扎效果。因此，如何在冶炼和凝固过程中确立生成微细弥散分布的纳米析出物的工艺条件，并对钢材中纳米析出物的成分、粒径和数量进行合理的控制，抑制奥氏体晶粒长大，成为提高厚钢板大线能量焊接性能的关键。

日本专利JP3378433(児島明彦、渡辺義之、千々岩力雄：溶接熱影響部靭性の優れた鋼板の製造方法，JP3378433，1996.4.12。)介绍了利用钢中的MgO微粒改善厚钢板焊接热影响区韧性的方法，指出随着钢中Mg含量的提高，MgO粒子的数量大幅度增加，在焊接过程中高达1400℃加热时，奥氏体晶粒的长大受到明显的抑制。日本专利JP3476999(児島明彦、渡辺義之：溶接熱影響部靭性の優れた鋼板，JP3476999，1996.5.21)将钢材中的MgO夹杂分成纳米级夹杂(50-500nm)和微米级夹杂(0.5-5μm)两类，这两类夹杂的数量随着钢中Mg含量的增高而显著增加，可以显著降低奥氏体晶粒的粒径，并减小焊接热影响区脆性组织晶界铁素体和侧板条铁素体的尺寸，从而改善厚钢板的大线能量焊接性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种大线能量焊接用厚钢板中纳米析出物的控制方法，形成的纳米析出物尺寸小、数量大，在钢材中微细弥散分布，可有效钉扎焊接热影响区奥氏体晶粒的长大，提高厚板大线能量焊接性能。