[发明专利]一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法

说明书

本发明公开了一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法，本方案通过合理的成分设计、浇注、轧制、冷却工艺环节控制后，使其在母材中形成细小弥散的（Ti、Si、Al、Mn）O、MnS类型的夹杂物，尺寸多在0.5μm～2μm之间，并以该类夹杂物为核心，生成大量细长状的针状铁素体(AF)组织，使得母材具有较高的力学性能。经过200～800kJ/cm大热输入焊接后，焊接影响区(HAZ)中AF组织转化为等轴铁素体组织，HAZ的‑40℃低温冲击韧性并没有降低，反而略有增加，并且HAZ韧性不受焊接热输入的影响，大幅度提升焊接效率的同时HAZ还具有稳定的力学性能。

技术领域

本发明属于低合金高强钢焊接技术领域，具体涉及一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法，可提高焊接效率同时提升热影响区韧性。

背景技术

在造船、海洋平台、石油储罐等大型装备机械制造领域，焊接作为生产加工的重要环节越来越受到重视，随着加工构件的大型化和高强度化，为了提高焊接施工效率并降低生产制造成本。在此背景下，气电立焊、电渣焊、埋弧焊等大热输入焊接方法在中厚板相关制造领域中得到广泛应用，但是当焊接热输入量提高后，焊接接头所经历的焊接热循环峰值温度升高，导致冷却速度变慢，容易造成焊接热影响区（HAZ）的晶粒组织粗大，造成HAZ组织不均进而影响力学性能，成为限制大热输入焊接技术进一步推广应用的关键问题。

为解决大热输入焊接HAZ力学性能低下这一问题，国内外相关学者提出了“氧化物冶金”概念，通过在钢中添加大量的非金属夹杂物，可以诱导AF组织形核长大，实现HAZ晶粒组织细化、提高HAZ低温冲击韧性的目的。TiN作为“氧化物冶金”技术最早使用的夹杂物，在1300℃以下峰值温度条件下的效果明显，但是当焊接热输入量提高后，焊接熔合线的温度很容易超过1400℃，此温度将超过TiN的熔点，大部分TiN发生溶解固溶现象，失去诱导AF组织形核的作用。后来逐步采用Ti的氧化物替代TiN作为夹杂物，虽然Ti的氧化物熔点超过了1400℃，当焊接峰值温度超过1400℃以后，夹杂物可以稳定的存在，但是，Ti的氧化物在钢中微细弥散分布很困难，很容易聚集长大，形成大尺寸的夹杂物，当HAZ承受外界应力时，该类型的夹杂物很容易成为裂纹源，影响HAZ力学性能。因此，研发HAZ性能优良的大热输入焊接用钢成为学者努力的方向。

发明内容

为了解决现有大热输入焊接用钢热影响区韧性低下问题，本发明提供一种大热输入焊接用钢及其热影响区韧性提升方法。

该方法有别于以往研究，通过合理的成分以及制备工艺设计，可在轧态的焊接母材中直接形成AF组织，经过200～800kJ/cm大热输入焊接后，HAZ微观组织转变为等轴铁素体组织，-40℃低温冲击功并没有降低，反而略有增加，当焊接热输入量增加后，HAZ微观组织并没有粗化，-40℃低温冲击功保持稳定。

本发明的大热输入焊接用钢，以提高HAZ低温冲击韧性作为研发目标，综合考虑各种合金元素对大热输入焊接HAZ冲击韧性影响的基础上，优化合金成分设计，其化学组成质量分数为：C：0.06％～0 .12％，Si：0 .10％～0.40％，Mn：0.80％～2.30％，Al：0.03％～0.06％，P：≤0.015％，S：≤0.013％，Ti：0.05％～0.15％，B：0.002％～0.005％，余量为Fe，其中余量中的Fe内掺杂有极少量不可避免的杂质。

本发明的大热输入焊接用钢成分设计说明：

C：是较强的固溶强化元素，具有较强的淬透性，含量过低不能保证钢板自身强度，若C含量过高，形成大量M-A岛组织，焊接裂纹敏感性会增加，影响HAZ冲击韧性。

Si：是钢中重要的脱氧元素，也是夹杂物的组成元素，可促进AF组织的生成。如果Si含量过低，则不能有效发挥脱氧效果，若Si含量过高，引起固溶强化和第二相含量增多，容易形成坚硬的M-A组织使强度和硬度上升、韧性恶化。