毕业论文：WELDOX960高强钢焊接性研究-精品(3)

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焊接又便于热处理的低合金高强钢，以适应不同结构对钢材的需求。我国“新一代低合金高强钢的基础研究”项目已经启动，目标是提高钢材的纯净度、均匀性、超细化组织（力争晶粒尺寸小于1μm），使合金钢的强度、韧性比现有钢种提高一倍。此课题的研究将为今后新一代低合金高强钢在我国的深入研究、推广和使用做出一些基础性探讨工作。 1.1.2国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况

国外对低合金高强钢的研究和使用己经很多年了，尤其是超高强结构。最近几十年来，国外特别注重通过冶金的方法从根本上解决钢的焊接性问题，通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器用钢等，为焊接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。

日本首先于1997年投资6000美元启动了“STX-21超级钢铁材料”项目，通过超细化和微合金化使钢铁材料的寿命和性能提高一倍，平均晶粒尺寸从10μm降到0.77μm[6]，使普通C-Mn钢的抗拉强度从405MPa 提高到800MPa。瑞典的SSAB OXLOSUND公司从90年代开始研制高强钢，到目前为止，已经生产出全世界屈服强度最高的结构钢板WELDOX1100。

WELDOX960属于低合金高强结构钢，是SSAB OXELOSUND公司WELDOX系列产品，该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数并配以适当的热处理来实现强韧性的。作为新一代钢种,WELDOX960高强钢以其优良的性能，如高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等满足了焊接结构多方面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车、发电设备等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢随着性能的不断改善，在许多结构方面的应用已占相当大的比例，特别是海

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洋用钢、建筑用钢等方面。近几年国外在不同结构上使用低合金高强度钢的比例列于表1－1中[2]。

表1－1低合金高强钢在不同结构中所占的比例（%）

Tab. 1-1 Percent of HSLA in different fields (%)

项 目 结构用型钢 船舶用型钢 钢 板 钢 钢 筋 建筑用钢 海洋用钢板 海洋用型钢

欧 洲 30 15－30 20 100 95 90 70

北 美 20 20 15 5 80 30 20

日 本 10 10 100 10 70 70 10

1.2新一代低合金高强钢的主要特点

新一代低合金高强钢的特点是超细晶粒、超洁净度、高均匀性，其强度和寿命比原同类钢种提高一倍。超细晶粒是指钢材晶粒尺寸达到0.1-10μm，超洁净度是指钢中S、P、O、N和H等杂质元素的含量降低到0.005%以下；高均匀性是指钢材的成分、组织和性能的高度均匀，并强调了组织均匀的主导地位[3]。新一代低合金高强钢主要通过冶金处理和各种强化途径来实现其强韧性。

1.2.1新一代低合金高强钢的冶金特点 1. 洁净化

钢材的洁净化具有两个含义，一是最大限度地去除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。钢的洁净化能够显著提高钢材的强韧性和焊接接头的抗裂性，使钢材的焊接性得到明显提高，当然要求焊缝也必须洁净化。目

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前大工业生产中钢水的洁净度从普通钢的W(S+P+O+N+H)≤250×10-6降低到经济洁净钢的W(S+P+O+N+H)≤120×10-6。国外一些先进钢厂对S、P、O、H、N的总量已控制在50×10-3以下，达到超洁净钢的水平，并且有进一步降低的趋势。 2. 细晶化

新一代低合金高强钢的细晶强化是采用多元微合金化和控轧控冷技术较大幅度地细化晶粒来提高钢的强韧性。如70年代生产的性能优良控轧钢CR钢Controlled Rolling），80年代通过对轧制后立即加速冷却所生产的TMCP钢（Thermal-Mechanical Control Process）。其基本思想是根据轧制方法的不同，向钢中加入微量的Ti、Mo、V、B、Re等合金元素中的一种或几种，阻止高温奥氏体的长大，控制奥氏体的再结晶温度，增加铁素体的形核率，并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。 1.2.2新一代低合金高强钢的强化途径

实现新一代低合金高强钢的强化主要有两条途径：热处理强化和合金强化。

1. 热处理强化

热处理是提高钢材强韧化最有效和最经济的方法之一。所谓热处理强化是将钢板加热至奥氏体化温度，然后控制冷却速度得到晶粒细小，强度和韧性比较好的组织。因为热处理可以细化奥氏体晶粒，使晶界增加，抗塑变能力提高，从而提高钢材的强度。另外，通过热处理控制组织及其形态也可以达到强化的目的，比如针状铁素体、低碳马氏体和粒状贝氏体等。

2. 合金强化

合金强化是新一代低合金高强钢的另一强化途径。钢中加入St、Mn、

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Cr等合金元素，除了可以固溶强化基体外，还可使CCT曲线向右移动，相同冷速下可获得更加细小的珠光体组织，以提高其强度。钢中加入强碳化物形成元素Nb、V，当它们固溶到奥氏体中去时，可使CCT曲线向右移动，起到延缓珠光体开始转变的作用。当形成第二相颗粒时，则起到析出强化作用。另外，无论是固溶态还是析出态的Nb、V，都可延缓奥氏体再结晶，起到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。

新一代低合金高强钢的发展趋势是：开发既具有良好焊接性能，又适合于热处理的微合金钢，此种钢在合金元素强化的基础上，再经热处理可得到更高强度，而塑性韧性不降低。

1.3新一代低合金高强钢对焊接材料的要求

钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化和细晶化，否则焊缝的性能将不能与新钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。因此，使焊接材料不断适应钢种的发展要求是亟待解决的重要课题。 1.3.1新一代低合金高强钢的焊接性

由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接中面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPa级和800MPa级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决[6]。

随着冶金技术的提高，新钢种的强度级别和焊接性能也在不断提高，这就需要研发高质量的焊接材料与之相匹配，实现焊缝的强韧化。对于新一代低合金高强钢的焊接技术，主要应向高效和自动化方向发展，在不提高合金元素的条件下，强度、寿命均提高一倍，这不仅是钢铁材料的重大

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变革，而且也对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的挑战。

随着强度级别的提高，板厚的增大，钢材焊接的冷裂纹倾向增大。焊接热影响区的软化和脆化往往是造成断裂，诱发灾难性事故的根源。因此，如何避免热影响区的软化和脆化，保证该区域的强度和韧性是确保安全运行的关键问题之一。

1.3.2新一代低合金高强钢对焊接材料的要求

基于新一代低合金高强钢自身的特点，对焊接材料也提出了相应的要求。

1. 焊缝金属的洁净化

焊缝金属的洁净化是与钢板洁净化的含义相对应的，焊缝金属的洁净化同样意味着焊缝金属中的S、P、N、H、O元素的含量尽可能低，而且还要控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布。这样不仅可以显著提高焊缝金属的冲击韧度，而且还可以降低焊缝金属的裂纹倾向。实现焊缝金属洁净化的主要途径有：

a) 对杂质含量进行严格的控制，通过冶炼技术实现焊接原辅材料的洁净化。

b) 优化配方及工艺参数，利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮和除氢。

c) 通过焊缝的微合金化、洁净化和使焊缝中出现大量的针状铁素体，达到显著提高焊缝金属的强韧性和抗裂纹扩展能力的目的。

2. 焊缝金属的强韧化

焊缝金属的强韧化主要是通过合金化控制焊缝的组织实现的。对400MPa级的调质钢，只要通过调整焊缝组织使其获得细小的针状铁素体即可获得理想的强韧性，而对于800MPa级的高强钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的

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