大线能量钢板EH40轧制工艺和焊接性能研究

王纳，张宇，麻晗，秦亚飞

大线能量钢板EH40轧制工艺和焊接性能研究

王纳，张宇，麻晗，秦亚飞

（江苏省沙钢钢铁研究院有限公司，江苏 张家港 215625）

试制16、35和70 mm厚超大线能量焊接钢板EH40。基于“新一代氧化物冶金技术”路线进行成分设计，通过研究连续相转变行为制定轧制工艺，最后测试试制板的微观组织、力学性能和焊接性能。试制板组织为铁素体加少量珠光体，抗拉强度≥521 MPa，伸长率≥22%，‒40 ℃冲击吸收能量≥167 J。焊接热模拟结果表明，线能量为100～400 kJ/cm时，模拟CGHAZ在‒40 ℃下的冲击吸收能量≥56 J。分别采用三丝埋弧焊和气电立焊单道次焊透35 mm厚板，线能量>300 kJ/cm，焊接接头的抗拉强度≥520 MPa，焊接热影响区在‒40 ℃下的冲击吸收能量≥79 J。试制板EH40可满足超大线能量的焊接要求。

连续冷却相转变；冲击性能；EH40；焊接性能

焊接线能量或者热输入量，用于表征焊接过程中引入的热量，数值越大，表明引入的热量越大。常用的焊接方法，比如手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊接等，其线能量通常在10～50 kJ/cm之间。大线能量焊接，通常是指线能量在100～300 kJ/cm之间，可单道次完成厚度35 mm及以下钢板的焊接。当前船舶制造企业广泛采用的FCB焊接方法，即三丝埋弧焊，可实现20～35 mm钢板的单道次焊接成型，焊接线能量150～300 kJ/cm。对于35 mm厚普通钢板，采用线能量40 kJ/cm约需焊接15道次，而采用热输入量为300 kJ/cm的FCB方法可单道次完成焊接，焊接效率提高数十倍[1-4]。

针对如何通过改善钢板性能而改善焊接接头的冲击性能，尤其是热影响区的冲击性能，国内外相继开展了大量的研究工作，日本制铁开发了HTUFF技术，通过在钢中加入适当的Mg或Ca生成均匀弥散分布且热稳定性好的氧化物或硫化物微细粒子，抑制HAZ奥氏体晶粒的长大，实现良好的HAZ韧性。宝钢开发了ETISD技术，利用强脱氧剂进行钢液脱氧，有效地控制钢中微米级夹杂物和纳米级析出物，在大线能量焊接过程中，选择性地利用微米级夹杂物促进IAF的形成，或者利用纳米级析出物抑制奥氏体晶粒的长大。沙钢开发了SHTT技术，组合运用焊接熔合线旁奥氏体粗大化抑制、奥氏体晶粒内部微细化组织控制，以及脆性断裂组元M-A岛的抑制等关键技术，开发钢板在大线能量焊接条件下，焊接热影响区的低温韧性可满足‒20 ℃冲击功要求。该技术可进一步将钢板的焊接线能量从200 kJ/cm提高到300 kJ/cm左右的水平，SHTT技术主要包括的内容：焊接熔合线旁粗大化抑制；晶粒内部微细化组织控制；脆性断裂组元M‒A岛的抑制[5-6]。

沙钢基于SHTT技术开发的不同规格EH40船板力学性能符合船规要求，焊接热影响区表现出优异的低温冲击韧性。

1 试验方法

钢板成分设计采用SHTT技术路线，使用180 t转炉冶炼成320 mm厚连铸坯，化学成分如表1，之后在宽厚板5 m轧机上进行轧制，得到成品钢板。试样经磨制、抛光、4%硝酸酒精侵蚀后用光学显微镜观察钢板组织。

轧制钢板拉伸性能测试采用M12尺寸的试样，在250 kN拉伸试验机（Instron 5585）上进行。冲击试验在450 J（IMP450Jdynatup，Instron）试验机上进行，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。维氏硬度测试采用10 kg载荷。

连续冷却转变（CCT）试验在Gleeble 3800热模拟试验机上进行，具体参数为：以10 ℃/s的速度加热到1 150 ℃并保温2 min；以10 ℃/s的速度冷却到900 ℃，保温3 s后进行压缩，压下量50%，变形速率为1 s‒1。保温3 s后以不同冷却速度冷至室温。

焊接性能通过焊接粗晶区（CGHAZ）热模拟、FCB和EGW来评价，CGHAZ热模拟试验在Gleeble 3 800热模拟试验机上进行，试样尺寸为10 mm× 10 mm×76 mm，具体参数为：试样加热速率为180 ℃/s，峰值温度为1 450 ℃（保温3 s），采用Rykalin 2D模型，焊接热输入包括100、150、200、300 kJ/cm。

焊接试验采用FCB和EGW分别对35 mm厚试制钢板进行单道次单面焊接，坡口见图1，FCB焊材选用“US-36（焊丝）+PF-I55E（焊剂）”，EGW焊丝选用SC-EG50，无焊前预热与焊后热处理，焊接参数见表2。取焊道中部焊接接头，经过磨制、抛光和硝酸酒精侵蚀后用光学显微镜观察低倍形貌及金相组织，并取样进行力学性能试验。

表1 试验钢主要化学成分

Tab.1 Chemical composition of the tested steels wt.%

图1 试制钢板焊接坡口形式

表2 焊接参数

Tab.2 Welding parameters

2 轧制工艺制定

图2示出了在900 ℃变形量为50%时，不同冷却速度对相转变组织的影响。由图2看出，当冷速≤7 ℃/s时，得到铁素体（F）和珠光体（P）；随着冷速增加，贝氏体（B）含量增加，当冷速≥15 ℃/s时，得到100% B。此外，随着冷速增加，硬度值也从HV138增加到HV216。通过测量热膨胀曲线数据及观察组织绘制了CCT图（图3），冷速为1～20 ℃/s时，相转变开始温度和结束温度分别为710～609 ℃和502～640 ℃。

根据船级社规范规定，EH40钢抗拉强度≥510 MPa，依据经验公式m=3.734×HV‒99.8[7]，得出硬度≥163。故当冷速达到5 ℃/s时，可确保钢板足够的强度，为保证钢板韧性优良，组织需带有一定比例F和P[8-10]，因此冷速还需满足≤15 ℃/s。

3 轧制钢板组织和性能

3.1 轧板试制工艺

采用以上轧制工艺路径，进行了16、35、70 mm 3种厚度规格的钢板轧制，实际轧制工艺见表3，随着成品板厚增加，待温厚度增加，精轧温度减小，而终冷温度降低，板厚为70 mm时，终冷温度为580 ℃。

图2 试制钢板不同冷速下的显微组织

图3 试制钢板CCT曲线

3.2 轧板组织

图4为试制钢板的显微组织，16 mm出现了过冷现象，因此B含量比例高，F和P含量比例低，35和70 mm厚钢板组织以“F+少量P”为主，B含量较少，因/2（表示厚度）处冷速相对/4处慢[11]，故/2处组织偏大。

3.3 轧板力学性能

表4列出了轧制钢板的力学性能，其屈服强度≥381 MPa，抗拉强度≥521 MPa，伸长率≥22%，‒40 ℃冲击吸收能量≥167 J，强度和冲击性能均满足GB/T 714—2008要求。16 mm厚钢强度最高，冲击值最低，这和其组织类型相对应，但力学性能仍满足规范要求，可见此成分轧制工艺窗口较宽。/2处强度比/4处略低，这是因为/2处组织粗大所导致，这也是控轧控冷钢板组织的典型特征，图5为落锤实验样品的形貌，可知3种规格的钢板在温度为‒65 ℃时出现断裂，展现了良好的止裂性能。

表3 热轧工艺参数

Tab.3 Hot rolling parameters

图4 试制钢板轧后显微组织

表4 试制钢板轧后力学性能

Tab.4 Mechanical properties of the trial-produced steel plates after hot rolling

图5 落锤实验样品形貌

3.4 轧板焊接性能

3.4.1 焊接热模拟性能

图6列出了试制钢板的模拟焊接性能结果。结果表明，并不是热输入越低，冲击吸收功越高[12-15]，热输入量为100～400 kJ/cm时，模拟CGHAZ的‒40 ℃的冲击吸收能量≥56 J，热输入为300 kJ/cm时，冲击值达到最高。

图6 焊接模拟后CGHAZ的冲击性能

图7列出了上述模拟CGHAZ的典型微观组织。在热输入量为≤150 kJ/cm时，模拟CGHAZ以B为主；在热输入为300 kJ/cm时，晶界铁素体（GBF）开始粗化，晶内出现针状铁素体（AF）和多边形铁素体（PF）[16-18]；当热输入量增加到400 kJ/cm时，GBF粗化严重，损害了冲击性能。

3.4.2 焊接接头

图8和图9分别为FCB和EGW焊接接头的横截面低倍和热影响区组织。低倍检验和探伤检验未发现气孔、裂纹和夹渣等缺陷，焊接接头成形良好，CGHAZ组织主要为“GBF+PF+AF”。图8中GBF尺寸和热模拟300 kJ/cm的GBF尺寸相当，与图8相比，图9中GBF尺寸偏小，EGW的热输入量（319 kJ/cm）大于FCB（303 kJ/cm），但因焊接过程中EGW有水冷铜块的作用，导致高温停留时间变短[19-21]，因此EGW的GBF尺寸偏小。

表5为焊接接头力学性能，EGW焊接接头抗拉强度高于FCB接头强度，两者均断裂在母材位置，FCB焊接热影响区‒40 ℃冲击吸收能量≥79 J，EGW焊接热影响区‒40 ℃冲击吸收能量≥109 J。

图10给出了冲击值为119 J的熔合线（FL）位置的冲击断口典型形貌，冲击缺口覆盖焊缝（WM）、FL和CGHAZ 3个区域，FL两侧的WM和CGHAZ两个区域都呈现韧性断裂特征，韧窝大小和深浅不一，揭示了良好的冲击性能[22-26]。

图7 不同热输入焊接热模拟的CGHAZ显微组织

图8 FCB焊接接头横截面形貌和CGHAZ显微组织

图9 EGW焊接接头横截面形貌和CGHAZ显微组织

表5 焊接接头力学性能

Tab.5 Mechanical properties of the welded joints

图10 FL位置冲击断口形貌

4 结论

1）试制了16、35、70 mm厚度的超大线能量船板钢EH40，钢板组织为铁素体加少量珠光体，屈服强度≥381 MPa，抗拉强度≥521 MPa，伸长率≥22%，‒40 ℃冲击吸收能量≥167 J，满足GB/T 714—2008要求。

2）对试制钢板进行了焊接热模拟测试，焊接线能量100～400 kJ/cm时，模拟热影响区的‒40 ℃的冲击吸收能量≥56 J；对35 mm厚度钢板进行了三丝埋弧焊和气电立焊，热输入>300 kJ/cm，焊接接头的抗拉强度≥520 MPa，热影响区‒40 ℃冲击吸收能量≥79 J。

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Research on Rolling Process and Welding Properties of EH40 Suitable for Large Heat Input Welding

WANG Na, ZHANG Yu, MA Han, QIN Ya-fei

(Institute of Research of Iron and Steel (IRIS), Shasteel, Jiangsu Zhangjiagang 215625, China)

EH40 steel plates with a thickness of 16, 35 and 70 mm was successfully hot rolled based on new oxide metallurgy route and study of continuous transformation behavior, and thus microstructure, mechanical property and weldability of the rolled plates were examined. The plates consist of ferrite and pearlite, and show a tensile strength ≥ 525 MPa, elongation ≥22% and an impact absorbed energy at ‒40 ℃≥ 247 J. The single-pass welding of 35 mm thick test plate was conducted by using FCB and EGW, which has a heat input of >300 kJ/cm. The welded joints exhibit a tensile strength of ≥ 520, and impact absorbed energy at ‒40 ℃≥79 J were observed for heat affected zone. The developed steel EH40 is suitable for ultra-large heat input welding.

continuous cooling transformation; impact property; EH40; welding property

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.011

TG142.7

A

1674-6457(2022)10-0078-07

2022-07-28

王纳（1985—），女，硕士研究生，主要研究方向为低合金高强钢板及配套焊接工艺及焊材开发。

张宇（1978—），男，博士，正高级工程师，主要研究方向为先进钢铁材料开发。