低合金高強(qiáng)鋼的焊接性

低合金高強(qiáng)（HSLA）鋼的焊接性主要包括兩個方面，其一是裂紋敏感性，其二是焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。在過往的40年，HSLA鋼取得了明顯進(jìn)展，精煉技術(shù)、微合金鋼技術(shù)、控軋控冷技術(shù)、形變熱處理（TMCP）等一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使得現(xiàn)代HSLA鋼的焊接性大大改善，尤其是HAZ冷列裂紋敏感性大大降低，粗晶區(qū)韌性大幅度進(jìn)步，高效率、大線能量焊接工藝得以應(yīng)用。然而，新的題目也伴隨著出現(xiàn)，如母材的低碳當(dāng)量高強(qiáng)度化使得冷裂紋從HAZ轉(zhuǎn)移到焊縫金屬中，多層焊接頭中的局部脆性區(qū)題目等。本文將論述HSLA鋼制造技術(shù)的進(jìn)步給焊接性帶來的變化，以及技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 HSLA鋼的技術(shù)進(jìn)步及其對焊接性的改善

過往40年，低本錢、高性能是鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要發(fā)展方向，從焊接性的角度來看，影響最大的是精煉技術(shù)和軋制技術(shù)。

1.1 精煉技術(shù)的影響

焊接熱裂紋、液化裂紋曾經(jīng)是低碳鋼、低合金鋼焊接的一個重要題目，隨著鐵水預(yù)處理、堿氧爐煉鋼、鋼包精煉、真空精煉等精煉技術(shù)的采用，鋼中S、P等雜質(zhì)元素的含量越來越低，熱裂紋、液化裂紋發(fā)生的頻率已降得非常低。

以管線鋼為例，目前的超純凈冶煉技術(shù)能夠達(dá)到如下水平：（P￡20p×10-6, S￡5p×10-6, N￡20×10-6, O￡10p×10-6, H￡1.0p×10-6）此外，上世紀(jì)80年代以來，模鑄已逐漸被連鑄所代替，2001年我國的連鑄比已超過90%，高均勻性連鑄技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了鑄坯中間偏析。

一方面，S、P等雜質(zhì)元素的含量越來越低，另一方面，雜質(zhì)元素的偏析程度越來越小，因此，HSLA鋼焊接性評定中已不再進(jìn)行熱裂紋、液化裂紋敏感性評定。

1.2 軋鋼技術(shù)和微合金化的影響

在上世紀(jì)五、六十年代，最廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)鋼就是C-Mn鋼，鋼材的強(qiáng)度主要靠進(jìn)步C的含量和合金元素的含量來實現(xiàn)，強(qiáng)度越高，冷裂紋敏感性就越大。

控制軋制的應(yīng)用始于六、七十年代，控制軋制與正火處理相結(jié)合，能夠降低鋼的碳當(dāng)量，進(jìn)步鋼材的抗裂性能，同時HAZ的韌性也得到了一定程度的進(jìn)步。然而，生產(chǎn)力的發(fā)展要求采用熱輸進(jìn)焊接，如造船業(yè)，焊接效率是加快制造進(jìn)度、降低本錢的關(guān)鍵因素，而對于軋制原有狀態(tài)和正火狀態(tài)鋼而言，熱輸進(jìn)焊接使得HAZ晶粒變得粗大，同時在粗晶區(qū)形成韌性很差的上貝氏體組織，針對這一技術(shù)題目，確立了Ti處理技術(shù)（1975年之前）：根據(jù)鋼中存在的氮（N）量，適當(dāng)加進(jìn)Ti，使TiN成細(xì)粒狀均勻分布，TiN能夠抑制奧氏體晶粒長大，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形核?；谕粰C(jī)理，微合金化技術(shù)得以發(fā)展，利用Nb, V, Ti等微量元素形成細(xì)小的碳氮化物生產(chǎn)的細(xì)晶粒鋼，能夠適應(yīng)較熱輸進(jìn)焊接。

1.3 變形熱處理技術(shù)的影響

70年代以后，非水冷型TMCP控制軋制技術(shù)應(yīng)用于熱軋鋼板材的生產(chǎn)。其特點是根據(jù)Ar3以上的溫度進(jìn)行軋制時，利用再結(jié)晶使奧氏體晶粒細(xì)化的同時，在奧氏體的未再結(jié)晶區(qū)導(dǎo)進(jìn)形變帶（位錯）來實現(xiàn)高強(qiáng)度乃至減少碳當(dāng)量的技術(shù)。利用此技術(shù)，能將微合金鋼中添加的Nb和V減少到0.02%以下，而且能將碳當(dāng)量減少到0.38%以下。

80年代以來，水冷型TMCP控制軋制技術(shù)受到廣泛重視。根據(jù)對軋制后的鋼板實施在線水冷卻可以進(jìn)步強(qiáng)度的觀點，世界各主要鋼鐵廠都采用了這一技術(shù)。水冷型TMCP技術(shù)能夠進(jìn)一步進(jìn)步強(qiáng)度而無須進(jìn)步碳含量和微合金元素的含量。最初，水冷型TMCP技術(shù)只適用于厚度小于25
mm的薄板的生產(chǎn)，1985年以后，隨著冷卻設(shè)備冷卻能力的加強(qiáng)，更大厚度鋼板（>50 mm）也能用此技術(shù)生產(chǎn)。現(xiàn)在，只有一些極大厚度的鋼板（如海上采油平臺用鋼）依然采用正火工序生產(chǎn)。
總之、控制軋制技術(shù)、微合金化技術(shù)和TMCP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得鋼材的碳含量和碳當(dāng)量大幅度降低，HSLA鋼的焊接性和焊接區(qū)韌性明顯改善。

2 現(xiàn)代HSLA鋼的焊接性

2.1 冷裂紋題目

眾所周知，擴(kuò)散氫、脆性組織和殘余應(yīng)力是冷裂紋產(chǎn)生的三要素，碳當(dāng)量公式（如IIW的CEN公式）、HAZ最大硬度等都被用來評價鋼材的冷裂敏感性。Pcm是應(yīng)用最多、影響最廣的經(jīng)驗公式。

對于現(xiàn)代HSLA鋼，由于TMCP技術(shù)和微合金化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，碳含量和碳當(dāng)量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明顯，除非在極端情況下（很大的拘束度或擴(kuò)散氫含量很高），一般不會遭遇冷裂紋。

值得留意的是焊縫金屬冷裂紋題目。母材強(qiáng)度的進(jìn)步和焊接性的改善，促使冷裂紋發(fā)生的位置從HAZ轉(zhuǎn)移到焊縫（WM）?；诤负箅S時間變化氫對局部臨界開裂應(yīng)力的影響，Matsuda等提出了判別高強(qiáng)鋼冷裂紋位置的基本方法，焊后焊縫中的氫含量隨時間單調(diào)減少，而HAZ的氫含量先從母材基礎(chǔ)值升高到峰值然后下降，整個過程只有幾分鐘，恰好與殘余應(yīng)力發(fā)生的過程同步，通過計算殘余應(yīng)力值-時間的變化、以及HAZ和WM受實時擴(kuò)散氫含量影響的臨界開裂應(yīng)力，即可猜測冷裂紋發(fā)生的位置。高強(qiáng)度焊縫金屬對裂紋敏感性大，當(dāng)然有利于WM冷裂紋。影響WM冷裂紋的還有殘余應(yīng)力值及其產(chǎn)生的時間，假如較早地產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，則有利于WM冷裂紋值。相反，低強(qiáng)度焊縫金屬、低殘余應(yīng)力或較晚產(chǎn)生殘余應(yīng)力有利于HAZ冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2 熱影響區(qū)的組織和韌性

HAZ由不同區(qū)域的組織構(gòu)成，每一區(qū)域的組織都受加熱速度、峰值溫度和冷卻速度的影響。對于單道焊，根據(jù)峰值溫度，HAZ可劃分為粗晶區(qū)（GCHAZ），細(xì)晶區(qū)（GRHAZ），中間臨界區(qū)（ICHAZ）和亞臨界區(qū)（SCHAZ）；對于雙道焊或多層焊，第二道焊道的HAZ與第一道重疊，在第一道的HAZ中形成被部分或完全再熱區(qū)，其中最引人注目的是亞臨界再熱粗晶區(qū)（SCGCHAZ）和中間臨界再熱粗晶區(qū)（ICGCHAZ）。

粗晶區(qū)（GCHAZ）的組織與韌性

粗晶區(qū)（GCHAZ）由于奧氏體長大和易形成脆性組織而倍受關(guān)注，在1000°C以上，奧氏體長大迅速，利用微合金元素形成微小的碳化物或氮化物粒子是限制奧氏體晶粒長大的有效途徑，Nb和Ti是應(yīng)用最多的微合金元素，在管線鋼、船板和建筑結(jié)構(gòu)中均廣泛使用，然而，必須嚴(yán)格控制其含量，使得碳氮化物粒子即不會太粗，也不會過分地細(xì)小。

粗晶區(qū)的相變組織是影響其韌性水平的主要因素。GCHAZ奧氏體在冷卻過程中發(fā)生相變，相變組織主要取決于材料的淬透性和冷卻速度，還取決于是否存在抑制晶界鐵素體的B以及晶內(nèi)是否有促進(jìn)鐵素體形核的細(xì)小粒子如TiO2，而這一切均能夠在相變溫度范圍中體現(xiàn)。
中間臨界再熱粗晶區(qū)（ICGCHAZ）往往是可能的低韌性區(qū)，尤其是形成M-A組元的情況下。在ICGCHAZ中，后續(xù)焊道將前邊焊道的粗晶區(qū)再熱到Ac1~Ac3的溫度，使其發(fā)生部分奧氏體化轉(zhuǎn)變，部分奧氏體化轉(zhuǎn)變導(dǎo)致局部富碳的奧氏體的形成，并在冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛紝\晶馬氏體。這些脆性的“小島”尺寸可達(dá)5mm，在ICGCHAZ中的相比例可達(dá)5%，因此導(dǎo)致ICGCHAZ的韌性大幅度下降。

局部脆性區(qū)（LBZ）一般發(fā)生在GCHAZ和IRGCHAZ，較少地發(fā)生在ICHAZ，上世紀(jì)80年代以來，LBZ題目引起了廣泛的關(guān)注和爭議，一方面，CTOD試驗發(fā)現(xiàn)LBZ的韌性很低，有時CTOD值低到0.05mm以下，另一方面，尚沒有關(guān)于LBZ導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)提早失效的案例。有關(guān)LBZ的研究很多，總的說來LBZ的韌性取決于LBZ的寬度，LBZ越寬，CTOD值就越低，而IRCGHAZD的韌性又是最低的，所以，在多層焊時焊道的布置和焊接工藝的控制十分重要。

3．新開發(fā)鋼種的焊接性

3.1 高強(qiáng)管線鋼
高強(qiáng)管線鋼指 X70以上的鋼級，至盡為止，X80是已建管線鋼中使用的強(qiáng)度最高的管線鋼。加拿大 Ipsco鋼鐵公司在1998年年報中明確指出，該公司已成功進(jìn)行了X90和X100 SSAW鋼管試生產(chǎn)，終極目標(biāo)是生產(chǎn)各種規(guī)格的X100鋼管。日本NKK、住友金屬、新日鐵、川崎制鐵及歐洲鋼管公司也相繼研制成功X90和X100UOE鋼管，正在研制X120鋼管。

為保障管線的安全可靠性，在進(jìn)步強(qiáng)度的同時，必須相應(yīng)進(jìn)步韌性。特別是高壓輸氣用鋼管，必須有很高的CVN。超低碳貝氏體和超低碳馬氏體被譽(yù)為21世紀(jì)的管線鋼，其鋼級為X80～X100(貝氏體)、X100～X120(馬氏體)。在成分設(shè)計上，大體上都是低碳（超低碳）的Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V（Ti）系，有的還加進(jìn)Mo、Ni、Cu等元素，因此，熱影響區(qū)的韌性不會比較低強(qiáng)度的管線鋼差，冷裂紋敏感性不大。對于強(qiáng)度高于600MPa的鋼，焊接時要特別關(guān)注WM冷裂紋題目，尤其是現(xiàn)場對接環(huán)焊縫必須采用超低氫焊接材料。

3.2超細(xì)晶粒鋼

上世紀(jì)90年代，世界主要產(chǎn)鋼國相繼開展了新一代鋼鐵材料的研究，其中，尤以日本的“超級鋼“計劃、中國的“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”和韓國的“21世紀(jì)高性能結(jié)構(gòu)鋼”引起世界鋼鐵界的矚目和熱情參與。

在新一代鋼鐵材料的研究中，最引人注目的是超細(xì)晶粒的研究，通過超細(xì)晶粒（最小1mm）實現(xiàn)強(qiáng)度翻番的目標(biāo)。超細(xì)晶粒鋼焊接的最大題目就是HAZ的晶粒長大傾向，為解決這一題目，須采用激光焊、超窄間隙MAG焊、脈沖MAG焊等低熱輸進(jìn)焊接方法。

4 結(jié)論

HSLA鋼生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，特別是精煉技術(shù)和TMCP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得鋼中碳含量明顯降低，合金/微合金元素得到更加有效地應(yīng)用，從而明顯地改善了HSLA鋼的焊接性，冷裂紋敏感性大大降低，HAZ韌性大幅度進(jìn)步，并進(jìn)一步適合于大線能量焊接。

然而，對于強(qiáng)度較高的HSLA鋼，應(yīng)留意焊縫金屬冷裂紋題目。對于大線能量焊接，還必須對其HAZ組織與韌性進(jìn)行評定，特別要留意多層焊的局部脆性區(qū)題目。

對于新發(fā)展的超細(xì)晶粒鋼，要采用高能量密度、低熱輸進(jìn)的焊接工藝來防止HAZ晶粒的過分長大。