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JFE制鋼公司SA440-E高強度鋼板及配套焊接材料的開發
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-02-09
鋼板（SA440-E）的目標性能與獲得了（日本）國土交通大臣材料認定的現行HBL325、355、385及SA440的規格相同；且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部（FL）以及WM的0℃夏比沖擊吸收能（vEo），與在小熱量多層堆焊的鋼架梁端焊接接合部的性能要求相同，平均目標值≥70J。
?1?前言
從防震、耐震的觀點出發，在建筑領域都強烈要求鋼架結構物焊縫部實現高韌（性）化。現代城市越來越多的建筑在超高層化和大跨度化，所用柱材主要采用40mm厚度以上的高強（度）板焊成四面匣形樁，焊接工藝為ESW（電渣焊）和SAW（埋弧焊）。在高效的大熱量輸入焊接中，HAZ（焊接熱影響區）和WM（焊接金屬部）的顯微組織就會粗大化，從而造成原來（普通）鋼的韌性不可避免地下降。
JFE鋼公司開發的設計基準440N/mm2的建筑結構用高性能590N/mm2鋼材及焊接材料，完成了490～590N/mm2大熱量輸入焊接部韌性優良的建筑鋼板及其焊接材料的系列配套。
現概要介紹四面匣形樁的大熱量輸入焊接部高韌化技術—JFEEWEL和用此技術生產的590N/mm2鋼板（SA440－E）的母材性能、以及用配套焊接材料焊接的焊縫性能。
2?大熱量輸入焊接的應用及目標性能
匣形樁角部（即棱邊）焊接用SAW工藝而內擋板部焊接用ESW工藝。施加的焊接輸入熱量隨板厚的增大而增大，有時SAW超過60kJ/mm而ESW超過100kJ/mm。
以焊接內擋板的ESW焊縫為例：因其HAZ長時間滯留于1400℃高溫而使奧氏體（γ）晶粒顯著粗大化，在焊后冷卻中產生γ→α相變，從γ晶界生成粗大鐵素體的同時，因舊γ晶內變成了含在硬質島狀馬氏體（M－A）的上貝氏體（upperbainite)組織，故HAZ韌性低下。一般隨著鋼板的高強度、厚壁化和Ceq的增大，其韌性會顯著下降。
鋼板（SA440－E）的目標性能與獲得了（日本）國土交通大臣材料認定的現行HBL325、355、385及SA440的規格相同；且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部（FL）以及WM的0℃夏比沖擊吸收能（vEo），與在小熱量多層堆焊的鋼架梁端焊接接合部的性能要求相同，平均目標值≥70J。
3?大熱量輸入焊縫的高韌化技術
用大熱量輸入焊接匣形樁時，其HAZ高韌化技術包括γ晶粒細化技術、HAZ晶內組織控制技術、最佳成分設計及生產工藝、以及利用來自WM的B擴散以控制HAZ組織共4個方面內容，有效利用這些技術，即可實現建筑用高強度鋼板的開發和應用目標。
為了進行粗晶HAZ（下稱CGHAZ）的極小化，利用在高溫下穩定的氮化物和氧化物抑制γ晶粒粗大化是有效的。為此，著眼于在鋼中的彌散分布且在工業上易于控制的TiN，就最大限度應用其對γ晶粒的細化作用進行了研究。
在采用了熱微積分學（thermo－cale)的熱力學解析和實驗研究基礎上，對鋼中的Ti、N含量、Ti/N及微合金化（microalloying)進行控制，將TiN固溶溫度從原＜1400℃提高到了＞1400℃，從而實現了TiN質點的彌散分布。
用再現焊接熱循環裝置，將細化了γ晶粒的鋼加熱到相當于大熱量輸入焊接時HAZ溫度后的1400℃，再以80s慢冷至1200℃后急冷，以凍結鋼的高溫組織并調查了γ晶粒尺寸。結果表明，用γ晶粒細化技術可將其細化到200μm以下，從而實現了CGHAZ的極小化。
為了查明晶內組織對HAZ韌性的影響，采用Ceq在0.34%～0.44%間變化、厚60mm鋼板，進行相當于輸入熱量100kJ/mmESN焊接的1400℃加熱、在冷卻時間（△t800－500)＝1000s內從800℃冷至500℃的再現焊接熱循環，調查了再現的HAZ韌性變化和顯微組織的關系。結果表明，Ceq較高，加入合金量多的鋼變成了上貝氏體（簡稱UB）組織，其再現HAZ韌性顯著低下；而Ceq較低的鋼則變為鐵素體＋貝氏體（F＋B）和鐵素體＋珠光體（F＋P）組織，提高了再現HAZ韌性，此變化與鋼中M－A量的減少相對應。
另一方面，因Ceq低下而使與再現HAZ顯微組織變化相適應的硬度下降，故須考慮與鋼的強度級別相適應的焊縫強度成分設計。為了實現HBL325鋼HAZ組織的（F＋P）化，應控制其Ceq＝0.35%左右；還考慮到HBL385、SA440鋼的焊縫強度而控制其顯微組織為F＋B，從而進行了Ceq≤0.40%的合金設計。
4?焊接金屬的高韌化技術
在大熱量輸入SAW及ESW焊接中，即使在WM也會因組織的粗大化而使其韌性低下。為了實現WM的高韌化，就須完全抑制在舊γ晶界生成晶界F，且控制晶內為針狀F。
為此，向焊接材料中優化加入了強化淬透性元素、抑制晶界F元素和晶內針狀F相變促進元素，以控制WM的化學組成。因在SAW及ESW焊接時有20%～50%的母材稀釋，故控制WM組織時須考慮鋼板化學成分產生的影響。
因此，設定了焊接工藝及輸入熱量相適應的母材稀釋量，對焊接材料成分進行了周密設計，通過WM組織的最佳化實現了WM的高韌化。故所開發的焊接材料，就能配套用于以JFEEWEL技術生產鋼板的焊接中。
5?SA440－E鋼板的開發
在采用JFEEWEL技術生產的鋼板中，此前已介紹過HBL325－E、355－E及385－E，故現僅簡述SA440－E鋼板的試制及以母材、焊縫性能為中心的實機制造結果。
關于焊縫的韌性，無論在焊縫的WM、FL和HAZ的任何部位，其0℃夏比沖擊吸收能vEo都明顯超過了70J的目標值（最低78J、最高247J），表明其焊縫韌性優良。為了查明大熱量輸入焊接的焊縫強度，分別制作了平接焊縫和十字形焊縫，對之進行了抗拉試驗。結果表明，斷裂雖然都發生在HAZ，但其各自抗拉強度都超過了590N/mm2這個開發鋼板的目標值、而分別達611N/mm2和658N/mm2。
6?結語
JFE制鋼公司開發的這類鋼板及配套的焊接材料，能滿足多樣化的用戶需求，特別能適用于現代城市超高層和大跨度建筑物中對立柱等大型鋼結構的材料及制作。
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