JFE造船用高强度钢板

zhd1998cn

1．前言
    近年来，在造船领域随着采用集装箱船进行远距离货物运送的增加，集装箱船正朝着大型化方向快速发展。最近建造的集装箱船已从以往的6000TEU(twenty-feet equivalent unit：20英尺集装箱换算个数)发展到8000TEU，并计划建造超过10000TEU的超大型船。大型集装箱船所用钢材的强度和厚度都比以往钢材明显提高，屈服强度(YS)为390N/mm2，最大钢板厚度超过65mm。对这种厚钢板进行焊接时，如果采用以往的多层焊，焊接效率明显降低，因此采用了一种高效焊接方法，即二氧化碳气体保护电焊(EGW)。其焊接线能量超过了500kJ/cm，是一种前所未有的超大线能量焊接。另外，对于集装箱船以外的其它各种船舶，为提高造船效率，采用了单面单焊道埋弧焊和EGW等高效大线能量焊接方法，以适应高标准造船需要。
    在大线能量焊接过程中，焊接热影响区的组织会变得明显粗大，焊接接头部的韧性会大幅度下降。另外，对于强度和厚度都提高的钢板，如果采用以往的TMCP(控轧控冷)技术，必须增加碳当量(Ceq)。这是造成焊接性和焊接接头部韧性变差的原因。
    为解决这一课题，JFE钢公司开发了采用先进微合金化控制技术和最先进TMCP技术提高大线能量焊接时HAZ韧性的新技术“JFE EWEL”，并将该技术应用于可进行新型大线能量焊接用的钢板的开发，如大型集装箱船和LPG船等用造船钢板的开发。本文就“JFE EWEL”概况和应用这一技术生产集装箱船用YS390N/mm2级钢板、低温用钢板和YS355N/mm2级钢板进行介绍。
    2．“JFE EWEL”的概况
    2.1 大线能量焊接时的课题
    普通钢在大线能量焊接时，熔融边界线(熔合线)周围的温度会超过1400℃，奥氏体晶粒度会变得明显粗大，因此在焊接后的冷却时，从奥氏体晶界会生成韧性低的粗大侧板条铁素体。同时原始奥氏体晶粒内会生成上贝氏体，使焊接接头部的韧性大幅度下降。如果是强度高、厚度大的钢板，由于提高了Ceq，因此容易生成侧板条铁素体和上贝氏体，使韧性明显变差。
    2.2 “JFE EWEL”的技术要素
    为解决上述大线能量焊接时的课题，制定了3个技术要素作为大线能量焊接的技术措施即“JFE EWEL”的基本原理。(1)通过优化TiN晶粒度控制HAZ的晶粒度；(2)采用微合金化技术和独自开发的ACR(原子浓度比)技术控制HAZ晶粒内的显微组织；(3)采用Super-OLAC优化成分设计。另外，可根据不同用途钢材的要求特性，适当选择各种技术要素。通过控制晶粒度，可以使HAZ的粗晶粒区域减小。同时通过控制晶粒内的显微组织和优化成分设计，可以改善晶粒内的显微组织。以下就各种技术要素进行介绍。
    2.2.1 HAZ的晶粒度控制
    为最大限度减小大线能量焊接时HAZ的粗晶粒区域，必须控制高温下的奥氏体晶粒的成长。为抑制奥氏体晶粒的成长，应稳定利用在比以往高的温度下的氮化物和氧化物。如果采用以往的技术，由于TiN的固溶温度低，因此在焊接时的温度超过1500℃的熔合线周围，TiN会固溶，奥氏体晶粒会变得粗大，即使在大线能量焊接时距离熔合线数毫米的位置上也会出现TiN固溶和奥氏体晶粒的粗大化。针对这一问题，JFE钢公司根据采用Thermo-Calc的热力学研究和实验性研究，对Ti、N量和Ti/N比及其它微合金化技术进行了优化。结果可知，在把TiN的固溶温度由原来的不到1400℃提高到1450℃以上的同时，可以使TiN细化弥散，大幅度抑制HAZ的奥氏体晶粒的粗化。
    2.2.2 HAZ晶粒内的组织控制
    “JFE EWEL”通过控制粗大的侧板条铁素体和上贝氏体，控制会使晶粒内生成微细铁素体的晶粒组织，进一步提高了韧性。
    (1)ACR控制
    作为晶粒内铁素体核生成的点阵，有(Ca、Mn)S系非金属夹杂物。利用它们可以抑制侧板条铁素体和上贝氏体的生成，同时使晶粒内部组织细化，提高HAZ的韧性。但是，为使晶粒内铁素体晶核的生成点阵发挥作用，必须对O、S和Ca进行严格管理。采用了JFE钢公司独自开发的与Ca系夹杂物有关的形态控制指标ACR进行控制。将ACR控制在适当范围内，通过优化O、S和Ca添加量，可以使有利于铁素体核生成的CaS和MnS等复合夹杂物细化弥散。
    (2)B、N控制
    作为晶粒内铁素体生成的另一个方法就是充分利用B。在大线能量焊接时，由于焊接接头的冷却速度小，因此添加在钢板中的B在冷却过程中会析出BN。把该BN作为相变时晶粒内铁素体的晶核生成点阵，可以提高HAZ的韧性。钢中的固溶N是造成韧性变差的原因之一，利用BN也有助于提高HAZ的韧性。
    而且，JFE钢公司已发现在大线能量焊接时焊接金属中的B会向HAZ扩散，确立了在HAZ粗晶粒区域中B、N控制新技术，可有效提高HAZ的韧性。在靠近熔合线的最近处，即使是高熔点TiN，也不可避免地会出现一部分固溶，结果会产生固溶N。另一方面，由于大线能量输入的EGW所用的焊接材料含有B，因此B会从B含量较多的焊接金属向HAZ侧扩散。扩散的B和母材中添加的B一样与固溶N有关，因此在晶粒内铁素体生成核增加的同时，钢中的固溶N会减少。B的扩散量因板厚和焊接条件的不同而变化，根据需要控制添加到钢板中的B量，可使整个HAZ中的晶粒因BN而生成铁素体。另外，厚钢板焊接后的冷却速度小，B的扩散距离大，因此利用焊接金属中的B进行大线能量焊接效果好。
    根据添加微量B和控制ACR的开发钢在模拟焊接热循环后的显微组织与普通钢的比较可知，普通钢的显微组织以粗侧板条铁素体和上贝氏体为主，而开发钢以细铁素体为主。
    2.2.3 利用Super-OLAC进行最佳成分设计
    最近，在大型集装箱船采用了YS390N/mm2级、厚度65mm以上的高强度厚钢板。为使钢板达到高强度和大厚度，通常增加C量和添加合金元素，但这样会使CJFE EWEL”增加，HAZ韧性变差，因此最好将C量和合金元素添加量控制在最小。根据钢板的CJFE EWEL”和采用单焊道时的焊接线能量及焊接后生成的HAZ显微组织的关系可知，普通船舶使用的YS355N/mm2级钢板由于Ceq低、焊接线能量小，因此在单焊道焊接后组织以铁素体为主。相比之下，如果是集装箱船用的极厚YS390N/mm2级钢板，即使采用快速冷却，根据强度和厚度的增加，Ceq会增加到大约0.40%，因此在焊接后会生成韧性低的上贝氏体。为解决这一问题，“JFE EWEL”应用了可实现相当于最大理论极限冷却速度的Super-OLAC技术，最大限度地抑制CJFE EWEL”的增加，并抑制HAZ的上贝氏体的生成，从而大幅度提高了韧性。
    将“JFE EWEL”应用于各种厚钢板时应考虑板厚、要求的母材特性和实际应用的焊接方法，对各技术要素进行适当组合，从而使母材和焊接接头的性能最佳化。
    3．在造船用厚板中的应用实例
    提高大线能量焊接时HAZ韧性的技术“JFE EWEL”，在造船用各种钢板中的应用实例介绍如下。
    表1这采用“JFE EWEL”技术生产的集装箱船用YS390N/mm2级钢板的化学成分和母材特性。为控制HAZ的晶粒度和晶粒内的组织，添加了Ti、B和Ca。
   
                        表1     YS390N/mm2等级钢板的化学成分及力学性能
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     厚度     化学成分（重量百分比%）   其他      Cep   拉伸性质（横断面的）        夏比冲击性能
    （mm） C   Si    Mn    P     S                          YS       TS    EI       （纵断面的）
                                                        （N/mm2）（N/mm2）（%）  
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    80   0.08 0.22 1.54 0.007 0.001  Ti、B、Ca等  0.36     411      532     28           265
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    *Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5
   
   
                    表2    YS390N/mm2等级钢板的焊接条件
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      厚度   焊接   边缘预  焊接           焊道  电极  焊接电  电弧电  焊接速度 焊接线能量
    （mm）   方法   整加工  自耗                       流（A） 压（V  （cm/min） （kJ/cm）
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      80     EGW          DWS-50GTF         1    面部   400     42       2.9       680
                          DWS-50GTR              
                          KL-4GT
                         (神户制钢公司)          根部   400     40
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    采用Super-OLAC进行最佳成分设计后，尽管钢板的厚度达到80mm，但由于Ceq(Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5)在0.36mass%以下，因此母材具有充分的强度。对该钢板采用双电极EGW进行单焊道焊接。焊接接头的制作条件见表2。尽管焊接线能量高达600kJ/cm，但在-20℃时和与母材相同的试验温度-40℃时也具有良好的焊接接头特性。
    另外，对于要求具有良好低温韧性的LPG船用低温用钢板和F级钢板，采用本技术进行了开发。在这些钢板的焊接过程中，虽然焊接线能量比集装箱船用YS390N/mm2级钢板小，但在采用单面埋弧焊和EGW进行单道次焊接时，要求输入厚钢板的焊接线能量相当大，还要求具有良好的低温韧性，因此必须对大线能量焊接采取一些技术措施。
    表3为采用“JFE EWEL”技术生产的LPG船用YS355N/mm2级低温用钢板(板厚度17.5mm)的化学组成和母材特性。该钢板具有良好的低温韧性和母材特性。在焊接线能量108kJ/cm的情况下，对该钢板进行了单面埋弧焊接。此时的焊接条件见表4。制作的接头性能见表5。该钢板的焊接接头具有良好的强度和在低温下具有良好的接头韧性。
   
               表3  YS355N/mm2等级钢板低温化学成分及力学性能
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    厚度    化学成分（重量百分比%）       其他     Cep  拉伸性质（横断面的）  夏比冲击性能
    （mm）  C    Si    Mn    P      S                     YS       TS      EI （纵断面的）
                                                       （N/mm2）（N/mm2） （%）   
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     17.5  0.08  0.19  1.56 0.013 0.002  Ti、Ca等  0.34  426      522      22      351   
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    *Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5
   
             表4             YS355N/mm2等级钢板低温焊接条件
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     厚度    焊接   边缘预   焊接         焊道   焊接电  电弧电  焊接速度  焊接线能量
    （mm）   方法   整加工   自耗                流（A） 压（V  （cm/min）  （kJ/cm）
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    17.5   单侧SAW          US255           1     950      38      20        108
          （FAB）           PFI-50LT
                            RR-3
                            FAB-1
                            (神户制钢公司)     
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    表5        YS355N/mm2等级钢板低温焊接接头的力学性能
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     厚度     焊接方法    焊接线能量     拉伸强度             夏比冲击能量
    （mm）                （kJ/cm）    （N/mm2）    熔合线  HAZ1mm  HAZ3mm  HAZ5mm
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     17.5     单侧SAW       108           523         84      100     262    301
              （FAB）
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     *  试验试样：典型NK U2A型
     ** 试验位置：表面以下1mm

   
    表6为板厚50mm的船身用YS355N/mm2级钢板的化学成分和母材的力学性能。采用极厚钢板高效埋弧焊接法的KX法对钢板进行了单面单焊道焊接时的焊接条件见表7。KX法是一种高电流焊接法，每一焊道为大约130kJ/cm的大线能量焊接。根据制作的接头在-40℃时的HAZ韧性可知，采用“JFE EWEL”开发的钢板具有非常良好的接头性能，完全满足FH36的要求值。
   
                  表6      YS355N/mm2等级F级钢板的化学成分及力学性能
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      厚度    化学成分（重量百分比%）     其他    Cep  拉伸性质（横断面的）Charpy冲击性能
     （mm）  C    Si    Mn    P     S                   YS        TS    EI  （横断面的）
                                                     （N/mm2）（N/mm2）（%）      
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      50  0.07  0.19  1.56 0.008 0.002 Ti、Ca等  0.36   399      546    30      292
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    Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5
   
   
                表7          YS355N/mm2等级F级钢板的焊接条件
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     厚度    焊接   边缘预   焊接     焊道 电极 焊接电  电弧电  焊接速度  焊接线能量
    （mm）   方法   整加工   自耗               流（A） 压（V） （cm/min （kJ/cm）
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    50     双侧SAW         KW-101B     1    L   1600     35        50       132
            （KX）         KB-110           T   1200     45   
                           (JFE钢)     2    L   1700     35         55      139
                                            T   1300     45      
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    4．结语
    介绍了提高大线能量焊接时HAZ韧性的新技术“JFE EWEL”和采用该技术开发的各种造船用厚钢板的概况。采用“JFE EWEL”技术生产的钢板已广泛应用于大型集装箱船和LPG船等的建造，目前己生产了4万t以上。随着造船领域的不断发展，JFE钢公司正在为造船厂更多地使用具有良好母材特性和高效焊接时具有良好接头性能的大线能量焊接用钢板做努力，同时打算今后将“JFE EWEL”技术扩大应用于建筑、油罐、管线钢和海洋结构件等领域。