1、本 科 毕 业 论 文大线能量焊接用钢的工艺性研究Study on the technology of large wire energy welding steel学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2015 年 5 月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的
2、个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录摘 要 .IAbstract.II引 言 .III第一章 绪论 .11.1论文相关研究背景 .11.2论文相关研究的发展状况 .21.3论文相关研究设计
3、的目的及意义 .3第二章 大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展 .42.1大线能量焊接用钢 CGHAZ的组织和韧性 .42.1.1奥氏体晶粒 .42.1.2 二次组织 .52.2针状铁素体的形核机理 .52.2.1 作为针状铁素体形核核心的氧化物种类 .62.2.2 作为针状铁素体形核核心的夹杂物的尺寸 .72.2.3 针状铁素体形核机制学说 .7第三章 大线能量焊接船体钢的研究 .93.1国内外大线能量焊接用钢的研究进展 .103.1.1 TiO处理技术 .113.1.2 Mg处理技术 .123.1.3 TiB处理技术 .133.2 Ti氧化物对大线能量焊接船体钢 HAZ 组织性能影
4、响的研究 .143.2.1 试验材料及方法 .153.2.2 A1、Ti 处理钢中夹杂物形成的热力学 .153.2.3 试验钢中夹杂物观察 .163.2.4 模拟焊接粗晶区的组织与性能 .183.2.5 微量 A1、Mg、Zr 对 Ti处理钢中夹杂物形成的影响 .193.2.6 夹杂物促进晶内针状铁素体的形核 .21结 论 .23致 谢 .24参考文献 .25大线能量焊接用钢的工艺性研究摘 要：大线能量焊接时由于高温停留时间长、相变冷却速度慢，焊接热影响区奥氏体晶粒急剧长大，得到侧板条铁素体为主的组织，韧性恶化。降低钢中的 C含量及碳当量(Ceq)、细化焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸以及改善焊接热
5、影响区的组织是发展大线能量焊接用钢的主要技术措施。“氧化物冶金”技术利用钢中细小的氧化物，通过促进晶内针状铁素体形核明显改善焊接热影响区的组织，成为大线能量焊接用钢最有效的技术途径。实验结果表明：TiMg 复合处理明显细化钢中氧化物颗粒尺寸，促进了晶内针状铁素体形核，在 100200kJcm 的大线能量焊接条件下粗晶热影响区得到针状铁素体为主的组织，一 20冲击功达到 350J。关键词：大线能量焊接 船体钢 氧化物冶金 焊接热影响区 低温韧性 Study on the technology of large wire energy welding steelAbstract: As the l
6、ong dwell time of high temperature and slow cooling rate in phase transfor mation during high heat input welding， the austenite grain rapidly grew in heat affected zone (HAZ)，the microstructure was composed mainly by ferrite sideplate which deteriorated the toughness propeyThe main technical measure
7、s to develop the high heat input welding steel included de creasing the carbon content and carbon equivalent of steel，refining the austenite grain size and impro ving the microstructure of heataffected zone(HAZ)Oxide Metallurgy Technology has become the most effective technical way for high heat inp
8、ut welding steel by significantly improving the microstructure of heataffected zone(HAZ)through stimulating acicular ferrite nucleation by making use of fine oxide particles in stee1The results showed that the TiMg composite treatment obviously refine oxide particles，and enhance the aeicular ferrite
9、 nucleation Under the hi gh heat input welding condi tion of 100kJcm to 200kJcm ，the microstructure of Coarse Grain Heat Affected Zone was mainly ac icular ferriteand the impact toughness value testing at 一 20 reached to 350J。Keywords: High Heat Input Welding，Ship Hull Steel，Oxide Metallurgy，Heat Af
10、fected Zone(HAZ)， LowTemperature Toughhess引 言20世纪初，自从火焰和电弧发展成为焊接热源后，焊接作为一项专业化的技术才逐渐被人们认同。自从 1901年瑞典人发明有药皮的焊条（标志着焊接技术的诞生）以来，焊接技术已经上百年来的经验积累和技术提高，取得了长足的进步。特别是 20世纪 50年代以后，焊接技术取得了更快的发展。1956 年出现了以超声波和电子束作为热源的超声波焊和电子束焊；1957 年出现了等离子焊弧和扩散焊；1965 年和 1970年出现了以激光束为热源的脉冲激光焊；20 世纪末出现了搅拌摩擦和微波焊。焊接技术几乎运用了一切可以利用的热源，
11、其中包括火焰、电弧、电阻热、超声波、摩擦热、等离子弧、电子束、激光、微波等。从 19世纪末出现碳弧到 20世纪末出现微波焊的发展来看，历史上每一种热源的出现，都伴随着新的焊接方法的诞生，并推动了科学技术的发展。至今，焊接热源的研究与开发仍未终止，新的焊接方法和新的焊接工艺不断涌现，焊接技术已经渗透到国民经济的各个领域。科学技术的发展使新的焊接方法不断产生。20 世纪 80年代以后，焊接技术渗透到了社会经济和工业领域的各个方面，呈现出加速发展的趋势。在世界高科技市场竞争中，一些发达国家相继建立了各自的材料焊接研究开发中心，支持开发先进的焊接技术研究和应用。我国在材料焊接领域的研究和应用也取得了高
12、速发展。焊接科学越来越引起更多国内外人士的关注，国内在先进焊接设备水平上与国外有一定的差距，但在工艺上研究水平和工程结构焊接应用上较为接近，在某些方面有自己的特色，例如航空航天飞行器、三峡工程、奥运主体育馆建造等。随着我国经济建设的快速发展，焊接科学技术也取得了长足的进步。举世瞩目的载人航天、奥运工程、西气东输及高速列车等重大的焊接科学应用取得了辉煌的业绩。改革开放的大好形势，为焊接科学理论与工程技术的发展奠定了坚实的基础，并且创造了可持续发展的优良条件。尤其是大线能量焊接用钢的工艺性研究，在国内外也尤其的重视，因为现代发展中钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和
13、大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。因此大线能量焊接用钢的工艺性研究，不仅能提高大型钢的生产效率，而起还能降
14、低成本，有效的提高了国民经济又好又快的发展。焊接已经成为现代制造业不可缺少的加工方法。而且，随着科学技术进步和社会经济的发展，焊接科学与工程的应用领域还将不断地被拓宽。第一章 绪论1.1论文相关研究背景20世纪 70年代末,在船舶、石油、化工、水 电、城建等诸多领域,工程结构越来越朝着大型化、高参数方向发展,如大型原油储罐、大型球罐、海洋采油平台、大型管线、大跨度桥梁等。为提高大型工程结构的焊接效率,保证其使用的安全可靠性,焊接效率高的单面埋弧焊、气电焊、电渣焊等大线能量焊接技术相继被采用,这给传统的低合金高强度钢(HSLA 钢)带来了新的课题,即焊接粗晶热影响区(CoarseGrainHea
15、tAffectedZone 简称 CGHAZ)的强度和韧性变差,且易产生焊接冷裂纹等缺陷。为此,国内外相继开展了大线能量焊接用钢的研究。上世纪 70年代末至 80年代初期,日本几家钢厂分别研制成功了焊接线能量可达50150kJcm 的大线能量焊接用钢,如新日铁的 SPV490Q、日本钢管的 NK2HITEN590E2和 NK2HIT2EN610E2、川崎制铁的 RIVERACE690LPH和 RIV2 ERACE710LPH等钢种,并申请了专利。武汉钢 铁公司于 1996年在国内率先开展了 s490MPa 级大线能量焊接调质高强钢 WH610D2的研制,并成 功用于国产 10万 m3原油储罐的
16、建造。 大线能量焊接时,传统低合金高强度钢的 CGHAZ强度会略有提高,但韧性极差,主要原因是奥氏体晶粒的严重长大以及二次组织由小热量输入多层多道焊时的回火马氏体+下贝氏体组织 转变为上贝氏体组织,而 CGHAZ的韧性是焊接结构中性能最薄弱的环节。研究结果表明,当大线能量焊接后的 CGHAZ含有一定数量的针状铁素体(AF)时,将具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。研究还发现,当焊缝金属中形成针状铁素体(AF)时,焊接接头抗解理断裂的能力增强,尤其是抗应力腐蚀和抗氢脆的能力明显提高,且 AF 的含量越高,上述性能就越好。AF 是过冷奥氏体在 650500,于奥氏体晶内夹杂物上形核并长大,具有大角
17、度晶界。因此,研究工作的重点集中在使 CGHAZ获得一定数量的 AF,并对 AF的形成机制进行了研究。1.2论文相关研究的发展状况通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊接的钢种，其组织主要为铁素体和超低碳贝氏体。国内武钢研制了 WGJ510C2和 WDL610D2钢，具有较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。该钢以 Nb、V 等微合金元素提高钢的强度，采用 Ti的复合氧化物获得50kJ/cm 的抗大线能量焊接性能。如今对大线能量焊接用钢的应用已经非常广泛，其主要包括如下几个方面:船板钢：
18、高强钢板用于造船目的在于减轻船身重量，降低油耗，也就是所谓的“节能船” 。随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用钢的屈服强度也从 315MPa增加到355MPa。最近的趋势是使用屈服强度更高的高价值钢板，比如 390MPa的屈服强度。日本已经开发出系列适应大线能量焊接的船用板。如 JFE公司采用 MACS工艺研制了 YP390船用厚钢板，该钢低 N，含有少量的 Nb并添加了 REM-Ti，焊接接头在大线能量条件下仍具有良好的低温韧性。试验测试结果表明，钢板的性能以及在 147274kJ/cm线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。此外，日本还采用 EWEL技术开发了 YP355MPa级 LP
19、G低温船用板，抗拉强度 520MPa，承受的焊接线能量为 106kJ/cm；而其开发的 Q390MPa钢板，在 600kJ/cm的输入能量下仍具有良好的焊接性能。海洋建筑构件用钢：近年来，随着石油工业的发展，濒海构件也用到了极地和深海地区。随着强度的提高和厚度的增加，用于濒海的钢板必须满足-40下的 CTOD值，落锤试验时零脆转变温度 TNDT低于-85以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。桥梁用耐候钢：现在的桥梁需要大量焊接。日本 Kawasaki钢铁公司利用组织控制技术研制了超低碳贝氏体耐候钢 SMA570WTMC，钢中加入了 Ni、Cu、Cr、Mo 和 P合金元素，含碳量约 0.02%。
20、通过调整 Mn量，按强度分为三个等级：400MPa 级、490MPa 级和570MPa级，钢板厚 2575mm。在 200kJ/cm的热输入条件下 HAZ冲击功超过 47J。用这些耐候钢制造的桥梁不用涂漆，降低了制造和维护成本。建筑结构用钢：采用 JFEEWEL技术，日本研制了包括 SA440-E在内的系列高韧性建筑结构钢，形成了从 490MPa到 590MPa的系列建筑结构钢。运用 ACR技术严格控制了Ti、N 含量，生产出 60mm和 100mm厚的 SA440-E板材，其抗拉强度为 590-740MPa，屈服强度约 460MPa。在 630kJ/cm埋弧焊和 1000kJ/cm电渣焊条件下，HAZ 无明显粗化，焊缝金属组织为细小的针状铁素体，奥氏体晶界处未发现粗大先共析铁素体。1.3论文相关研究设计的目的及意义钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型
