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JFE制钢公司SA440-E高强度钢板及配套焊接材料的开发
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-02-09
钢板（SA440-E）的目标性能与获得了（日本）国土交通大臣材料认定的现行HBL325、355、385及SA440的规格相同；且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部（FL）以及WM的0℃夏比冲击吸收能（vEo），与在小热量多层堆焊的钢架梁端焊接接合部的性能要求相同，平均目标值≥70J。
1 前言
从防震、耐震的观点出发，在建筑领域都强烈要求钢架结构物焊缝部实现高韧（性）化。现代城市越来越多的建筑在超高层化和大跨度化，所用柱材主要采用40mm厚度以上的高强（度）板焊成四面匣形桩，焊接工艺为ESW（电渣焊）和SAW（埋弧焊）。在高效的大热量输入焊接中，HAZ（焊接热影响区）和WM（焊接金属部）的显微组织就会粗大化，从而造成原来（普通）钢的韧性不可避免地下降。
JFE钢公司开发的设计基准440N/mm2的建筑结构用高性能590N/mm2钢材及焊接材料，完成了490～590N/mm2大热量输入焊接部韧性优良的建筑钢板及其焊接材料的系列配套。
现概要介绍四面匣形桩的大热量输入焊接部高韧化技术—JFEEWEL和用此技术生产的590N/mm2钢板（SA440－E）的母材性能、以及用配套焊接材料焊接的焊缝性能。
2 大热量输入焊接的应用及目标性能
匣形桩角部（即棱边）焊接用SAW工艺而内挡板部焊接用ESW工艺。施加的焊接输入热量随板厚的增大而增大，有时SAW超过60kJ/mm而ESW超过100kJ/mm。
以焊接内挡板的ESW焊缝为例：因其HAZ长时间滞留于1400℃高温而使奥氏体（γ）晶粒显著粗大化，在焊后冷却中产生γ→α相变，从γ晶界生成粗大铁素体的同时，因旧γ晶内变成了含在硬质岛状马氏体（M－A）的上贝氏体（upperbainite)组织，故HAZ韧性低下。一般随着钢板的高强度、厚壁化和Ceq的增大，其韧性会显著下降。
钢板（SA440－E）的目标性能与获得了（日本）国土交通大臣材料认定的现行HBL325、355、385及SA440的规格相同；且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部（FL）以及WM的0℃夏比冲击吸收能（vEo），与在小热量多层堆焊的钢架梁端焊接接合部的性能要求相同，平均目标值≥70J。
3 大热量输入焊缝的高韧化技术
用大热量输入焊接匣形桩时，其HAZ高韧化技术包括γ晶粒细化技术、HAZ晶内组织控制技术、最佳成分设计及生产工艺、以及利用来自WM的B扩散以控制HAZ组织共4个方面内容，有效利用这些技术，即可实现建筑用高强度钢板的开发和应用目标。
为了进行粗晶HAZ（下称CGHAZ）的极小化，利用在高温下稳定的氮化物和氧化物抑制γ晶粒粗大化是有效的。为此，着眼于在钢中的弥散分布且在工业上易于控制的TiN，就最大限度应用其对γ晶粒的细化作用进行了研究。
在采用了热微积分学（thermo－cale)的热力学解析和实验研究基础上，对钢中的Ti、N含量、Ti/N及微合金化（microalloying)进行控制，将TiN固溶温度从原＜1400℃提高到了＞1400℃，从而实现了TiN质点的弥散分布。
用再现焊接热循环装置，将细化了γ晶粒的钢加热到相当于大热量输入焊接时HAZ温度后的1400℃，再以80s慢冷至1200℃后急冷，以冻结钢的高温组织并调查了γ晶粒尺寸。结果表明，用γ晶粒细化技术可将其细化到200μm以下，从而实现了CGHAZ的极小化。
为了查明晶内组织对HAZ韧性的影响，采用Ceq在0.34%～0.44%间变化、厚60mm钢板，进行相当于输入热量100kJ/mmESN焊接的1400℃加热、在冷却时间（△t800－500)＝1000s内从800℃冷至500℃的再现焊接热循环，调查了再现的HAZ韧性变化和显微组织的关系。结果表明，Ceq较高，加入合金量多的钢变成了上贝氏体（简称UB）组织，其再现HAZ韧性显著低下；而Ceq较低的钢则变为铁素体＋贝氏体（F＋B）和铁素体＋珠光体（F＋P）组织，提高了再现HAZ韧性，此变化与钢中M－A量的减少相对应。
另一方面，因Ceq低下而使与再现HAZ显微组织变化相适应的硬度下降，故须考虑与钢的强度级别相适应的焊缝强度成分设计。为了实现HBL325钢HAZ组织的（F＋P）化，应控制其Ceq＝0.35%左右；还考虑到HBL385、SA440钢的焊缝强度而控制其显微组织为F＋B，从而进行了Ceq≤0.40%的合金设计。
4 焊接金属的高韧化技术
在大热量输入SAW及ESW焊接中，即使在WM也会因组织的粗大化而使其韧性低下。为了实现WM的高韧化，就须完全抑制在旧γ晶界生成晶界F，且控制晶内为针状F。
为此，向焊接材料中优化加入了强化淬透性元素、抑制晶界F元素和晶内针状F相变促进元素，以控制WM的化学组成。因在SAW及ESW焊接时有20%～50%的母材稀释，故控制WM组织时须考虑钢板化学成分产生的影响。
因此，设定了焊接工艺及输入热量相适应的母材稀释量，对焊接材料成分进行了周密设计，通过WM组织的最佳化实现了WM的高韧化。故所开发的焊接材料，就能配套用于以JFEEWEL技术生产钢板的焊接中。
5 SA440－E钢板的开发
在采用JFEEWEL技术生产的钢板中，此前已介绍过HBL325－E、355－E及385－E，故现仅简述SA440－E钢板的试制及以母材、焊缝性能为中心的实机制造结果。
关于焊缝的韧性，无论在焊缝的WM、FL和HAZ的任何部位，其0℃夏比冲击吸收能vEo都明显超过了70J的目标值（最低78J、最高247J），表明其焊缝韧性优良。为了查明大热量输入焊接的焊缝强度，分别制作了平接焊缝和十字形焊缝，对之进行了抗拉试验。结果表明，断裂虽然都发生在HAZ，但其各自抗拉强度都超过了590N/mm2这个开发钢板的目标值、而分别达611N/mm2和658N/mm2。
6 结语
JFE制钢公司开发的这类钢板及配套的焊接材料，能满足多样化的用户需求，特别能适用于现代城市超高层和大跨度建筑物中对立柱等大型钢结构的材料及制作。
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