大线能量焊接用厚钢板的发展

该钢板是能够解决目前造船行业大线能量焊 接用最大课题的钢板，与以往采用二氧化碳气体 保护焊的多层堆焊相比，焊接效率可提高１０倍， 至今已生产了大约１万ｔ。而且，还开发了 ＹＰ４６０Ｎ／ｍｍ２级高强度钢板（板厚５５ｍｍ），预计 不久将投入生产。
６今后的发展趋势
大线能量焊接用钢板是利用微量合金元素和 先进轧制技术而确立的，至今已广泛应用于造船、 建筑和桥梁等。尤其是在造船行业，ＹＰ３９０Ｎ／ ｍｍ２级、板厚为６５ｍｍ、可采用１焊接道焊接的钢 板已达到了实用化。
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２００２年第２期
３非水冷型ＴＭｃＰ技术的应用 作为大线能量焊接用ＹＰ３５５Ｎ／ｍｍ２级高强
度钢板而开发的ＫＳＴ５０是采用正火热处理制造
的，因此碳当量高，约为ｏ．４０％，而且还添加了很 多的沉淀强化元素，如铌（Ｎｂ）和钒（Ｖ）等。
表２焊接热影响区的脆化原因和提高韧性的方法
为解决采用大线能量焊接时ＨＡＺ变差的问 题，最好的办法是减少上贝氏体组织，但由于在轧 制原有状态下和正火热处理中，钢板的强度与合 金元素有关，因此仅靠减少碳当量无法减少上贝 氏体组织。
在考虑今后发展方向时，不能只考虑以往的 高效焊接率，应将视野扩大到整个焊接施工的效 率，有必要开发一种新概念的钢板。具体说，就是 开发一种能防止在焊接之前切割时发生钢板变形 和焊接过程中出现焊接缺陷，尤其是能提高钢结 构工作精度的钢板。
从这个意义上来看，以ＴＭＣＰ技术为核心的 大线能量焊接用钢板在制造过程中不可避免地包 含有残余应力，因此减少残余应力是重要的技术 课题，这就要求进一步提高制造技术。
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对于这一技术课题，从金相组织和结晶颗粒 的观点出发，研究了各种添加元素的效果。结果可 知，添加微量Ｔｉ的效果最好，据此确立了ＫＳＴ处 理技术。
根据钢中存在的氮（Ｎ）量，适当添加Ｔｉ，使 ＴｉＮ成细粒状弥散是很重要的（图１和图２）。在 实际生产中为实现Ｔｉ量和Ｎ量的最佳平衡，应 在炼钢过程中调整微量成分，控制气体成分。
作为用少量的合金元素来提高强度的技术， ５０年代在欧洲提出了低温轧制技术，它是通过把 轧制时的温度控制在低温，以使钢板的结晶颗粒 细化来达到提高强度的目的。但是，由于它是靠经 验来控制的，无法使结晶颗粒有效细化，所以作为 确保强度的措施还不成熟。
石油危机以后，对替代能源的要求越来越高， 加快了天然气输送用管道建设。作为能够廉价且 大批量生产管道管的技术，对非水冷型ＴＭＣＰ的 控制轧制技术的实用化进行了广泛的研究。自 １９７８年以后，已开始大量生产Ｘ７０管道管。
万方数据
高精度轧制负荷预测等高级轧制技术，由此实现 了控制轧制。
利用本技术，能将以往添加的Ｎｂ和Ｖ 添加量减少到ｏ．０２％以下，而且能将碳当量减少 到ｏ．３８％以下，因此使焊接线能量为２５ｋＪ／ｍｍ 的大线能量焊接用钢板得以实用化，并已被日本 造船厂大量采用。
４水冷型ＴＭｃＰ技术的应用
进入８０年代由于韩国造船业的迅速发展，与 日本国内造船业的竞争变得十分激烈，因此希望 能开发出具有划时代意义的ＹＰ３５５Ｎ／ｍｍ２级钢 板，以缓和焊接施工时的各种规定（如禁止短焊 缝、限制高氢系焊接材料使用和限制焊接线能量 等）和提高焊接施工效率。
··ｌｌ研＠工处理艺（（利聊用技俐术） ）
图５与提高焊接施工效率和高性能相对应的新型钢板
７结束语
在追求经济性和安全性的历史潮流中，特别 是伴随造船业发展而开发的大线能量焊接用钢板 目前已应用于各种焊接钢结构物。如图５所示，从 这个意义上来说，作为不仅能提高焊接效率，而且
有助于提高焊接施工全工序效率的钢材，除了以 往的大线能量焊接性能外，向用户提供能减轻焊 接操作时的修整工作强度和能提高焊接精度的钢 材是２ｌ世纪厚板制造厂的义务。
另一方面，作为厚钢板的新制造法——ＴＭ— ＣＰ（形变热处理）技术出现于８０年代，它除了利 用以往添加微量元素的技术外，通过在轧制工序 中控制钢的组织，可提高钢的强度。结果，由于确 立了降低碳当量（Ｃｅｑ）可进一步提高焊接效果的 技术，因此大大提高了钢板大线能量焊接部的性 能。
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表 万１示方出数以据造船用钢板为主发展起来的大线
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宽厚板
第８卷第２期
大线能量焊接用厚钢板的发展
廖建国 （三明钢铁（集团）有限责任公司）
ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ
Ｈｉｇｈ—ｈｅａｔ Ｉｎｐｕｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ
Ｌｉａｏ Ｊｉａｎｇｕｏ
（Ｓａｎｍｉｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．Ｌｔｄ．）
造船行业为适应大量物流时代的到来，需要 建造大型船舶；城市发展，需要建超高层大楼和大 型桥梁等，为适应这些建设对厚钢板的强度和韧 性要求不断提高的需要，已相继开发了新型大线 能量焊接用钢板。
大线能量焊接技术是以造船行业采用钢板单 面焊接技术为契机而提出的一种能确保钢板韧性 的焊接方法。从合金设计来看，大线能量焊接用钢 板通过添加微量元素可确保钢板的韧性，因此在 ７０年代后期已被各钢铁厂采用。添加微量钛 （Ｔｉ），利用氮化钛（ＴｉＮ）的沉淀物可以抑制焊接 时奥氏体的粗大化，增大铁素体的沉淀核，这种处 理技术已成为大线能量焊接技术的根基。
使用的钢板以软钢为主，而到了７０年代以石 油危机为契机，船舶向大型化和节能化方面发展， 尤其是为降低成本，开始采用高强度钢板。在此背 景下，ＩＡＣＳ（国际船级协会）于１９７１年制定了高 强度钢板的标准。但是，由于当时的钢材是在轧制 原有状态下和正火热处理后制造的，因此为达到 高强度化，存在着碳当量高、焊接部尤其是焊接热 影响区的韧性变差的问题，毫无疑问所采用的焊 接线能量比软钢的更低。
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大线能量焊接技术。除了钢材的制造外，对焊接金 属本身的质量要求也同时提高了，焊接中新的焊 接技术的开发也是今后大线能量焊接用钢板实用 化时的重要技术课题。
为实现能适应这些新时代需要的钢板，作为 促进ＴＭｃＰ技术发展的关键是合金元素的固溶、 析出、相变强化作用的定量化技术，因此希望能确 立与以往概念不同的工艺设计技术和成分设计技
万方数据
强。特别是随着冷却的进行，为防止钢板中所含的 氢（Ｈ）造成内部缺陷，还确立了减少炼钢过程中 夹杂物（Ｐ、Ｓ）的技术。
９０年代中期，随着国际上采用大型集装箱船 进行货物运输趋势的加快，根据舱口开口部必须
大的船形特征，要求在舷侧上部使用厚壁（６５ｍｍ
左右）、强度高（ＹＰ３９０Ｎ／ｍｍ２级），且能进行超大 线能量（５０ｋＪ／ｍｍ）焊接的钢板。根据采用低碳当 量能达到高强度化的观点，应用能进行更强冷却 的技术和通过添加微量的Ｎｂ和硼（Ｂ）来强化相 变的作用等以往的大线能量焊接技术，能生产厚 壁的ＹＰ３９０Ｎ／ｍｍ２级钢板。
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（上接第２６页）
用的蒸汽式喷射泵内部结构即是典型的单孔拉瓦 尔喷头。通过把钢包内的钢水置于一密闭容器，此 密闭容器被称作真空罐，通过密闭管路与蒸汽式 喷射泵出口相连，就可使钢包内的钢水从大气压 力抽至真空状态。由于压力．的降低溶于钢水内的 氢气，氧气，氮气被释放出来，使钢质纯净，并为生 产优质钢板奠定基础，同时可使钢水的流动性大 大提高，最终使钢水的浇注温度比未经真空处理 的钢水低约２０℃。
能量焊接用钢板的开发经过。本文在回顾厚钢板 生产从炼钢到轧制的一系列相关技术的提高经过 和大线能量焊接用钢板的开发过程及现状的同 时，对今后的发展趋势进行了介绍。
２ Ｔｉ处理技术的确立
６０年代初，以造船厂使用钢板的大型化为契 机，外板的焊接已从双面焊接变成单面自动焊接， 省略了大型钢板的反转焊接工序。与此同时日本 的各造船厂在外板的纵向焊接中也开始采用二氧 化碳气体保护焊，由于采用了焊接线能量超过 １０ｋＪ／ｍｍ的大线能量焊接，因此可提高建造能 力。
术。在实用化时，变更以现有淬火回火为对象的高 强度钢材的规格体系也是必须考虑的。
强度更高、壁厚更厚，尤其是具备高性能的大 线能量焊接用钢板通过与新开发的各种焊接法的 组合一定能应用于各种焊接钢结构。从这个意义 上来看，作为一种高性能钢需求时代的到来，所要 求的不仅是焊接时的效率，而且要有助于提高焊 接时整个工序的效率。
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ｌ前言
厚钢板的重要特性是焊接性能，而焊接效率 则尤其重要，因此从降低结构钢板的建设成本来 看，最大的课题就是大线能量焊接钢板的应用。当 钢板使用大线能量焊接时，由于焊接部，尤其是焊 接热影响区（ＨＡＺ）的韧性会随焊接线能量的增 大而变差，因此为确保结构钢板的安全性，重要的 课题就是要确保结构钢板的韧性。
如果对钢板实施１０”／ｍｍ的大线能量焊接， 钢板会因所投入的焊接线能量而暴露在高温中， 焊接后的冷却会随之变慢。结果，焊接热影响区的 结晶颗粒变得粗大，同时出现了被称为上贝氏体 的组织，使钢的韧性变差。
如何防止采用大线能量焊接时ＨＡＺ韧性变 差，确保对脆性裂纹安全性是最大的课题。
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表１大线能量焊接用钢板的开发经过
某公司的水冷型ＴＭＣＰ钢板的制造状况示 于图３。由于采用了被称作控制轧制和快速冷却
工艺，因此如图４所示那样可大幅度减少碳当量， 同时可以不添加Ｎｂ和Ｖ等元素生产出 ＹＰ３５５Ｎ／ｍｍ２级钢板，结果可生产出焊接线能量 为每ｏｋＪ／ｍｍ的大线能量焊接用钢板。
图３在线水冷设备的概况
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萋 黎
Ｏ．３０
０．３５ 碳当量．％
控制轧制技术就是根据在Ａｒ。相变点以上的 温度中进行轧制时，利用再结晶使奥氏体结晶颗 粒细化的同时，在奥氏体的未再结晶区域中导入 形变带（位错）的冶金现象来实现高强度化乃至减 少碳当量的技术。
与以往的轧制原有状态相比，为克服轧机负 荷增大的问题，控制轧制技术通过对设备进行改 造，开发了能准确预测轧制中钢板温度滞后的技 术，尤其是开发了轧制时能确保轧制形状所需的
０．４０
图４碳当量和钢板强度的关系
采用本法生产的钢板已超过２００万ｔ。另外， 还相继开发了与钢材大线能量焊接相应的焊接材 料，改进了各种焊剂，同时还采用了多电极化等高 速、高熔敷化技术。由于在日本造船厂确立了大线 能量焊接技术，因此可以说这为确保’日本的国际 竞争力做出了巨大贡献。
５适应高强度和厚壁化的技术
而且，随着钢板的高性能化，如建筑中要求的 低屈服比（低ＹＲ化）、桥梁建设中要求的高耐候 性能，还有建筑的大跨度化对高强度的要求等，因 此对ＹＰ４４０Ｎ／ｍｍ２（建筑用ＳＡ４４０）等钢板的要 求也越来越高。
对以Ｃ—Ｍｎ钢含有少量微合金元素为前提 开发的大线能量焊接用钢板，今后的课题是开发 合金元素添加量比以往多的高强度、厚壁钢材的
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图１ 焊接热循环中Ｔｉ量和ＴｉＮ颗粒数量的关系
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图２ ＴｉＮ颗粒数量和焊接连结部ｖＥｏ的关系
而且，还对ＨＡＺ韧性变差的主要原因进行 了研究，弄清了韧性变差是受上贝氏体中生成的 被称作岛状马氏体（Ｍ—Ａ）的硬化组织所支配。 根据其生成机理，实施了表２所示的不同韧性等 级所应采取的措施。为改善大线能量焊接时ＨＡＺ 韧性，重要的是要减少岛状马氏体，实现Ｔｉ量和 Ｎ量的最佳平衡，这～点直至今日仍在大线能量 焊接用钢板生产的基本原理中脉脉相传。
根据对轧制后的钢板实施在线水冷却可以提 高强度的观点，８０年代初各钢铁厂都采用了这一 技术，它已构成今日的水冷型ＴＭｃＰ技术的主 流。采用这一技术时存在着确保钢板平直度的问 题，但由于开发了控制轧制阶段的钢板形状和轧 制后水冷时的均匀冷却技术，尤其是开发了防止 钢板水冷却时产生的内在残余应力造成钢板剪切 时出现变形的技术等，使上述问题得以解决。
作为造船用钽板而发展起来的ＫｃＬ型大线
能量焊接用钢板随着日本国内需求的扩大，已广 泛应用于建筑和桥梁领域。尤其是为适应建筑物 的超高层化和大跨度化，需要厚壁的ＹＰ３５５Ｎ／ ｍｍ２级钢板，因此１９８７年开发了ＫＣＬ～Ａ３２５和 ＫＣＬ—Ａ３５５，其板厚超过４０ｍｍ，有的达到了
１００ｍｍ。
为适应厚壁化的要求，１９８５年为实现轧制后 更快的冷却速度，对冷却设备的冷却能力进行加