大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能 刘洪波李建新吝章国李玉谦田志强杜琦铭梅东贵刘崇刘占礼马浩冉 Production technology and welding properties of high heat input welding EH420 offshore steel LIU Hong-bo,LI Jian-xin,LIN Zhang-guo,LI Yu-qian,TIAN Zhi-qiang.DU Qi-ming.MEI Dong-gui,LIU Chong.LIU Zhan-li,MA Hao-ran 引用本文： 刘洪波，李建新，吝章国，李玉谦，田志强，杜琦铭，梅东贵，刘崇，刘占礼，马浩冉.大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及 焊接性能.工程科学学报，2020.4211：1473-1480.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.03.23.001 LIU Hong-bo,LI Jian-xin,LIN Zhang-guo,LI Yu-qian,TIAN Zhi-qiang,DU Qi-ming.MEI Dong-gui,LIU Chong.LIU Zhan-li, MA Hao-ran.Production technology and welding properties of high heat input welding EH420 offshore steel[J].Chinese Journal of Engineering,.2020,42(11:1473-1480.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.03.23.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.23.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 1800MPa热成形钢与CR340LA低合金高强钢激光焊接性能 Laser welding properties of 1800 MPa press hardening steel and low-alloy high-strength steel CR340LA 工程科学学报.2020,42(6)：755htps/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.24.005 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报.2017,393：432htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.03.016 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报.2018.40(12：1525 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.011 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报.2017,39(5：643htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.001 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020,42(2：194 https:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.22.004 GC15轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 Kinetics and mechanical properties of borided GCr15 bearing steel 工程科学学报.2018.409%：1108htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.09.012

大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能 刘洪波 李建新 吝章国 李玉谦 田志强 杜琦铭 梅东贵 刘崇 刘占礼 马浩冉 Production technology and welding properties of high heat input welding EH420 offshore steel LIU Hong-bo, LI Jian-xin, LIN Zhang-guo, LI Yu-qian, TIAN Zhi-qiang, DU Qi-ming, MEI Dong-gui, LIU Chong, LIU Zhan-li, MA Hao-ran 引用本文: 刘洪波, 李建新, 吝章国, 李玉谦, 田志强, 杜琦铭, 梅东贵, 刘崇, 刘占礼, 马浩冉. 大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及 焊接性能[J]. 工程科学学报, 2020, 42(11): 1473-1480. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.23.001 LIU Hong-bo, LI Jian-xin, LIN Zhang-guo, LI Yu-qian, TIAN Zhi-qiang, DU Qi-ming, MEI Dong-gui, LIU Chong, LIU Zhan-li, MA Hao-ran. Production technology and welding properties of high heat input welding EH420 offshore steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1473-1480. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.23.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.23.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 1800 MPa热成形钢与CR340LA低合金高强钢激光焊接性能 Laser welding properties of 1800 MPa press hardening steel and low-alloy high-strength steel CR340LA 工程科学学报. 2020, 42(6): 755 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.005 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报. 2017, 39(3): 432 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.016 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报. 2018, 40(12): 1525 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报. 2017, 39(5): 643 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.001 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 GCr15轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 Kinetics and mechanical properties of borided GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2018, 40(9): 1108 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.012

工程科学学报.第42卷，第11期：1473-1480.2020年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.11:1473-1480,November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.23.001;http://cje.ustb.edu.cn 大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能 刘洪波)区，李建新)，吝章国)，李玉谦)，田志强)，杜琦铭)，梅东贵》， 刘崇)，刘占礼，马浩冉) 1)河钢集团钢研总院，石家庄0500002)河钢股份有限公司.石家庄0500003)河钢股份有限公司邯郸分公司.邯郸056000 ☒通信作者，E-mail:ustbliuhongbo(@163.com 摘要河钢集团有限公司开发了利用钢液中形成TiO,-MgO-CaO细小粒子改善焊接粗晶热影响区韧性的TFFP技术 (Improve the toughness of HAZ by forming TiO,-MgO-CaO fine particles in steel),成功试制生产出大线能量焊接用30mm厚度 规格(H30)和60mm厚度规格(H60)EH420海洋工程用钢.母材力学性能试验结果表明，H30和H60试制钢屈服强度分别达 到461MPa和534MPa,抗拉强度分别达到570MPa和628MPa,延伸率分别为26%和24.5%，满足EH420海洋工程用钢国家 标准要求.采用Gleeble-3800型热模拟试验机对试制钢进行了200kJcm条件下热模拟试验，并对焊接热影响区中的显微组 织和-40℃冲击韧性进行了分析和测试.结果表明，试制钢中形成的CO(-MgO-Al,O3-TiO,-MnS夹杂物可以有效地诱导 针状铁素体析出，显著提高钢材的冲击韧性.另外，利用气电立焊设备对H30和H60试制钢分别进行了焊接线能量为247kJcm 和224kcm的实焊试验，结果显示.H30试制钢焊接接头表面和根部焊缝处-40℃冲击吸收功值≥74J.焊接热影响区 ≥115J,H60试制钢焊接接头表面和根部焊缝处-40℃冲击吸收功值≥91J.焊接热影响区≥75J,焊接接头的冲击性能远高于 国家标准值42J. 关键词EH420海工钢；焊接热模拟：气电立焊；夹杂物：组织；性能 分类号TG406 Production technology and welding properties of high heat input welding EH420 offshore steel LIU Hong-bo LI Jian-xin)LIN Zhang-guo LI Yu-qian TIAN Zhi-qiang.DU Qi-ming.MEI Dong-gui LIU Chong. LIU Zhan-li,MA Hao-ran) 1)Technology Research Institute,HBIS Group,Shijiazhuang 050000,China 2)HBIS Company Limited,Shijiazhuang 50000,China 3)Hansteel Company,HBIS Company Limited,Handan056015,China Corresponding author,E-mail:ustbliuhongbo@163.com ABSTRACT Extensive efforts have been made to remove "harmful"inclusions during the steelmaking process.However,the concept of"oxide metallurgy"was proposed,where fine inclusions are used to induce the formation of acicular ferrite and pin the grain boun- dary,thus enhancing the low temperature toughness of the heat-affected zone (HAZ).The technology of improving the toughness of HAZ by forming TiO,-MgO-CaO fine particles(ITFFP)in steel has been successfully applied to the trial production of 30 mm(H30) and 60 mm(H60)thick high heat input welding EH420 offshore steel.The mechanical testing results show that the yield strength,tensile strength,and elongation of H30 steel are 461 MPa,579 MPa,and 26%,respectively.In addition,the yield strength,tensile strength,and elongation of H60 steel are 534 MPa,628 MPa,and 24.5%,respectively.The tested H30 and H60 steels achieved the national standard 收稿日期：2020-03-23 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300602):深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室开放基金资助项目(BPT2019001)

大线能量焊接用 EH420 海工钢生产工艺及焊接性能 刘洪波1) 苣，李建新1)，吝章国2)，李玉谦3)，田志强1)，杜琦铭3)，梅东贵3)， 刘    崇1)，刘占礼1)，马浩冉1) 1) 河钢集团钢研总院，石家庄 050000    2) 河钢股份有限公司，石家庄 050000    3) 河钢股份有限公司邯郸分公司，邯郸 056000 苣通信作者，E-mail：ustbliuhongbo@163.com 摘    要    河钢集团有限公司开发了利用钢液中形成 TiOx−MgO−CaO 细小粒子改善焊接粗晶热影响区韧性的 ITFFP 技术 （Improve the toughness of HAZ by forming TiOx−MgO−CaO fine particles in steel），成功试制生产出大线能量焊接用 30 mm 厚度 规格（H30）和 60 mm 厚度规格（H60）EH420 海洋工程用钢. 母材力学性能试验结果表明，H30 和 H60 试制钢屈服强度分别达 到 461 MPa 和 534 MPa，抗拉强度分别达到 570 MPa 和 628 MPa，延伸率分别为 26% 和 24.5%，满足 EH420 海洋工程用钢国家 标准要求. 采用 Gleeble-3800 型热模拟试验机对试制钢进行了 200 kJ·cm−1 条件下热模拟试验，并对焊接热影响区中的显微组 织和−40 ℃ 冲击韧性进行了分析和测试. 结果表明，试制钢中形成的 CaO(−MgO)−Al2O3−TiOx−MnS 夹杂物可以有效地诱导 针状铁素体析出，显著提高钢材的冲击韧性. 另外，利用气电立焊设备对 H30 和 H60 试制钢分别进行了焊接线能量为 247 kJ·cm−1 和 224 kJ·cm−1 的实焊试验，结果显示，H30 试制钢焊接接头表面和根部焊缝处−40 ℃ 冲击吸收功值≥74 J，焊接热影响区 ≥115 J，H60 试制钢焊接接头表面和根部焊缝处−40 ℃ 冲击吸收功值≥91 J，焊接热影响区≥75 J，焊接接头的冲击性能远高于 国家标准值 42 J. 关键词    EH420 海工钢；焊接热模拟；气电立焊；夹杂物；组织；性能 分类号    TG406 Production  technology  and  welding  properties  of  high  heat  input  welding  EH420 offshore steel LIU Hong-bo1) 苣 ，LI Jian-xin1) ，LIN Zhang-guo2) ，LI Yu-qian3) ，TIAN Zhi-qiang1) ，DU Qi-ming3) ，MEI Dong-gui3) ，LIU Chong1) ， LIU Zhan-li1) ，MA Hao-ran1) 1) Technology Research Institute, HBIS Group, Shijiazhuang 050000, China 2) HBIS Company Limited, Shijiazhuang 050000, China 3) Hansteel Company, HBIS Company Limited, Handan 056015, China 苣 Corresponding author, E-mail: ustbliuhongbo@163.com ABSTRACT    Extensive efforts have been made to remove “harmful” inclusions during the steelmaking process. However, the concept of “oxide metallurgy” was proposed, where fine inclusions are used to induce the formation of acicular ferrite and pin the grain boun￾dary, thus enhancing the low temperature toughness of the heat-affected zone (HAZ). The technology of improving the toughness of HAZ by forming TiOx−MgO−CaO fine particles (ITFFP) in steel has been successfully applied to the trial production of 30 mm (H30) and 60 mm (H60) thick high heat input welding EH420 offshore steel. The mechanical testing results show that the yield strength, tensile strength, and elongation of H30 steel are 461 MPa, 579 MPa, and 26%, respectively. In addition, the yield strength, tensile strength, and elongation of H60 steel are 534 MPa, 628 MPa, and 24.5%, respectively. The tested H30 and H60 steels achieved the national standard 收稿日期: 2020−03−23 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFB0300602）；深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室开放基金资助项目（BIPT2019001） 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期：1473−1480，2020 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 11: 1473−1480, November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.23.001; http://cje.ustb.edu.cn

1474 工程科学学报，第42卷，第11期 of EH420 offshore steel.The effect of ITFFP technology on the microstructure and impact toughness in the HAZ of H30 and H60 steels subjected to a 200 kJcmheat input were investigated using a Gleeble-3800 welding simulation machine and Charpy impact tests.The results indicate that the CaO(-MgO)-Al2O;-TiO,-MnS formed in the tested steels induces the formation of acicular ferrite,and thus significantly improves the impact toughness.Additionally,electrode-gas welding with heat inputs of 247 kJ-cm and 224 kJ-cm was applied to H30 and H60 steels.The experimental results show that the impact absorbed energy of the weld in H30 tested steel is larger than 74 J at-40C,and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 115 J at-40 C.In addition,the impact absorbed energy of the weld in H60 tested steel is larger than 91 J at-40 C,and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 75 J at-40 C.The impact absorbed energy of welded joints is much higher than the requirement of the national standard(42 J). KEY WORDS EH420 offshore steel:welding simulation;electrode-gas welding;inclusions;microstructure;mechanical properties 随着海洋平台和船舶等制造业的发展，对相 数量多，形成的高熔点产物有效地控制了钢中夹 应钢铁材料的综合性能提出了更高的要求凹在现 杂物的颗粒长大与撞长大的趋势，在钢中形成了 代海洋工程和船舶的建造过程中，焊接是一项重 大量的细小夹杂物.东北大学沈海军等8劉通过对 要工序，焊接工作量约占30%~40%因此，提高 低碳钢中超细夹杂物的研究，发现Ti-Mg复合脱 焊接效率，降低制造成本，开发可适应大线能量焊 氧钢在保温60min的情况下，钢中尺寸<1m的 接的海洋工程用钢成为必然.但是，随着焊接输入 小尺寸夹杂物数量仍然较多，数量约占75.2%.东 线能量的提高，焊接热影响区(HAZ)的峰值温度 北大学王丙兴等9对比了Ti-Ca和Ti-Mg两种复 会随之增加，势必会造成钢材在高温时间停留时 合脱氧工艺对EH36钢焊接HAZ组织和性能的影 间延长，造成HAZ奥氏体晶粒显著粗化，使其韧 响，研究表明两种复合脱氧工艺均能在HAZ内形 性严重恶化B- 成大量细小的针状铁素体，从而提高钢板的低温 20世纪90年代，Takamura和Mizoguchi-刀、 冲击韧性.北京科技大学邓小旋等20研究了Ti-AI Sawai等图和Ogibayashi等)针对以上现象提出了 复合脱氧钢中夹杂物对针状铁素体形核机制的影 “氧化物冶金”的概念，即利用特定细小的夹杂物 响，发现钢中的A!元素含量需要维持在较低水 能够诱发针状铁素体的特性，从而细化HAZ粗晶 平、T元素含量保持在中等水平可以促进针状铁 区组织和晶粒，改善焊缝和HAZ的强度和韧性. 素体析出.此外，近些年来，包括河钢舞钢、宝 基于氧化物冶金技术，日本新日铁公司开发了 钢22)、南钢2]和沙钢24等在内的国内钢铁企业也 HTUFF技术o,该技术是利用Ti-Mg-Ca元素与 越来越重视大线能量焊接用系列钢种的研发，河 钢中氧形成的氧化物和凝固过程析出的硫化物， 钢舞钢开发的EH36-W100级大线能量焊接用船板 这些细小夹杂物弥散分布在钢中具有抑制奥氏体 钢应用于全球首艘44500吨载重极地凝析油船1 晶粒长大的作用，可以显著钉扎奥氏体晶界移动， 宝钢开发了利用强脱氧剂改善焊接热影响区韧性 促进针状铁素体析出山，使焊接线能量提高至 (ETISD)的技术，研发出了68mm厚度规格的EH40 500kJcm1以上2日本JFE公司提出JFE EMEL技 钢板，在400kJcm线能量条件下焊接后，其焊接 术乳，通过合理的成分设计和快速冷却技术改善 热影响区的-20℃冲击功值保持在200J以上22 热轧板基体组织性能，通过控制钢中合理的TN 南钢2]和沙钢均有EH36-W200级大线能量焊 比形成TN粒子钉扎品界，抑制奥氏体晶粒粗化 接用钢成功试制的报道 长大，开发的80mm的EH40钢板适用焊接线能 综上所述，经过数十年的发展，大线能量焊接 量达到680Jcm1日本神户制钢6提出采用 用钢的开发取得了一定的进展，但根据现有资料 更低的碳含量来减少M-A组元，进行了平衡的最 来看，国内更高强度和更低服役温度的大线能量 佳化及合金成分设计，促进Ti的扩散，形成了KST 焊接用钢板的工业化生产鲜有报道，相关工艺控制 技术，有效地改善了钢板HAZ的低温韧性 技术还不成熟.经过多次试制，河钢集团有限公司 国内众多研究院所对大线能量焊接用钢及相 (以下简称“河钢”)利用钢液中形成TiO,-MgO-CaO 关技术开发进行了深人地研究，武汉科技大学郑 细小夹杂物改善焊接粗品热影响区韧性(ITFFP) 万等71研究了Ti-Mg复合脱氧对钢中夹杂物的影 的技术.研发出大线能量焊接用EH420海工钢.本 响，发现相比于Ti脱氧，Mg的脱氧能力较强，脱 文采用Gleeble-3800型热模拟试验机对试制钢进 氧产物与钢的界面能较低，形核临界尺寸小，形核 行了200kJcm条件下焊接热模拟试验，并利用

of EH420 offshore steel. The effect of ITFFP technology on the microstructure and impact toughness in the HAZ of H30 and H60 steels subjected to a 200 kJ·cm−1 heat input were investigated using a Gleeble-3800 welding simulation machine and Charpy impact tests. The results indicate that the CaO(−MgO)−Al2O3−TiOx−MnS formed in the tested steels induces the formation of acicular ferrite, and thus significantly improves the impact toughness. Additionally, electrode-gas welding with heat inputs of 247 kJ·cm−1 and 224 kJ·cm−1 was applied to H30 and H60 steels. The experimental results show that the impact absorbed energy of the weld in H30 tested steel is larger than 74 J at −40 ℃, and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 115 J at −40 ℃. In addition, the impact absorbed energy of the weld in H60 tested steel is larger than 91 J at −40 ℃, and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 75 J at −40 ℃. The impact absorbed energy of welded joints is much higher than the requirement of the national standard (42 J). KEY WORDS    EH420 offshore steel；welding simulation；electrode-gas welding；inclusions；microstructure；mechanical properties 随着海洋平台和船舶等制造业的发展，对相 应钢铁材料的综合性能提出了更高的要求[1] . 在现 代海洋工程和船舶的建造过程中，焊接是一项重 要工序，焊接工作量约占 30%～40% [2] . 因此，提高 焊接效率，降低制造成本，开发可适应大线能量焊 接的海洋工程用钢成为必然. 但是，随着焊接输入 线能量的提高，焊接热影响区（HAZ）的峰值温度 会随之增加，势必会造成钢材在高温时间停留时 间延长，造成 HAZ 奥氏体晶粒显著粗化，使其韧 性严重恶化[3−5] . 20 世 纪 90 年 代 ， Takamura 和 Mizoguchi[6−7]、 Sawai 等[8] 和 Ogibayashi 等[9] 针对以上现象提出了 “氧化物冶金”的概念，即利用特定细小的夹杂物 能够诱发针状铁素体的特性，从而细化 HAZ 粗晶 区组织和晶粒，改善焊缝和 HAZ 的强度和韧性. 基于氧化物冶金技术 ，日本新日铁公司开发了 HTUFF 技术[10] ，该技术是利用 Ti−Mg−Ca 元素与 钢中氧形成的氧化物和凝固过程析出的硫化物， 这些细小夹杂物弥散分布在钢中具有抑制奥氏体 晶粒长大的作用，可以显著钉扎奥氏体晶界移动， 促进针状铁素体析出[11] ，使焊接线能量提高至 500 kJ·cm−1 以上[12] . 日本JFE 公司提出JFE EMEL 技 术[13] ，通过合理的成分设计和快速冷却技术改善 热轧板基体组织性能，通过控制钢中合理的 Ti/N 比形成 TiN 粒子钉扎晶界，抑制奥氏体晶粒粗化 长大[14] ，开发的 80 mm 的 EH40 钢板适用焊接线能 量达到 680 kJ·cm−1 [15] . 日本神户制钢[16] 提出采用 更低的碳含量来减少 M−A 组元，进行了平衡的最 佳化及合金成分设计，促进 Ti 的扩散，形成了 KST 技术，有效地改善了钢板 HAZ 的低温韧性. 国内众多研究院所对大线能量焊接用钢及相 关技术开发进行了深入地研究，武汉科技大学郑 万等[17] 研究了 Ti−Mg 复合脱氧对钢中夹杂物的影 响，发现相比于 Ti 脱氧，Mg 的脱氧能力较强，脱 氧产物与钢的界面能较低，形核临界尺寸小，形核 数量多，形成的高熔点产物有效地控制了钢中夹 杂物的颗粒长大与撞长大的趋势，在钢中形成了 大量的细小夹杂物. 东北大学沈海军等[18] 通过对 低碳钢中超细夹杂物的研究，发现 Ti−Mg 复合脱 氧钢在保温 60 min 的情况下，钢中尺寸<1 μm 的 小尺寸夹杂物数量仍然较多，数量约占 75.2%. 东 北大学王丙兴等[19] 对比了 Ti−Ca 和 Ti−Mg 两种复 合脱氧工艺对 EH36 钢焊接 HAZ 组织和性能的影 响，研究表明两种复合脱氧工艺均能在 HAZ 内形 成大量细小的针状铁素体，从而提高钢板的低温 冲击韧性. 北京科技大学邓小旋等[20] 研究了 Ti−Al 复合脱氧钢中夹杂物对针状铁素体形核机制的影 响，发现钢中的 Al 元素含量需要维持在较低水 平、Ti 元素含量保持在中等水平可以促进针状铁 素体析出. 此外，近些年来，包括河钢舞钢[21]、宝 钢[22]、南钢[23] 和沙钢[24] 等在内的国内钢铁企业也 越来越重视大线能量焊接用系列钢种的研发，河 钢舞钢开发的 EH36-W100 级大线能量焊接用船板 钢应用于全球首艘 44500 吨载重极地凝析油船[21] . 宝钢开发了利用强脱氧剂改善焊接热影响区韧性 （ETISD）的技术，研发出了 68 mm 厚度规格的 EH40 钢板，在 400 kJ·cm−1 线能量条件下焊接后，其焊接 热影响区的−20 ℃ 冲击功值保持在 200 J 以上[22] . 南钢[23] 和沙钢[24] 均有 EH36-W200 级大线能量焊 接用钢成功试制的报道. 综上所述，经过数十年的发展，大线能量焊接 用钢的开发取得了一定的进展，但根据现有资料 来看，国内更高强度和更低服役温度的大线能量 焊接用钢板的工业化生产鲜有报道，相关工艺控制 技术还不成熟. 经过多次试制，河钢集团有限公司 （以下简称“河钢”）利用钢液中形成 TiOx−MgO−CaO 细小夹杂物改善焊接粗晶热影响区韧性（ITFFP） 的技术，研发出大线能量焊接用 EH420 海工钢. 本 文采用 Gleeble-3800 型热模拟试验机对试制钢进 行了 200 kJ·cm−1 条件下焊接热模拟试验，并利用 · 1474 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期

刘洪波等：大线能量焊接用EH420海工钢生产工艺及焊接性能 1475 气电立焊设备对30mm和60mm厚度规格试制钢 组织均匀细化作用，另外，通过对开冷温度、终冷 板进行了实焊试验.在此基础上，对试制钢中夹杂 温度和辊速的调整，促进钢中细晶铁素体的组织 物、组织和冲击性能及其作用关系进行了研究 转变. 1试验材料及方法 试制生产的30mm(H30试制钢)和60mm(H60 试制钢)厚度规格的大线能量焊接用EH420海洋 1.1试验材料 工程用钢成分如表1所示. 试验材料取自河钢邯钢，大线能量焊接用EH420 1.2试验方法 海工钢基本生产工艺流程为铁水预脱硫一→转炉一→ (1)焊接热模拟试验 转炉炉后硅锰预脱氧→LF精炼→H精炼→连铸→ 在H30和H60试制钢板表皮下2mm处取 控轧控冷(TMCP),工艺控制要点如下： 1lmm×llmm×71mm焊接热模拟试样，利用Gleeble-. (1)铁水预脱硫：铁水硫的质量分数降低至 3800热模拟试验机进行2炉试制钢HAZ热模拟 <0.005%,降低精炼脱硫负荷： 试验.模拟HAZ具体的参数设置如下：采用Rykalin-- (2)转炉：采用顶底复吹炼钢法，将钢中碳的 2D模型，模拟板厚分别为30mm和60mm,加热 质量分数降低至<0.05%，磷的质量分数降低至 速率为100℃s,峰值温度为1400℃，比热容为 <0.01%,采用滑板挡渣技术，减少钢水回磷： 1Jg.℃，导热率为0.5 J.cm-1.s1.℃，模拟焊接 (3)转炉炉后Si-Mn预脱氧：转炉出钢过程中 线能量为200kJcm 随着钢流加入硅铁和锰铁进行预脱氧处理，将钢 (2)气电立焊试验 液中氧的质量分数降低至<1×10： 利用气电立焊设备对试制钢进行了实焊试 (4)LF精炼：钢包入站后喂入Fe-Ti-Mg质特 验，试制钢的尺寸为50mm×250mm×(30、60)mm, 种合金包芯线，同时添加钛铁，在吊包之前喂入钙 焊前无预热，焊后无热处理，气电立焊具体焊接参 线，采用钛、钙和镁复合脱氧的方式使氧化物在钢 数设置如表2所示.其中，H30和H60试制钢设置 中呈弥散分布； 的焊接线能量分别为247kJcm和224kJcm, (5)RH精炼：RH精炼站配备了底吹氩、喂线 (3)组织观察及性能测试 及检测装置，有利于实现钢中夹杂物的有效控制； 首先，在垂直于钢板轧制方向取样，利用MTS (6)连铸：全程采用保护浇铸，连续弯曲、矫直 2000KN电液伺服万能试验机对H30和H60试制 和多支点密排辊技术，另外，具有铸坯凝固液芯动 钢热轧钢板进行全厚度板拉伸性能测试，使用体 态轻压下技术，可明显改善铸坯疏松、缩孔和偏析 积分数4%硝酸酒精腐蚀出基体组织并使用 等缺陷； Zeiss光学显微镜进行组织观察；另外，沿着钢板轧 (7)TMCP:河钢邯钢中板产线配备了步进式 制方向取样，试样经过焊接热模拟后，以焊点为中 加热炉、AGC厚度自动控制、控轧技术、加速冷 心得到HAZ,再将试样加工成为10mm×10mm× 却系统和超声波探伤等技术，通过调整不同阶段 55mm标准冲击试样，焊点处开V型缺口，随后利 压下率，充分发挥钢板在再结晶区和未再结晶区 用450J摆锤冲击试验机测试-40℃条件下HAZ 表1试制钢的化学成分（质量分数） Table I Chemical compositions of tested steels % Steel No. C Si Mn 41 Cu Ni B Ca+Mg H30 0.077 0.151.55 0.0081 0.0033 0.0035 0.029 0.03 0.026 0.0007 0.008 ≤0.003 H60 0.091 0.14 1.53 0.0072 0.0037 0.0056 0.03 0.03 0.029 0.0007 0.008 ≤0.003 表2气电立焊焊接参数 Table 2 Parameters during the electrode-gas welding process Welding current Gas Steel No. Bevel angle/ Arc voltage/ Welding speed/ Heat input/ Weld type () Power type Current/A Type Flow rate (mm'min) (kJ-cm) (L'min) H30 Single side EGW 30 DCEP 380 45 C02 20 41.5 247 H60 Double side EGW 40 DCEP 410 50 C02 20 54.9 224

气电立焊设备对 30 mm 和 60 mm 厚度规格试制钢 板进行了实焊试验. 在此基础上，对试制钢中夹杂 物、组织和冲击性能及其作用关系进行了研究. 1    试验材料及方法 1.1    试验材料 试验材料取自河钢邯钢，大线能量焊接用 EH420 海工钢基本生产工艺流程为铁水预脱硫→转炉→ 转炉炉后硅锰预脱氧→LF 精炼→RH 精炼→连铸→ 控轧控冷（TMCP），工艺控制要点如下： （ 1）铁水预脱硫：铁水硫的质量分数降低至 <0.005%，降低精炼脱硫负荷； （2）转炉：采用顶底复吹炼钢法，将钢中碳的 质量分数降低至<0.05%，磷的质量分数降低至 <0.01%，采用滑板挡渣技术，减少钢水回磷； （3）转炉炉后 Si−Mn 预脱氧：转炉出钢过程中 随着钢流加入硅铁和锰铁进行预脱氧处理，将钢 液中氧的质量分数降低至<1×10−4 ； （4）LF 精炼：钢包入站后喂入 Fe−Ti−Mg 质特 种合金包芯线，同时添加钛铁，在吊包之前喂入钙 线，采用钛、钙和镁复合脱氧的方式使氧化物在钢 中呈弥散分布； （5）RH 精炼：RH 精炼站配备了底吹氩、喂线 及检测装置，有利于实现钢中夹杂物的有效控制； （6）连铸：全程采用保护浇铸，连续弯曲、矫直 和多支点密排辊技术，另外，具有铸坯凝固液芯动 态轻压下技术，可明显改善铸坯疏松、缩孔和偏析 等缺陷； （7）TMCP：河钢邯钢中板产线配备了步进式 加热炉、AGC 厚度自动控制、控轧技术、加速冷 却系统和超声波探伤等技术，通过调整不同阶段 压下率，充分发挥钢板在再结晶区和未再结晶区 组织均匀细化作用，另外，通过对开冷温度、终冷 温度和辊速的调整，促进钢中细晶铁素体的组织 转变. 试制生产的 30 mm（H30 试制钢）和 60 mm（H60 试制钢）厚度规格的大线能量焊接用 EH420 海洋 工程用钢成分如表 1 所示. 1.2    试验方法 （1）焊接热模拟试验. 在 H30 和 H60 试制钢板表皮 下 2  mm 处 取 11 mm×11 mm×71 mm 焊接热模拟试样，利用 Gleeble- 3800 热模拟试验机进行 2 炉试制钢 HAZ 热模拟 试验. 模拟 HAZ 具体的参数设置如下：采用 Rykalin- 2D 模型，模拟板厚分别为 30 mm 和 60 mm，加热 速率为 100 ℃·s−1，峰值温度为 1400 ℃，比热容为 1 J·g−1 ·℃−1，导热率为 0.5 J·cm−1·s−1 ·℃−1，模拟焊接 线能量为 200 kJ·cm−1 . （2）气电立焊试验. 利用气电立焊设备对试制钢进行了实焊试 验，试制钢的尺寸为 50 mm×250 mm×（30、60）mm， 焊前无预热，焊后无热处理，气电立焊具体焊接参 数设置如表 2 所示. 其中，H30 和 H60 试制钢设置 的焊接线能量分别为 247 kJ·cm−1 和 224 kJ·cm−1 . （3）组织观察及性能测试. 首先，在垂直于钢板轧制方向取样，利用 MTS 2000KN 电液伺服万能试验机对 H30 和 H60 试制 钢热轧钢板进行全厚度板拉伸性能测试，使用体 积 分 数 4% 硝 酸 酒 精 腐 蚀 出 基 体 组 织 并 使 用 Zeiss 光学显微镜进行组织观察；另外，沿着钢板轧 制方向取样，试样经过焊接热模拟后，以焊点为中 心得到 HAZ，再将试样加工成为 10 mm×10 mm× 55 mm 标准冲击试样，焊点处开 V 型缺口，随后利 用 450 J 摆锤冲击试验机测试−40 ℃ 条件下 HAZ 表 1 试制钢的化学成分（质量分数） Table 1  Chemical compositions of tested steels % Steel No. C Si Mn P S Al Cu Ni Cr B Ti Ca+Mg H30 0.077 0.15 1.55 0.0081 0.0033 0.0035 0.029 0.03 0.026 0.0007 0.008 ≤0.003 H60 0.091 0.14 1.53 0.0072 0.0037 0.0056 0.03 0.03 0.029 0.0007 0.008 ≤0.003 表 2 气电立焊焊接参数 Table 2 Parameters during the electrode-gas welding process Steel No. Weld type Bevel angle / (°) Welding current Arc voltage / V Gas Welding speed/ (mm·min−1) Heat input / (kJ·cm−1) Power type Current /A Type Flow rate / (L·min−1) H30 Single side EGW 30 DCEP 380 45 CO2 20 41.5 247 H60 Double side EGW 40 DCEP 410 50 CO2 20 54.9 224 刘洪波等： 大线能量焊接用 EH420 海工钢生产工艺及焊接性能 · 1475 ·

.1476 工程科学学报，第42卷，第11期 冲击韧性，同时采用Zeiss Ultra55型场发射扫描电 素体(PF).另外，对轧制后试制钢板垂直于轧制方 镜观察HAZ中的夹杂物和组织之间的作用关系， 向取全厚度板拉伸试验试样，平行于轧制取-40℃ 并使用电镜附带的能谱仪对夹杂物进行线、面扫 冲击试验试样，试验结果如表3所示.从结果中可 描分析 以看出，H30和H60试制钢屈服强度分别为461MPa 2试验结果与分析 和534MPa,抗拉强度分别为570MPa和628MPa, 延伸率分别为26%和24.5%，已经满足GB/T712一 2.1母材组织与性能 2011规定的EH420级海洋工程用钢国家标准要 在图1所示，钢板热轧态显微组织图中可以看 求.另外，H30和H60试制钢基体在-40℃的纵向 出，H30和H60试制钢组织以粒状贝氏体(GB)为 冲击功均值分别为338J和315J,远超国家标准≥ 主，同时还有少量的针状铁素体(AF)以及块状铁 42J的要求 (a)H30 GB (b)H60 AF GB GB GB 图1H30和H60试制钢热轧态显微组织(GB:粒状贝氏体.PF:块状铁素体.AF:针状铁素体).(a)H30:(b)H60 Fig.1 Microstructure of hot-rolled H30 and H60 tested steels(GB:granular bainite,PF:polygonal ferrite,AF:acicular ferrite):(a)H30;(b)H60 表3试制钢母材力学性能 Table 3 Mechanical properties at room temperature of tested steels Mechanical properties Steel No. Charpy impact energy at-40 C/J Yield strength /MPa Tensile strength /MPa Elongation/% Value #1 Value #2 Value #3 Average value H30 461 570 26 325 352 337 338 H60 534 628 24.5 311 315 318 315 EH420(GB/T712-2011) ≥420 530-680 ≥18 ≥42 2.2焊接热模拟试验 2.2.2焊接热影响区组织和夹杂物 2.2.1焊接热影响区冲击性能 图2显示了H30和H60试制钢在200kJcm 表4所示为试制钢在200kJcm线能量条件 线能量条件下热模拟后HAZ显微组织.从图2(a) 下，在-40℃下的夏比冲击吸收功.从结果中可以 中可以看出，采用TFFP技术后的H30试制钢 看出，H30和H60试制钢HAZ冲击功各值并未出 HAZ中出现了大量的AF,同时还伴有少量的品界 现显著的差异，平均值分别为203J和135J,均高 铁素体(GBF).Lee和Pan研究称，在一定范围 于国标≥42J的要求 内AF的形核潜能会随着晶粒尺寸的增加而增大. 表4试制钢200kJ℃m~1焊接热模拟后HAZ低温冲击吸收功 王超研究结果表明，由于HAZ高温停留时间较 Table 4 Impact absorbed energy of the HAZ in tested steels after 长，奥氏体晶粒尺寸显著增加，晶内形核位置增加， 200 kJcm welding thermal simulation 有利于AF的形成，AF析出能切割晶粒使HAZ区 Heat input Charpy impact energy at-40 C/J Steel No. 域的晶粒变得更加细小.另外，AF是一种具有大 (kJ.cm)Value #1 Value Value #3 Average value 角度晶界、高位错密度板条状的中温转变组织，该 H30 193 247 169 203 200 组织具有较高的取向差，可以有效阻碍脆性断裂 H60 128 183 92 135 裂纹的扩展，并同时提高冲击韧性2？-2因此

冲击韧性，同时采用 Zeiss Ultra 55 型场发射扫描电 镜观察 HAZ 中的夹杂物和组织之间的作用关系， 并使用电镜附带的能谱仪对夹杂物进行线、面扫 描分析. 2    试验结果与分析 2.1    母材组织与性能 在图 1 所示，钢板热轧态显微组织图中可以看 出，H30 和 H60 试制钢组织以粒状贝氏体（GB）为 主，同时还有少量的针状铁素体（AF）以及块状铁 素体（PF）. 另外，对轧制后试制钢板垂直于轧制方 向取全厚度板拉伸试验试样，平行于轧制取−40 ℃ 冲击试验试样，试验结果如表 3 所示. 从结果中可 以看出，H30 和 H60 试制钢屈服强度分别为 461 MPa 和 534 MPa，抗拉强度分别为 570 MPa 和 628 MPa， 延伸率分别为 26% 和 24.5%，已经满足 GB/T 712— 2011 规定的 EH420 级海洋工程用钢国家标准要 求. 另外，H30 和 H60 试制钢基体在−40 ℃ 的纵向 冲击功均值分别为 338 J 和 315 J，远超国家标准≥ 42 J 的要求. (a) H30 PF AF AF AF GB GB GB (b) H60 PF 20 μm 20 μm AF GB GB 图 1    H30 和 H60 试制钢热轧态显微组织（GB：粒状贝氏体，PF：块状铁素体，AF：针状铁素体）. （a）H30；（b）H60 Fig.1    Microstructure of hot-rolled H30 and H60 tested steels (GB: granular bainite, PF: polygonal ferrite, AF: acicular ferrite): (a) H30; (b) H60 2.2    焊接热模拟试验 2.2.1    焊接热影响区冲击性能 表 4 所示为试制钢在 200 kJ·cm−1 线能量条件 下，在−40 ℃ 下的夏比冲击吸收功. 从结果中可以 看出，H30 和 H60 试制钢 HAZ 冲击功各值并未出 现显著的差异，平均值分别为 203 J 和 135 J，均高 于国标≥42 J 的要求. 2.2.2    焊接热影响区组织和夹杂物 图 2 显示了 H30 和 H60 试制钢在 200 kJ·cm−1 线能量条件下热模拟后 HAZ 显微组织. 从图 2（a） 中可以看出 ，采 用 ITFFP 技术后 的 H30 试 制 钢 HAZ 中出现了大量的 AF，同时还伴有少量的晶界 铁素体（GBF）. Lee 和 Pan[25] 研究称，在一定范围 内 AF 的形核潜能会随着晶粒尺寸的增加而增大. 王超[26] 研究结果表明，由于 HAZ 高温停留时间较 长，奥氏体晶粒尺寸显著增加，晶内形核位置增加， 有利于 AF 的形成，AF 析出能切割晶粒使 HAZ 区 域的晶粒变得更加细小. 另外，AF 是一种具有大 角度晶界、高位错密度板条状的中温转变组织，该 组织具有较高的取向差，可以有效阻碍脆性断裂 裂纹的扩展 ，并同时提高冲击韧性[27−29] . 因此 ， 表 3 试制钢母材力学性能 Table 3 Mechanical properties at room temperature of tested steels Steel No. Mechanical properties Yield strength /MPa Tensile strength /MPa Elongation /% Charpy impact energy at −40 ℃ / J Value #1 Value #2 Value #3 Average value H30 461 570 26 325 352 337 338 H60 534 628 24.5 311 315 318 315 EH420 (GB/T 712—2011) ≥420 530−680 ≥18 ≥42 表 4    试制钢 200 kJ·cm−1 焊接热模拟后 HAZ 低温冲击吸收功 Table 4    Impact absorbed energy of the HAZ in tested steels after 200 kJ·cm−1 welding thermal simulation Steel No. Heat input / (kJ·cm−1) Charpy impact energy at −40 ℃ / J Value #1 Value #2 Value #3 Average value H30 200 193 247 169 203 H60 128 183 92 135 · 1476 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期