[发明专利]可大线能量焊接厚钢板制造过程中添加镁的方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金和焊接技术领域，具体涉及提高厚钢板大线能量焊接性能的 技术，更具体地涉及在大线能量焊接厚钢板制造过程中添加镁的方法。

背景技术

在造船、建筑和压力容器等许多领域，提高低合金厚钢板的大线能量焊接性 能已经成为越来越迫切的要求。例如，在船舶工业中焊接是其制造工艺的关键环 节之一，焊接工时占建造总共工时的30％-40％左右。提高船板钢的焊接性能，采 用大线能量焊接，可以提高焊接的效率，缩短造船周期和降低造船成本。

然而，在传统的低合金钢的大线能量焊接过程中，焊接热影响区HAZ(Heat Affected zone)的强度和韧性随着焊接线能量的提高而大幅下降，因此防止焊接 过程中热影响区性能的恶化成了开发大线能量焊接用钢的关键。一般来说，经过 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)工艺制造的具有细微组织结构的厚钢 板经过焊接热循环之后，原来良好的组织结构遭到破坏，被加热的奥氏体晶粒明 显长大，形成粗晶热影响区CGHAZ(Coarse-grained HAZ)，使大线能量焊接过程 中焊接热影响区的韧性降低。在CGHAZ导致脆化的组织是冷却过程中形成的粗大 的晶界铁素体GBF(Grain Boundary Ferrite)、侧板条铁素体FSP(Ferrite Side Plate)和上贝氏体，以及在晶界铁素体近傍形成的珠光体、在侧板条铁素体的板 条间形成的碳化物岛状M-A组元(Martensite-Austenite constituent)。随着旧 γ晶粒粒径的增加，GBF和FSP的尺寸也相应增大，HAZ的夏比冲击功将显著降 低。

为了通过改善焊接热影响区的组织，达到提高厚钢板大线能量焊接性能的目 的，一种重要的方法是利用在钢材中弥散分布的微细夹杂物作为钉扎粒子，在焊 接热循环的过程中，钉扎γ晶界的移动，抑制γ晶粒的长大。这样就可以减小 脆化组织GBF和FSP的尺寸，达到改善焊接热影响区韧性的目的。

可以有效地发挥作用的钉扎粒子必须同时具备在钢材中的分散性和焊接高温 下的安定性这两种特性。Fe₃C、VC、TiC、NbC等碳化物粒子，以及AlN、TiN等氮 化物粒子虽然可以在钢材中细微分散，但是在焊接热循环的融合线附近的温度超 过1400℃的高温下，发生固溶或者长大，不能很好地抑制γ晶粒的长大。Al₂O₃、 Ti₂O₃等氧化物，MnS等硫化物粒子，虽然在焊接热循环的高温下可以安定存在， 不发生固溶，但是这些粒子粒径较大，也不能很好地抑制γ晶粒的长大。强脱氧 剂Mg、Ca、REM等氧化物和硫化物粒子，尤其是Mg的氧化物和硫化物粒子，同时 具备在钢材中的分散性和焊接高温下的安定性这两种特性，可以有效地钉扎γ晶 界的移动，抑制γ晶粒的长大。

因此，如何保证钢材中的Mg含量，如何提高添加Mg的收得率，以及如何使 Mg在钢材中均匀分布成为提高厚钢板大线能量焊接性能的关键。由于金属Mg的 沸点为1107℃，在炼钢1600℃的温度下，其蒸汽压高达2.0×10⁶Pa。往钢水中 添加的金属Mg将迅速地变成蒸汽，从钢液中逸出，甚至造成钢水喷溅、爆炸等危 险。因此，在钢液中加入金属Mg的安全问题，以及金属Mg处理钢水的利用率问 题仍然是制约金属Mg用于钢水二次精炼的主要难题。

日本专利JP3378433(児島明彦、渡边義之、千々岩力雄：溶接熱影響部靭性 の優れた鋼板の製造方法，JP3378433，1996.4.12。)介绍了利用钢中的MgO微粒 改善厚钢板焊接热影响区韧性的方法，指出随着钢中Mg含量的提高，MgO粒子的 数量大幅度增加，在1450℃加热时γ晶粒的长大受到明显的抑制。日本专利 JP3476999(児島明彦、渡边義之：溶接熱影響部靭性の優れた鋼板，JP3476999， 1996.5.21)将钢材中的MgO夹杂分成纳米级夹杂(50-500nm)和微米级夹杂(0.5-5 μm)两类，这两类夹杂的数量随着钢中Mg含量的增高而显著增加，导致γ晶粒 的粒径以及焊接热影响区脆性组织GBF、FSP的尺寸显著降低，从而改善焊接热影 响区的韧性。由此可以看出，改善厚钢板焊接热影响区韧性的关键之一是如何提 高钢材中的Mg含量。但是这些专利，都没有介绍金属Mg的添加方法以及Mg的收 得率。