氧化物冶金工艺在改善宽厚板焊接性能上的应用

焊接是宽厚板加工的主要方式，因此焊接性能的好坏是宽厚板性能的极为重要的关键指标之一。建筑构件向大型化和高层化发展的趋势要求钢板厚度增加及钢板强度提高，但随之带来焊接性能显著下降、焊接裂纹敏感性增加等问题。另一方面，为了提高生产效率，要求钢板能适应大线能量焊接，然而随着焊接线能量的提高，传统钢板的焊接热影响区性能恶化，容易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。因此，如何在追求高强度的同时改善钢板的焊接性能就成为越来越迫切需要解决的课题。从近几年所报道的研究工作来看，氧化物冶金（oxidesmetallurgy）技术的应用是解决该问题的一个重要新途径，应该引起我们的注意。氧化物冶金技术的思路起源于对钢中细小夹杂物的有效利用。本来，在炼钢过程中，去除或减少各种非金属夹杂物是最令人关心的问题之一。然而，非金属夹杂物有二重性，换一个思维角度看，如将残余夹杂物的尺寸控制在某一临界尺寸以下，它不仅无害，还可以对组织与性能产生积极的影响，如阻止晶粒长大，提高强度等等。由此，从避免过度追求钢的纯净度以生产夹杂物含量极低的钢材这种十分困难而又很不经济的做法，到在冶炼过程中积极主动地设法形成和巧妙利用如超细氧化物颗粒那样的夹杂物来改善材料性能，就发展为“氧化物冶金”的思想。氧化物冶金技术应用于厚板钢方面的最新进展就是要满足大线能量焊接的要求。主要有以下两点：第一，大线能量焊接要求在1400℃高温下仍保存具有很强钉扎作用的粒子，以避免奥氏体晶粒的粗化。传统的钢板是利用TiN的钉扎作用，但是TiN在1400℃会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用。应用氧化物冶金技术形成高熔点并且尺寸仅为纳米级的含鎂、钙或钛、铝等元素的氧化物或硫化物颗粒，弥散分布于基体。这些颗粒在大功率焊接热输入峰值达到1450℃时，仍能保持稳定，可以有效钉扎和阻止奥氏体晶粒在高温下的长大。实验表明，通过对钢水进行鎂处理工序，可使晶粒尺度减小60%以上，大幅度改善了高强度管线钢在现场敷设时环焊热影响区的韧性。第二，大线能量焊接要求进一步细化焊缝和热影响区的组织以缩小焊接部位和母材性能的差异。由氧化物冶金技术所形成的微细非金属夹杂物在冷却过程中可以充当晶内铁素体形核点，大大提高形核率，促进有利于韧性的细密针状铁素体组织的形成。氧化物冶金可以在正常的冶炼工艺（如脱氧、脱硫、钢液净化过程等）中进行，无需另外添加物料，不影响正常的生产过程，可起到进一步固定残余氧、硫等元素的作用，使之转化为对钢的性能有益而无害的弥散颗粒。只要严格控制Mg、Ca、O、S等元素的含量，就可得到高温下稳定、细小弥散的夹杂物，而避免产生粗大的有害夹杂。日本新日铁公司已将此技术成功地应用于490～590MPa厚板钢的大线能量焊接过程。这项技术也被列入日本“新世纪结构材料开发计划”之中。（