一、研究的背景與問題

為大幅度提高焊接效率，降低建造成本，大線能量高效焊接技術(shù)在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。在大線能量焊接條件下，熱影響區(qū)組織急劇惡化，強(qiáng)度和韌性下降，并且隨著鋼板強(qiáng)度的提高，焊接裂紋敏感性增加，給大型鋼結(jié)構(gòu)的安全帶來危害。開發(fā)適于大線能量焊接，同時(shí)具有高強(qiáng)度、低焊接裂紋敏感性的鋼材是國(guó)內(nèi)外鋼鐵研發(fā)領(lǐng)域的重要課題。

船舶、海工、原油儲(chǔ)罐等立式結(jié)構(gòu)多采用EGW氣電立焊大線能量焊接方式，而橋梁隧道等平面結(jié)構(gòu)焊接中氣電立焊并不適用，一般采用常規(guī)多道次焊接工藝，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。針對(duì)平面結(jié)構(gòu)，工程上采用FCB焊接技術(shù)，可一道次成型，使施工效率成數(shù)十倍提高。但FCB焊接過程中上下表面同時(shí)被焊劑覆蓋，導(dǎo)熱性能極差，又缺少氣電立焊采用的強(qiáng)制水冷，導(dǎo)致焊后冷卻速度更為緩慢，熱影響區(qū)的組織粗化、脆化問題更為嚴(yán)重，這對(duì)大線能量焊接用鋼的性能要求更為苛刻。特別在重大工程的大規(guī)模應(yīng)用中，對(duì)鋼板大線能量焊接性能的穩(wěn)定性要求極高，這又對(duì)高效批量化穩(wěn)定生產(chǎn)提出特殊要求。

鞍鋼股份有限公司、東北大學(xué)和廣船國(guó)際有限公司等單位針對(duì)上述背景和問題，聯(lián)合開展了大線能量焊接橋隧用鋼開發(fā)及重大工程應(yīng)用項(xiàng)目研發(fā)工作，取得了創(chuàng)新性成果。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

針對(duì)大線能量焊接熱影響區(qū)的致脆機(jī)制，提出基于多重組織細(xì)化的微?納米氮/氧化物協(xié)同析出策略及其控制方法，用于指導(dǎo)大線能量焊接橋隧用鋼的研發(fā)生產(chǎn)。根據(jù)不同產(chǎn)品焊接性能需求，優(yōu)化控制各類第二相粒子在冶-鑄-軋-焊全流程中不同階段的析出，充分保證奧氏體晶粒有效釘扎、仿晶界鐵素體等軸化、晶內(nèi)針狀鐵素體形核相變，從而實(shí)現(xiàn)HAZ粗晶區(qū)晶粒、晶內(nèi)、晶界的多重組織細(xì)化，顯著、穩(wěn)定提升大線能量焊接性能。大線能量焊接用鋼中Mg、Zr、Ti、Ca、B、N、O、S等關(guān)鍵微量元素含量及其比例控制尤為重要，但多為易燒損、易揮發(fā)、易脫除元素，精確控制難度大。本項(xiàng)目經(jīng)過大量工業(yè)化實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出轉(zhuǎn)爐?LF?RH?連鑄流程下關(guān)鍵微量難控元素及其化合物的精確控制技術(shù)，突破傳統(tǒng)氧化物冶金工藝瓶頸，將各元素的調(diào)整合理分配至全精煉過程并實(shí)現(xiàn)分階段控制，顯著提高生產(chǎn)效率和工藝的穩(wěn)定性。

大線能量焊接用鋼合金成分通常采用低C、較高合金（Ni、V等）來保證焊接性能，合金成本明顯高于同級(jí)別普通鋼板。本項(xiàng)目摒棄傳統(tǒng)成分設(shè)計(jì)思路，發(fā)揮氮/氧化物和控軋控冷改善組織優(yōu)勢(shì)，在充分滿足性能要求的同時(shí)進(jìn)行合金減量化設(shè)計(jì)，不添加Ni、Cu、Cr、Mo、V等貴重合金元素，合金成本甚至低于同級(jí)別普通鋼板。針對(duì)FCB焊接、切割工藝對(duì)板形和內(nèi)應(yīng)力要求極為嚴(yán)格的特點(diǎn)，開發(fā)出厚向梯度組織調(diào)控技術(shù)和低應(yīng)力鋼板軋制冷卻技術(shù)，將通常因厚板控冷產(chǎn)生的“表層上貝氏體→心部粗晶組織”的不良過渡組織調(diào)控為“表層針狀鐵素體→心部細(xì)晶等軸鐵素體”的有利梯度組織，鋼板強(qiáng)度、塑韌性均得到改善。同時(shí)降低了鋼板內(nèi)應(yīng)力，保證了控冷鋼板的良好板形，提高在大型橋梁隧道鋼殼FCB大線能量焊接過程中的形狀穩(wěn)定性。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、闡明了FCB大線能量焊接橋隧用鋼焊接熱影響區(qū)晶粒、晶界、晶內(nèi)的多重組織細(xì)化機(jī)制，開發(fā)了冶-鑄-軋-焊全流程中不同階段下的微?納米氮/氧化物協(xié)同析出控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了FCB大線能量焊接橋隧用鋼的研發(fā)和大批量生產(chǎn)；

2、開發(fā)出對(duì)焊接性能具有重要影響的Ti、Mg、N、O等關(guān)鍵元素及其化合物的精確控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大線能量焊接橋隧用鋼的高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定冶煉生產(chǎn)；

3、開發(fā)出大線能量焊接用鋼低成本減量化成分設(shè)計(jì)（無Ni、Cu、Cr、Mo、V等元素添加）和低應(yīng)力控軋控冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)厚向“表層針狀鐵素體→心部細(xì)晶等軸鐵素體”的有利梯度組織調(diào)控和高質(zhì)量板形控制，提高了大型橋隧用鋼焊接過程中的形狀穩(wěn)定性，鋼板不平度＜3mm/m；

4、國(guó)際首次實(shí)現(xiàn)FCB大線能量焊接技術(shù)在橋梁隧道鋼結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用，屈服強(qiáng)度達(dá)到420MPa級(jí)別，厚度規(guī)格達(dá)到40mm，在300kJ/cm大線能量焊接條件下熱影響區(qū)沖擊韌性200J以上，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，大幅度提高焊接效率。

四、應(yīng)用情況與效果

深中通道項(xiàng)目是連接深圳與中山市的橋梁隧道工程，是世界級(jí)的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。該項(xiàng)目的海底隧道為世界首例雙向八車道沉管隧道，采用我國(guó)自主創(chuàng)新技術(shù)“三明治沉管結(jié)構(gòu)”，總焊接長(zhǎng)度達(dá)11000公里，全部采用Q390/420級(jí)高強(qiáng)鋼板FCB大線能量焊接，其工程規(guī)模和技術(shù)難度前所未有。這也是首次在橋隧工程中成十萬噸級(jí)地大規(guī)模應(yīng)用大線能量焊接用鋼，遠(yuǎn)超過以往大線能量焊接用鋼幾個(gè)爐次的生產(chǎn)規(guī)模，對(duì)于鋼廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)和鋼結(jié)構(gòu)制造廠的生產(chǎn)效率提高具有重要意義。

由于施工條件限制，平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式無法采用船舶、儲(chǔ)罐建造中常用的EGW氣電立焊技術(shù)，因而該項(xiàng)目中開創(chuàng)性地將FCB大線能量焊接技術(shù)用于橋梁隧道鋼結(jié)構(gòu)建造。在FCB焊接過程中，焊接區(qū)域缺少氣電立焊所采用的強(qiáng)制水冷，同時(shí)又需要在上下表面覆蓋導(dǎo)熱性能極差的焊劑，這使得焊后冷卻速度進(jìn)一步減慢，熱影響區(qū)更易生成各類粗大的脆性組織。本項(xiàng)目開發(fā)出的Q420鋼板滿足500kJ/cm以上焊接熱模擬，在300kJ/cm三絲FCB焊接評(píng)定中具有良好低溫沖擊韌性，在多家產(chǎn)品焊評(píng)中性能最佳，充分滿足橋梁隧道正常施工FCB焊接需求。鞍鋼目前已累計(jì)向深中通道供貨17余萬噸，在施工過程中保持穩(wěn)定的大線能量焊接性能，使制造效率呈十幾倍提高，極大縮短了工期。

該成果研發(fā)的合金減量化新型成分設(shè)計(jì)、大線能量焊接關(guān)鍵技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，適用于采用FCB大線能量焊接施工的橋梁、隧道用鋼，也同樣適用于采用SAW埋弧焊、EGW氣電立焊大線能量焊接的船舶、海工、容器用鋼等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。