一种大线能量焊接低合金高强度钢板及其制造方法 【技术领域】
本发明属于低合金高强度钢技术领域。尤其涉及一种大线能量焊接低合金高强度钢板及其制造方法。
背景技术
近三十年来，为提高大型工程结构的焊接效率，保证其使用的安全可靠性，焊接效率高的单面埋弧焊、气电焊、电渣焊等大线能量焊接技术相继被采用，这给传统的低合金高强度钢带来了新的问题，即焊接粗晶热影响区(HAZ)的强度和韧性变差，且易产生焊接冷裂纹等缺陷。因此，HAZ韧性的改善成为低合金高强度钢大线能量焊接研究和开发的热点和重点。
大线能量焊接条件下低合金高强度钢(抗拉强度为600～1000MPa)的组织转变行为与控制必须充分综合考虑母材及其焊接热影响区组织的形成过程及其控制方法。因为大焊接热输入条件下的焊接热影响区组织的粗化、热影响区的软化以及由此而造成的焊接热影响区的脆化和接头强度的降低是低合金高强度钢焊接中的主要问题。
为此，国内外对低合金高强度钢的焊接热影响区组织性能特征、奥氏体晶粒长大动力学等方面进行了大量的研究与探索，研究和设计出新的大线能量焊接条件下高强度钢及其制造方法。如大线能量低焊接裂纹敏感性系列钢及其生产方法”(ZL02115877.0)、“高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法”(ZL01133562.9)、“大线能量焊接非调质高韧性低温钢及其生产方法”(ZL01128316.5)、大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢及其生产方法(ZL01128476.5)、“一种可大线能量焊接的厚钢板及制造方法”(CN200510023216.0)、“大线能量焊接水电站压力管用钢及其生产方法”(CN200510019165.4)、“可大线能量焊接的超高强度厚钢板及其制造方法”(ZL200410017255.5)和“大线能量低焊接裂纹敏感性系列钢及其生产方法”(ZL02115877.0)等专利技术，存在如下问题：
1、焊接线能量低，一般为50～150kJ/cm；
2、Si含量较高，因较高含量的Si会促进M/A的形成，降低HAZ的韧性；
3、含有昂贵金属钒，使产品的成本提高；
4、有的采用调质工艺生产，因而生产过程复杂、环节多、生产成本高，由于采用调质工艺生产，含碳量一般来讲比非调质工艺要高，不利于抗更大的线能量焊接和实现控制轧制和控制冷却以及机械热处理工艺(TMCP)；
5、钢中含有稀土元素，稀土元素为非常活泼的元素，不容易控制，而且容易污染钢水，不利于产品质量的提高。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种化学成分简单、易于控制、生产成本低、工艺过程简单的大线能量焊接低合金高强度钢板的制造方法；用该方法制造的钢板焊接质量高、裂纹敏感性低和抗拉强度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：铸坯的化学成分及其含量是：C为0.01～0.18wt％，Si为0.05～0.60wt％，Mn为1.50～2.50wt％，Ni为0.10～1.50wt％，Cu为0.10～1.50wt％，Als为0.001～0.060wt％，Nb为0.01～0.08wt％，N为0.002～0.012wt％，B为0.0001～0.003wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，ZrO2为0.1～0.9wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。其中，ZrO2的粒度为10～50纳米。
该钢板的制造工艺是：采用转炉或者电弧炉将铁水、或废钢、或铁水与废钢经炼钢后进行精炼，根据板坯的化学成分加入合金元素，然后进行连铸和热轧。
其热轧工艺是：先将铸坯加热至1100～1250℃，均热2～4小时，再进行热轧，轧制成20～100mm厚的钢板，然后以5～25℃/s的冷却速度在线冷却即可。
由于采用上述技术方案，本发明加入合金元素、尤其加入粒度为10-50纳米的ZrO2，在大线能量焊接条件下的焊接热影响区既可作为针状铁素体的形核剂，以阻止奥氏体组织的长大与粗化，既可作为钢液凝固的孕育剂，不仅有利于形成细小的铸态组织，又有利于在凝固、轧制以及焊接过程中组织的长大与粗化。
本发明具有化学成分简单、易于控制、生产成本低和工艺过程简单的特点。所制造的钢板的抗拉强度为600～1000MPa，在150～800kJ/cm的线能量下进行焊接，焊接后可不进行热处理，焊接HAZ的冲击功不低于母材冲击功的2/3。因此，该钢板焊接质量高、裂纹敏感性低、抗拉强度高，可有效地降低焊接施工强度，提高焊接质量，减少制造成本，节约资源和能源，适合埋弧焊、气保焊、气电焊、电渣焊的各种焊接。
本发明制备的钢板适用原油储罐、建筑、船舶军舰等大型结构、设备、设施等，尤其适用于强度高、厚度大和抗大线能量焊接。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制：
实施例1
一种大线能量焊接低合金高强度钢板及其制造方法。该铸坯的化学成分及其含量是：C为0.01～0.18wt％，Si为0.05～0.60wt％，Mn为1.50～2.50wt％，Ni为0.10～1.50wt％，Cu为0.10～1.50wt％，Als为0.001～0.060wt％，Nb为0.01～0.08wt％，N为0.002～0.012wt％，B为0.0001～0.003wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，ZrO2为0.10～0.40wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中ZrO2地粒度为10～30纳米。
本实施例1的制造工艺是：采用转炉将铁水经炼钢后进行精炼，根据铸坯的化学成分加入合金元素，然后进行连铸和热轧。热轧工艺是：先将铸坯加热至1150～1200℃，均热2.5～3.5小时，再轧制成50～70mm厚的钢板，然后以5～15℃/s的冷却速度在线冷却。
本实施例1所制造的钢板的抗拉强度为600～700MPa，可在150～800kJ/cm的线能量下进行焊接，焊接后不需进行热处理，焊接HAZ的冲击功不低于母材冲击功的2/3。
实施例2
一种大线能量焊接低合金高强度钢板及其制造方法。该铸坯的化学成分及其含量是：C为0.01～0.18wt％，Si为0.05～0.60wt％，Mn为1.50～2.50wt％，Ni为0.10～1.50wt％，Cu为0.10～1.50wt％，Als为0.001～0.060wt％，Nb为0.01～0.08wt％，N为0.002～0.012wt％，B为0.0001～0.003wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，ZrO2为0.60～0.90wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中ZrO2的粒度为20～40纳米。
本实施例2的制造工艺是：采用电弧炉将废钢经炼钢后进行精炼，根据铸坯的化学成分加入合金元素，然后进行连铸和热轧。热轧工艺是：先将铸坯加热至1200～1250℃，均热2.0～3.0小时，再轧制成70～100mm厚的钢板，然后以15～25℃/s的冷却速度在线冷却即可。
本实施例2所制造的钢板的抗拉强度为900～1000MPa，可在600～800kJ/cm的线能量下进行焊接，焊接后不需进行热处理，焊接HAZ的冲击功不低于母材冲击功的2/3。
实施例3
一种大线能量焊接低合金高强度钢板及其制造方法。该铸坯的化学成分及其含量是：C为0.01～0.18wt％，Si为0.05～0.60wt％，Mn为1.50～2.50wt％，Ni为0.10～1.50wt％，Cu为0.10～1.50wt％，Als为0.001～0.060wt％，Nb为0.01～0.08wt％，N为0.002～0.012wt％，B为0.0001～0.003wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，ZrO2为0.40～0.60wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中ZrO2的粒度为30～50纳米。
本实施例3的制造工艺是：采用转炉将铁水与废钢经炼钢后进行精炼，根据铸坯的化学成分加入合金元素，然后进行连铸和热轧。热轧工艺是：先将铸坯加热至1100～1150℃，均热3.0～4.0小时，再轧制成20～50mm厚的钢板，然后以5～15℃/s的冷却速度在线冷却即可。
本实施例3所制造的钢板抗拉强度为700～800MPa，可在400～600kJ/cm的线能量下进行焊接，焊接后不需进行热处理，焊接HAZ的冲击功不低于母材冲击功的2/3。
本具体实施方式具有化学成分简单、易于控制、生产成本低和工艺过程简单的特点。所制造的钢抗拉强度为600～1000MPa，在150～800kJ/cm的线能量下进行焊接，焊接后可不进行热处理，焊接HAZ的冲击功不低于母材冲击功的2/3。因此，该钢板组织细小、焊接质量高、裂纹敏感性低、抗拉强度高，可有效地降低焊接施工强度，提高焊接质量，减少制造成本，节约资源和能源。适合埋弧焊、气保焊、气电焊、电渣焊的各种焊接。尤其适用大型货柜船板和LPG船体等低合金高强度、在400～800kJ/cm的线能量输入的造船用厚钢板。
本具体实施方式所制造的钢板可广泛适用原油储罐、建筑用钢、船舶军舰等大型结构、设备、设施等，尤其适用于强度高、厚度大和抗大线能量焊接。