從防震、耐震的觀點(diǎn)出發(fā)，在建筑領(lǐng)域都強(qiáng)烈要求鋼架結(jié)構(gòu)物焊縫部實(shí)現(xiàn)高韌（性）化。現(xiàn)代城市越來越多的建筑在超高層化和大跨度化，所用柱材主要采用40mm厚度以上的高強(qiáng)（度）板焊成四面匣形樁，焊接工藝為ESW（電渣焊）和SAW（埋弧焊）。在高效的大熱量輸入焊接中，HAZ（焊接熱影響區(qū)）和WM（焊接金屬部）的顯微組織就會粗大化，從而造成原來（普通）鋼的韌性不可避免地下降。
JFE鋼鐵公司開發(fā)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)440N/mm2的建筑結(jié)構(gòu)用高性能590N/mm2鋼材及焊接材料，完成了490～590N/mm2大熱量輸入焊接部韌性優(yōu)良的建筑鋼板及其焊接材料的系列配套。
現(xiàn)概要介紹四面匣形樁的大熱量輸入焊接部高韌化技術(shù)—JFEEWEL和用此技術(shù)生產(chǎn)的590N/mm2鋼板（SA440－E）的母材性能、以及用配套焊接材料焊接的焊縫性能。
2 大熱量輸入焊接的應(yīng)用及目標(biāo)性能
匣形樁角部（即棱邊）焊接用SAW工藝而內(nèi)擋板部焊接用ESW工藝。施加的焊接輸入熱量隨板厚的增大而增大，有時(shí)SAW超過60kJ/mm而ESW超過100kJ/mm。
以焊接內(nèi)擋板的ESW焊縫為例：因其HAZ長時(shí)間滯留于1400℃高溫而使奧氏體（γ）晶粒顯著粗大化，在焊后冷卻中產(chǎn)生γ→α相變，從γ晶界生成粗大鐵素體的同時(shí)，因舊γ晶內(nèi)變成了含在硬質(zhì)島狀馬氏體（M－A）的上貝氏體（upperbainite)組織，故HAZ韌性低下。一般隨著鋼板的高強(qiáng)度、厚壁化和Ceq的增大，其韌性會顯著下降。
鋼板（SA440－E）的目標(biāo)性能與獲得了（日本）國土交通大臣材料認(rèn)定的現(xiàn)行HBL325、355、385及SA440的規(guī)格相同；且其SAW及ESW的HAZ、焊接接合部（FL）以及WM的0℃夏比沖擊吸收能（vEo），與在小熱量多層堆焊的鋼架梁端焊接接合部的性能要求相同，平均目標(biāo)值≥70J。
3 大熱量輸入焊縫的高韌化技術(shù)
用大熱量輸入焊接匣形樁時(shí)，其HAZ高韌化技術(shù)包括γ晶粒細(xì)化技術(shù)、HAZ晶內(nèi)組織控制技術(shù)、最佳成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝、以及利用來自WM的B擴(kuò)散以控制HAZ組織共4個(gè)方面內(nèi)容，有效利用這些技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)建筑用高強(qiáng)度鋼板的開發(fā)和應(yīng)用目標(biāo)。
為了進(jìn)行粗晶HAZ（下稱CGHAZ）的極小化，利用在高溫下穩(wěn)定的氮化物和氧化物抑制γ晶粒粗大化是有效的。為此，著眼于在鋼中的彌散分布且在工業(yè)上易于控制的TiN，就最大限度應(yīng)用其對γ晶粒的細(xì)化作用進(jìn)行了研究。
在采用了熱微積分學(xué)（thermo－cale)的熱力學(xué)解析和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對鋼中的Ti、N含量、Ti/N及微合金化（microalloying)進(jìn)行控制，將TiN固溶溫度從原＜1400℃提高到了＞1400℃，從而實(shí)現(xiàn)了TiN質(zhì)點(diǎn)的彌散分布。
用再現(xiàn)焊接熱循環(huán)裝置，將細(xì)化了γ晶粒的鋼加熱到相當(dāng)于大熱量輸入焊接時(shí)HAZ溫度后的1400℃，再以80s慢冷至1200℃后急冷，以凍結(jié)鋼的高溫組織并調(diào)查了γ晶粒尺寸。結(jié)果表明，用γ晶粒細(xì)化技術(shù)可將其細(xì)化到200μm以下，從而實(shí)現(xiàn)了CGHAZ的極小化。
為了查明晶內(nèi)組織對HAZ韌性的影響，采用Ceq在0.34%～0.44%間變化、厚60mm鋼板，進(jìn)行相當(dāng)于輸入熱量100kJ/mmESN焊接的1400℃加熱、在冷卻時(shí)間（△t800－500)＝1000s內(nèi)從800℃冷至500℃的再現(xiàn)焊接熱循環(huán)，調(diào)查了再現(xiàn)的HAZ韌性變化和顯微組織的關(guān)系。結(jié)果表明，Ceq較高，加入合金量多的鋼變成了上貝氏體（簡稱UB）組織，其再現(xiàn)HAZ韌性顯著低下；而Ceq較低的鋼則變?yōu)殍F素體＋貝氏體（F＋B）和鐵素體＋珠光體（F＋P）組織，提高了再現(xiàn)HAZ韌性，此變化與鋼中M－A量的減少相對應(yīng)。
另一方面，因Ceq低下而使與再現(xiàn)HAZ顯微組織變化相適應(yīng)的硬度下降，故須考慮與鋼的強(qiáng)度級別相適應(yīng)的焊縫強(qiáng)度成分設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)HBL325鋼HAZ組織的（F＋P）化，應(yīng)控制其Ceq＝0.35%左右；還考慮到HBL385、SA440鋼的焊縫強(qiáng)度而控制其顯微組織為F＋B，從而進(jìn)行了Ceq≤0.40%的合金設(shè)計(jì)。
4 焊接金屬的高韌化技術(shù)
在大熱量輸入SAW及ESW焊接中，即使在WM也會因組織的粗大化而使其韌性低下。為了實(shí)現(xiàn)WM的高韌化，就須完全抑制在舊γ晶界生成晶界F，且控制晶內(nèi)為針狀F。
為此，向焊接材料中優(yōu)化加入了強(qiáng)化淬透性元素、抑制晶界F元素和晶內(nèi)針狀F相變促進(jìn)元素，以控制WM的化學(xué)組成。因在SAW及ESW焊接時(shí)有20%～50%的母材稀釋，故控制WM組織時(shí)須考慮鋼板化學(xué)成分產(chǎn)生的影響。
因此，設(shè)定了焊接工藝及輸入熱量相適應(yīng)的母材稀釋量，對焊接材料成分進(jìn)行了周密設(shè)計(jì)，通過WM組織的最佳化實(shí)現(xiàn)了WM的高韌化。故所開發(fā)的焊接材料，就能配套用于以JFEEWEL技術(shù)生產(chǎn)鋼板的焊接中。
5 SA440－E鋼板的開發(fā)
在采用JFEEWEL技術(shù)生產(chǎn)的鋼板中，此前已介紹過HBL325－E、355－E及385－E，故現(xiàn)僅簡述SA440－E鋼板的試制及以母材、焊縫性能為中心的實(shí)機(jī)制造結(jié)果。
關(guān)于焊縫的韌性，無論在焊縫的WM、FL和HAZ的任何部位，其0℃夏比沖擊吸收能vEo都明顯超過了70J的目標(biāo)值（最低78J、最高247J），表明其焊縫韌性優(yōu)良。為了查明大熱量輸入焊接的焊縫強(qiáng)度，分別制作了平接焊縫和十字形焊縫，對之進(jìn)行了抗拉試驗(yàn)。結(jié)果表明，斷裂雖然都發(fā)生在HAZ，但其各自抗拉強(qiáng)度都超過了590N/mm2這個(gè)開發(fā)鋼板的目標(biāo)值、而分別達(dá)611N/mm2和658N/mm2。
6 結(jié)語
JFE制鋼公司開發(fā)的這類鋼板及配套的焊接材料，能滿足多樣化的用戶需求，特別能適用于現(xiàn)代城市超高層和大跨度建筑物中對立柱等大型鋼結(jié)構(gòu)的材料及制作。
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