大热输入焊接用 Q420C 钢板的开发

具有 Z35级别性能。

成分设计及工艺设计
2.1 成分设计
该批钢材要求在最大热输入270kJ·cm-1 的 情况下,具有良好的焊接性能,因此该钢种在成分设计
时要求具 有 较 低 碳 当 量 和 低 的 焊 接 裂 纹 敏 感 性 指
数,并且磷、硫元素 需 严 格 控 制,以 保 证 钢 的 洁 净 度
来达到足够的韧性[3],具体的成分设计见表3为了保证钢板 最 终 性 能,根 据 适 当 的 成 分 配 比
添加了微量的合金元素铌、钛、铝元素。铌元素主要
提高钢板的强度(控轧导致的细晶强化、弥散析出的
沉淀硬化及加速冷却导致的相变强化);钛元素抑制
加热、轧制及焊接热循环过程中奥氏体晶粒长大,改
善钢板的冲击韧性;铝元素与氮元素相结合,消除固
溶氮对钢板冲击韧性、时效脆化特性等不利影响,另
外铝与氮结 合 形 成 AlN 粒 子,细 化 钢 板 晶 粒 尺 寸,
提高钢板屈服强度、改善钢板冲击韧性[4-6]。2.2 工艺设计
该钢种主要生产路径为 KR 预处理脱硫→转炉
吹炼→炉外精炼 LF+RH 真 空 处 理 → 动 态 轻 压 下
连铸→板坯精整→板坯二切→板坯加热→双机架控
轧→加 速 冷 却 (缓 冷)→ 探 伤 → 剪 切 → 取 样 性 能 检
验→表面质量和外观尺寸、标识→出厂。
2.2.1 炼钢工艺设计
(1)铁液比不小 于 88%,对 来 料 铁 液 通 过 加 入
石灰石等脱硫剂进行 KR 搅拌去除铁液中的硫元素
及夹杂物,控制硫元素质量分数不大于0.001%。
(2)转炉采用顶底复吹模式去除钢液中的有害
杂 质 磷 元 素 及 气 体 元 素,使 得 钢 液 温 度 高
于1650 °C。
(3)炉外精炼采用 LF+RH 真 空 处 理,使 得 硫
元素 质 量 分 数 不 大 于 0.002%,高 真 空 时 间 多 于
18 min,纯脱气时间多于6 min。
(4)连铸过程中,为保证钢板探伤合格、夹杂物
需充分上浮,过热度 一 般 控 制 在 25 °C,拉 坯 速 度 设置为0.8~1.5 m·min
-1。
2.2.2 厚板轧制工艺设计
(1)加热工艺,为保证该成分体系中加入的铌、
钛等微量合金元素 充 分 发 挥 作 用,确 保 铌 元 素 充 分
固溶,该钢种的加热温度控制为1120~1180 °C。
(2)轧制工 艺 采 用 两 阶 段 轧 制,对 于 粗 轧 阶 段
一般控制在奥氏体 完 全 再 结 晶 区 域 进 行 轧 制,待 温
度降至部分再结晶区域,停止轧制进行待温,直到钢
板温度降至完全未再结晶区进一步进行精轧阶段的
轧制。对于该钢种控轧厚度倍数限制在 2~5 倍,二
次开轧温度根据厚度设定为860~1010 °C,终轧温
度设定为820~880 °C。
(3)冷却工艺,控轧冷却的目的主要是钢在经过
控制轧制后,钢中的奥氏体组织经过一定的冷却速率,
奥氏体组织一部分转变为贝氏体组织,从而在低碳当
量的情况下,获得高的强度及韧性。该钢种根据不同
的厚度使开冷温度控制为780~830 °C,冷却速率控制
为14~25 °C·s
-1,终冷温度控制为450~600 °C。

3性能试验
对采用上述成分设计及工艺设计开发出的40 mm
厚的大热输入焊接用 Q420C钢板进行性能验证。
3.1 拉伸性能
按照 GB/T2975-2018《钢 及 钢 产 品 力 学 性 能
试验取样位置及试样制备》进行取样和制样工作,参
照 GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》
和 GB/T 5313-2010《厚 度 方 向 性 能 钢 板》进 行 拉伸试验,其抗拉强 度、屈 服 强 度、断 后 伸 长 率 及 抗 层
状撕裂性能满足标准要求,具体见表4。

3.2 低温冲击韧性
对试制出的 40 mm 原 Q420C 钢板按照 GB/T
229-2007《金属材料 夏 比 冲 击 试 验 方 法》进 行 冲 击
试验,钢板在20~-80 °C的冲击吸收能量均满足标
准要求,且富余量较大,见图13.3 大热输入下的焊接性能
采用焊剂 铜 衬 垫 法 (FCB 法)大 热 输 入 焊 接 试
验 对 该 Q420C 钢 板 进 行 焊 接,热 输 入 为
250kJ·cm-1,测试 其 焊 接 性 能[7-9]。 焊 缝 弯 曲 时 采
用全 厚 度 侧 弯,弯 心 直 径 为 40 mm,弯 曲 角 度 为
180°,压头中心对准焊缝中心。弯曲试验后可见,试
样受拉面平整,无 任 何 裂 纹,弯 曲 结 果 为 全 部 合 格。
该 Q420C 钢板焊后拉伸性能及冲击性能见表5。3.4 显微组织
在不同放大倍数下观察该40 mm 厚 Q420C 钢
板的1/4厚度处 的 显 微 组 织,如 图 2 所 示。 其 显 微
组织为贝氏体+少量铁素体,晶粒度 水 平 为 10~12

3.4 显微组织
在不同放大倍数下观察该40 mm 厚 Q420C 钢
板的1/4厚度处 的 显 微 组 织,如 图 2 所 示。 其 显 微
组织为贝氏体+少量铁素体,晶粒度 水 平 为 10~12
级,其组织细小均匀。
级,其组织细小均匀。

4 结论
(1)通过成 分 设 计 和 工 艺 设 计,成 功 开 发 出 了
具有 大 热 输 入 焊 接 性 能 的 厚 40 mm 的 Q420C 钢
板,该 Q420C 钢板的显微组织细小均匀。该钢板的
力 学 性 能 较 好,在 -80 °C 下 其 冲 击 吸 收 能 量
>200J。
(2)该 Q420C 钢板在热输入为250kJ·cm-1的
情况下,其熔合线处的冲击吸收能量远大于47J,表
明其焊接性能较好