大线能量焊接用船板钢中镁系夹杂诱发晶内铁素体和细化晶粒的机理研究

The high heat input welding performance of the shipbuild steel could be effectively improved by the Mg adding to the steel. In this research, for the oxide metallurgy principle by magnesium-based inclusions of the shipbulid steel, the influence for the structure of the composite inclusions by the Mg, Al and Ti content and their adding order would be studied, the influence for the structure of the composite inclusions by the different trainning would be studied, the best structure of magnesium-based inclusions for IAF inducing in HAZ would be studied, and the oxide metallurgy mechanism for Mg would be also studied. For the result, the relationship between O content and the alloy content, and the relationship between the composite inclusions structure and the alloy content and adding order, would be bulid by the study of the influence princple of the structure of the composite inclusions with different alloy content and adding order; with the result of the relationship between ability to resist degeneration of the composite inclusions and the heat or deformation conditions outside, the best structure of magnesium-based inclusions for IAF inducing in HAZ under different heat input welding, and the smelting process of shipbulid steel with high heat input welding would be obtained; by the analysis of the each content’s distribution around the IAF and the distribution of the inclusion which induced the IAF, the oxide metallurgy mechanism of the magnesium-based inclusions would be obtained.

通过在船板钢中加Mg可有效改善船板钢的大线能量焊接性能。针对船板钢加Mg后的氧化物冶金问题，本项目拟开展钢中Mg与Al、Ti等合金元素含量与添加顺序对钢中夹杂物构成及形态的影响研究、不同处理工艺对Mg系夹杂物存在状态的影响研究、焊接热影响区诱发针状铁素体的最佳Mg系夹杂物构成研究以及船板钢中Mg的氧化物冶金作用机理研究。以期通过探明钢中各合金元素含量、加入顺序对夹杂物构成及形态的影响，建立钢中合金元素含量与钢中氧位关系的数学模型，建立合金加入量、加入顺序与夹杂物组成关系的数学模型；通过研究不同类型夹杂物的变性和抵抗变性能力与外界热、变形条件的关系，确定不同焊接线输入能量下焊接热影响区诱发针状铁素体的最佳Mg系夹杂物构成以及大线能量焊接用船板钢的冶炼工艺；通过分析船板钢热影响区诱发晶内铁素体的夹杂物分布状态和该区域钢中各成分的分布状态，探明船板钢中Mg的氧化物冶金作用机理。

近年来造船行业发展迅猛，为进一步缩短造船周期、提高竞争力，高效的大线能量焊接技术开始崭露头角。但大线能量焊接条件下，该类高强度低合金钢的焊接热影响区冲击韧性会大幅降低，严重威胁船体结构使用的安全性。为有效提升船板焊接热影响区的韧性，氧化物冶金技术被引入到船板钢的开发中来。截止到目前，氧化物冶金技术已经发展到以Ca、Mg处理为代表的第三代，实践表明通过在船板钢中加Mg可有效改善船板钢的大线能量焊接性能。但Mg的作用机制始终不明确。因此，针对船板钢加Mg后的氧化物冶金问题，本项目系统的开展了钢中Mg与Al、Ti等合金元素含量与添加顺序对钢中夹杂物构成及形态的影响研究、不同处理工艺对Mg系夹杂物存在状态的影响研究、焊接热影响区诱发针状铁素体的最佳Mg系夹杂物构成研究以及船板钢中Mg的氧化物冶金作用机理研究。通过理论计算和实际的冶炼、轧制和焊接实验，以及工业化冶炼、轧制和焊接试验，确定了大线能量焊接条件下，含 Mg 船板钢焊接热影响区诱发针状铁素体的最佳 Mg 系夹杂物主要由Ti、Al、Mg的氧化物和少量碳、氮化物粒子复合而成。与此同时，对于钢液的合金化过程，确定了Al-Mg-Ti的合金添加顺序对获取最佳夹杂物构成最为合理，其中钢中Al含量控制在0.010-0.020wt%，Ti含量控制在0.015-0.020wt%，Mg含量控制在0.002-0.004wt%。在不改变原有船板钢元素构成的基础上，将钢中Mg含量控制在40ppm以内，能有效获取所需的能诱发IAF的弥散分布夹杂物，此时钢液氧位控制在10ppm左右即可。对于Mg处理船板钢，Mg的核心作用是提高钉扎粒子的稳定性和细化夹杂物尺寸，其对Ti/Al复合夹杂诱发IAF的能力没有任何影响。细化夹杂物和强化钉扎粒子稳定性是Mg处理对船板钢大线能量焊接性的最佳作用原理。