钢铁及焊接技术：微合金控轧钢焊接材料实现了焊接材料强韧化

一、钢铁工业的发展与焊接技术的关系
　　焊接的主要对象是各种钢材，因此钢材的产量、表观消费量、钢材的品质及其发展态势就直接决定了焊接行业的可持续发展及焊接技术的发展方向。自1996年以来，我国钢产量已突破1亿t,而后几年钢产量连年增加。尤其是自2001年以来，我国的钢产量出现了跳跃式发展，每年钢产量均增加4000万t左右，到2004年，我国钢产量已突破2.97亿t，钢材表观消费量达3.12亿t。如此大的钢材产量和钢材消耗量大幅度的牵动着焊接行业的发展。焊接设备的需求增多，焊接用量增大，增加了焊接产业的就业机会，壮大了焊接产业队伍，同时也促进了焊接技术向着优质、高效、低成本和自动化方向发展。
　　随着冶金技术及控轧控冷技术的提高，钢材品质不断提高，钢材的裂纹积脆化倾向显著减小，焊接性得到了明显改善，但也出现了一些新的焊接性问题，推动着我们焊接工作者在焊接方法、工艺、材料等方面发展新技术，解决新问题，不断推动焊接技术的向前发展。 内容来自中机院机电市场研究所

二、钢铁工业的发展趋势
　　1、我国钢铁工业与焊接行业的可持续发展
　　2004年我国钢产量达到2.97亿t，2005年第一季度钢产量比去年同期增长了23.7%，按照这种发展速度，今年的钢产量有可能突破3.5亿t。有表1可以看出，在2010年以前钢铁工业仍呈发展势头，即便是发展达到平衡之后，仍然会在峰值产量上维持相当长的时间。
　　我国焊接结构用钢占钢产量的50%左右，钢铁工业的发展给我国焊接行业的可持续发展创造了很大的发展空间。据此推断在近10年内仍是焊接行业发展的黄金时段。
　　2、钢铁工业发展中存在的主要问题
　　我国虽已成为世界上头号钢铁大国，但并非属于钢铁强国，我国生产的钢种多属于低层次普通钢，高效优质钢材生产量较少或不能生产，我国钢铁工业主体上属于高消耗、高能耗、高污染、低质量的状态。尽管近年来各钢厂都进行了大量的资金投入，但由于市场的驱动，许多钢厂的眼睛依然盯在钢铁产量上，在高附加值钢材的研发及生产上远远跟不上形势的要求，如高强钢、耐候钢、耐热钢、耐蚀钢、低温钢、微合金控轧控冷钢等多种专业用钢，以及各种板材及型钢也不能满足市场需求，因此许多优质钢还需要依赖于进口。
　　世界钢铁强国的经验教训值得借鉴，20世纪70年代日本、欧共体的钢产量均达到1.2亿t，80年代初转向退至1亿t。将以产量为主转变为以质量为主组织生产，80年代初即完成转变，以优质钢材冲击美国和世界市场，表面上看产量降低了，但总的产值和利润提高了。而且减少了投资，节省了能源和资源，降低了污染，社会效益和经济效益均获得了显著的提高。 copyright 中机院机电市场研究所
　　中国正处在现代化工业的建设过程中，钢材需求量较大，矛盾尚不尖锐。但由于低层次钢材盲目扩产，势必造成供大于求，产品积压，甚至导致亏损。而高品质钢材供不应求，尚需进口。上述形势如不及时扭转，几年之后，必将招致严重的后果。

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三、钢铁技术的发展引起的焊接性转变
　　1、钢的焊接性发展合金结构钢的发展，满足了焊接结构多方面的要求，如高强度、耐高温、耐低温及耐腐蚀等，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车及发电设备等领域得到了广泛的应用。上述合金结构钢的优越性能是靠调整钢中碳及合金元素的含量或配以适当的热处理来实现的，碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利的影响。不同钢种所出现的焊接性问题不同，在合金结构钢中，随着碳及合金元素含量增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏。为了不断改善合金结构钢的焊接性，国外从20世纪60年代末，国内从80年代就从冶炼入手开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢，并开始研究下一代超细晶粒钢。新钢种的出现给钢的焊接性带来了重大的变革。
　　2、微合金化钢的焊接性微合金控轧控冷钢的主要特点是高强、高韧及易焊。该钢种由于含碳量低、洁净度高、晶粒细化，因此具有较高的强韧性。所谓易焊是指不预热或仅采用低温预热焊接不产生裂纹；采用大或较大热输入量焊接热影响区不产生脆化。宝钢和武钢生产的微合金控轧钢主要有管线钢、压力容器用钢、桥梁钢等，并在工程上得到了成功的应用。其中管线钢是最早进行微合金化并应用最为成功的范例。对管线钢而言，主要的焊接性问题也是从焊接裂纹和HAZ的脆化问题进行分析。

　　3、新一代钢铁材料的焊接性由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。
　　(1)焊缝金属的强韧化 焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。对400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性。而对于800MPa级以上超细晶钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。目前，我国及韩国拟开发的与800MPa级以上的超细晶粒钢匹配的焊接材料是无预热超低碳贝氏体焊接材料。
　　(2)热影响区的晶粒长大倾向 对于超细晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。这不仅会造成HAZ的脆化，而且还会导致HAZ的软化。为解决这一问题，应采用激光焊、超窄间隙GMA焊、脉冲MAG焊等低热输入的焊接方法。 中机院机电市场研究所

四、钢铁工业的发展促进焊接材料产业的发展
　　随着我国工业化进程的加快和钢铁工业的快速发展，近年来我国焊接材料产量每年均以几十万吨的速度激增，并与钢材表观消费量的增加几乎成正比的增加(见图1、图2)。目前我国焊接材料产量约占世界焊材总量的40%左右，真正成为世界首位的焊材消费大国，但并不属于焊材强国。
　　今后的焊材发展态势应注意以下几点：
　　1、焊材产量的进一步增长，焊材结构将进一步调整由于近年来钢材的强劲增势，我国焊接材料消费量仍将持续增长。2003年，我国钢材消费量为2.66亿吨，比2000年增长88%。焊材消费量约205万吨，比2000年增长86%。2004年，我国钢材及焊材消费量均比去年同期增长17%。预计近两年内我国钢材消耗量将达到3.5亿吨，并且随着我国钢结构用钢量的增加，焊接材料消耗量将更大。预计近5年内，我国焊接材料表观消耗量将达到300万吨左右。随着焊接技术向高效化、自动化和高质量方向发展，焊材结构将会发生变化。其中焊条比例将下降，焊丝比例将提高。
　　1970年国外各发达国家，仍以焊条电弧焊为主。当时焊条占焊材总产量的比例，美国和西欧约70%，日本达87%。至1980年，美国和西欧焊条比例已下降到40%，现已下降到20%～30%之间。1982年日本焊条占焊材总量的50%，1990年下降到24%，2002年仅为17.4%。这表明日本的焊条电弧焊一下降到20%一下，80%以上均为自动焊和高效焊接。20世纪80年代，我国焊条比例占焊材总量的90%，1999年焊条占85.5%。进入21世纪后，我国焊条所占比例逐渐减少，由表2可以看出，2003年焊条占73%，到2004年焊条占68.7%，焊丝所占比例已达31.25%。上述数据说明，近年来我国焊材正逐步向结构合理的方向发展。预计2005年钢材表观消费量达到3.5亿吨，焊材总量将增加到260万吨。其中焊条比例将占65%左右，为165～170万吨。各种焊丝所占比例将增加到90万t以上。

　　2、现有焊材品质的提升我国不仅是钢材产量大国与钢材消费大国，而且也是世界上头号焊材产量与焊材消费大国。但现有焊材品种，普通焊材较多，高品质焊材较少，大部分高品质焊材还需依赖进口。因此，我国的焊材行业要根据市场发展的需求，不仅要进行产品结构的调整，而且要不断提升焊材的品质及规格，以适应市场的要求，并提高在国际市场竞争的能力。比如：气保护实芯焊丝应向低飞溅、高性能、多品种方向发展；药芯焊丝应向宽电流、低尘、低飞溅、快速焊方向发展；埋弧焊用焊丝和焊剂应向高效率、多品种、高韧性方向发展；焊条、焊丝均应随着新型钢种的发展进行配套发展。
　　3、微合金控轧钢焊接材料的开发钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化、细晶化和强韧化。但由于焊缝金属不能采用控轧控冷措施实现“细晶化”和“超细晶粒”，也不能出现钢材轧制时的形变强化，难以在相近化学成分下实现焊缝与母材的强韧性匹配。因此目前常用的焊接工艺与焊接材料将不适用于低碳微合金化控轧钢，更不适用于21世纪新一代钢铁材料，这就需要对常用焊接材料及工艺实现重大变革。根据国内外的研究，适用于微合金化细晶钢和新一代钢种的新型焊接材料应该是高纯洁度的针状铁素体或低碳贝氏体(ULCB)焊接材料。这种焊接材料具有较高的强韧性，尤其是ULCB焊接材料为获得高强、高韧及高质量焊缝金属提供了潜在的可能性。ULCB的特点是其强韧性对冷却速度不敏感，只是化学成分的函数，因此，焊缝能够在较宽的热输入范围内保持高的强韧性，可以提高熔敷效率。
　　4、高科技新型焊接材料的发展趋势随着我国工业化步伐的加快和新钢种的不断开发应用，对焊接材料的要求越来越高，应该不断提高现有焊材品质的同时，开发多种新型焊材品种，以满足现代化建设的需求。
　　钢铁工业的发展，对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的机遇和挑战。可以预测，21世纪焊接方法和焊接材料都将发生重大的变革。尤其近10年内，各大型企业应“顺势而为”，集中人力、物力和技术力量，加大科研开发力度，开展产学研结合，为21世纪新型焊接技术和焊接材料的变革奠定良好的基础。 copyright 中机院机电市场研究所

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