本发明涉及低合金钢
技术领域：
，尤其涉及一种可进行fcb大线能量焊接的q345级桥梁钢及其制造方法和焊接工艺。
背景技术：
：随着桥梁钢结构建设向高参数、大型化发展，对于桥梁钢的需求也越来越多，生产效率随大型高效焊接设备(如fcb焊接设备)的应用逐年提高，但普通的桥梁结构钢并不能满足大线能量焊接的要求。在大线能量焊接条件下，由材料自身原因所引起的接头低韧性源于以下因素：1)大的热量输入导致haz奥氏体晶粒粗化，并进一步得到粗大的热影响区组织，显著提高了钢的脆性转变温度。2)因haz温度梯度的升高和冷却速度的降低，过冷奥氏体转变后形成较多脆性组织，如晶界铁素体、ma组元等。3)粗大的或者硬脆性的夹杂物；这些夹杂物既包括钢板中原有的较大颗粒夹杂物(如硅酸钙、氧化铝)，也包括钢板中原有颗粒较小，但在焊接过程中明显粗化的夹杂物或者析出物(如tin)，还包括某些硬脆性夹杂物，如al2o3或者铝镁尖晶石(mgo·al2o3)等。研究表明，对于al2o3夹杂物，即使5微米大小就有可能在其与基体界面形成应力集中引发脆断。因此，为提高钢板焊接接头韧性，需要同时控制接头得到细小的组织，同时减少出现粗大或者脆性的夹杂物，而在大线能量焊接条件下，对此要求更为苛刻。fcb法大线能量焊接，又称焊剂铜垫法，它是在铜垫板上均匀撒4—6mm厚度的衬垫焊剂，然后用空气管等简单的顶压装置，将上述敷好焊剂的铜垫板压紧到焊缝背面使其与工件紧密贴合，焊丝在正面进行单面焊接，电弧热会焊透母材的y形或v形坡口输入到背面，使衬垫焊剂也熔化，最终实现单面焊接双面成型的方法，属于一种大线能量焊接方式，可极大地提高焊接效率。因为没有气电立焊时水冷铜滑块的冷却作用，且焊接时上、下表面覆盖有焊剂，不易传热，冷却速度更为缓慢，焊接热影响区的高温停留时间更长，因而相对于气电立焊方式，fcb焊接方式要求钢板的大线能量焊接性能更为严格。如果fcb焊接工艺不合适，有可能导致焊接接头焊缝不能一次焊接成型，焊缝余高不足或过高，产生未熔合、咬边、焊瘤等焊接缺陷，不能满足产品结构焊接设计要求，对产品的结构安全产生危害，产品fcb焊接应用必须匹配适合的焊接工艺。技术实现要素：本发明提供了一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢及制造方法和焊接工艺，采用微合金化设计原理进行相应的成分设计，通过制定轧制工艺和适合的焊接工艺，使厚度规格为20～40mm的钢板可一次焊接成型，并保证焊接热影响区的性能，满足fcb大线能量焊接要求。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢，包括q345c级桥梁钢及q345e级桥梁钢；所述q345c级桥梁钢的化学成分按质量百分比计包括c：0.09％～0.13％，si：0.10％～0.50％，mn：0.8％～1.50％，p：≤0.013％，s：≤0.012％，nb：0.01％～0.05％，n：0.0040％～0.0080％，ti：0.008％～0.022％，al：0.01％～0.04％，ca：0.0010％～0.0060％，其余为fe及不可避免的杂质；碳当量cev≤0.40％；cev(％)＝c mn/6 (cr v mo)/5 (ni cu)/15；所述q345e级桥梁钢的化学成分在q345c级桥梁钢的化学成分基础上加入0.05％～0.3％的ni。一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的制造方法，生产过程包括：铁水预处理—转炉冶炼—lf精炼—rh或vd真空脱气—板坯连铸—加热—tmcp轧制—层流冷却—堆垛缓冷；其中：1)lf精炼过程喂入sica线，最终收得ca的质量百分比含量为0.0010％～0.0060％，且ca/s＝0.3～0.8；2)rh或vd真空脱气过程中，控制n含量在40～80ppm，且ti/n＝2.2～3.2；3)钢坯加热温度为1150～1200℃，钢板生产采用两阶段控制轧制及控制冷却方式；再结晶轧制温度区间为1050～970℃，累积压下率＞50％，未再结晶区轧制温度区间控制在830～880℃；二阶段的累积压下量≥55％，二阶段开轧温度及终轧温度控制在830～880℃，开冷温度为750～850℃，返红温度为550～600℃，钢板的冷却速度控制在4～20℃/s。所生产q345c级桥梁钢钢板及q345e级桥梁钢钢板的屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥490mpa，延伸率≥20％。一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的焊接工艺，焊接工艺参数包括：1)单坡v形坡口角度38°～42°，钝边4～6mm，坡口间隙0～2mm；2)焊接第一丝的焊接电流为1250～1450a，焊接电压为30～45v；焊接第二丝的焊接电流为1050～1300a，焊接电压为33～45v，焊接第三丝的焊接电流为900～1280a，焊接电压为35～50v；3)焊接速度为25～90cm/min，三丝fcb焊接一次单道焊接成型，最大线能量为300kj/cm。所述q345c级桥梁钢焊接热影响区的-20℃冲击功akv＞100j，q345e级桥梁钢焊接热影响区的-40℃冲击功akv＞80j。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)采用c、mn、si基本元素和nb、ti、ca微合金化技术，以及ti/n、ca/s控制技术，结合控制轧制和控制冷却技术，所生产的屈服强度为345mpa级的钢板，采用fcb大线能量焊接时，规格40mm可以一次焊接成型，最大线能量可以达到300kj/cm；2)q345c级桥梁钢焊接热影响区的-20℃时akv＞100j；q345e级桥梁钢焊接热影响区的-40℃时akv＞80j；极大提高焊接效率，降低了制造厂生产成本，提高了工程进度。具体实施方式本发明所述一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢，包括q345c级桥梁钢及q345e级桥梁钢；所述q345c级桥梁钢的化学成分按质量百分比计包括c：0.09％～0.13％，si：0.10％～0.50％，mn：0.8％～1.50％，p：≤0.013％，s：≤0.012％，nb：0.01％～0.05％，n：0.0040％～0.0080％，ti：0.008％～0.022％，al：0.01％～0.04％，ca：0.0010％～0.0060％，其余为fe及不可避免的杂质；碳当量cev≤0.40％；cev(％)＝c mn/6 (cr v mo)/5 (ni cu)/15；所述q345e级桥梁钢的化学成分在q345c级桥梁钢的化学成分基础上加入0.05％～0.3％的ni。一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的制造方法，生产过程包括：铁水预处理—转炉冶炼—lf精炼—rh或vd真空脱气—板坯连铸—加热—tmcp轧制—层流冷却—堆垛缓冷；其中：1)lf精炼过程喂入sica线，最终收得ca的质量百分比含量为0.0010％～0.0060％，且ca/s＝0.3～0.8；2)rh或vd真空脱气过程中，控制n含量在40～80ppm，且ti/n＝2.2～3.2；3)钢坯加热温度为1150～1200℃，钢板生产采用两阶段控制轧制及控制冷却方式；再结晶轧制温度区间为1050～970℃，累积压下率＞50％，未再结晶区轧制温度区间控制在830～880℃；二阶段的累积压下量≥55％，二阶段开轧温度及终轧温度控制在830～880℃，开冷温度为750～850℃，返红温度为550～600℃，钢板的冷却速度控制在4～20℃/s。所生产q345c级桥梁钢钢板及q345e级桥梁钢钢板的屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥490mpa，延伸率≥20％。一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的焊接工艺，焊接工艺参数包括：1)单坡v形坡口角度38°～42°，钝边4～6mm，坡口间隙0～2mm；2)焊接第一丝的焊接电流为1250～1450a，焊接电压为30～45v；焊接第二丝的焊接电流为1050～1300a，焊接电压为33～45v，焊接第三丝的焊接电流为900～1280a，焊接电压为35～50v；3)焊接速度为25～90cm/min，三丝fcb焊接一次单道焊接成型，最大线能量为300kj/cm。所述q345c级桥梁钢焊接热影响区的-20℃冲击功akv＞100j，q345e级桥梁钢焊接热影响区的-40℃冲击功akv＞80j。本发明所述的一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的成分设计原理如下：c是决定钢材强度的主要元素，也是决定焊接热影响区组织的主要元素。当c含量低于0.04％时，难以得到所需要的强度；当c含量高于0.15％时，焊接热影响区中会出现多量的淬硬组织(如上贝氏体)，使韧性得到恶化，容易产生焊接裂纹；而当钢板厚度规格较大时，板厚中心低温冲击性能达不到要求；因此，本发明将c含量控制在0.09％～0.13％。si作为脱氧元素而在钢中添加，能够促进钢水脱氧并提高钢板强度，但是si的固溶强化作用会损害钢板的低温冲击韧性及焊接性，同时促进m-a形成并长大；si含量低于0.10％时，脱氧效果差，钢板表面易起麻点和红绣；而当si含量大于0.60％时，钢中组织容易脆化，并且焊接冷、热裂纹敏感性均增加；因此，本发明将si含量控制在0.10％～0.50％。mn是钢中重要的合金元素，不仅可以提高钢板强度，还可以扩大奥氏体相区，降低ar3点温度，细化铁素体晶粒，改善钢板低温韧性；但是，mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，高含量的mn容易与p、s等杂质发生偏析，对连铸造成困难，并在后续轧制、焊接过程中容易产生m/a岛等影响焊接低温韧性的不良组织；钢中mns第二相夹杂对母材性能及haz区均有严重不良影响；此外，mn还会提高钢的脆硬性，导致pcm值增高，容易形成硬脆相；因此，本发明将mn含量控制在0.80％～1.5％。p是杂质元素，p作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性和焊接性有很大损害作用，理论上要求尽可能低；但对于炼钢过程来说，过低的p含量要求会大大增加生产成本，同时对性能的增益则有限，因此，本发明中p含量要求控制在0.013％以下。s也是一种有害元素，高的硫含量会提高钢板的脆性转变温度，降低钢的可焊接性能，更重要的是s在钢中与mn结合形成mns夹杂物，在轧制过程中易形成长条状夹杂区；同时，s还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；考虑到过低的硫含量会明显增加炼钢成本，降低其可制造性，综合考虑，本发明将s含量控制在0.012％以下。ni可提高基体强度、低温韧性及延伸率，本发明所述q345e级桥梁钢中将ni的含量控制在0.05％～0.30％。q345c级桥梁钢中不添加ni。nb的主要作用是提高未再结晶温度和促进低温相变组织形成，还能与ti形成复合氮化物，降低钛氮比，改善热影响区性能；其含量过低时，强化效果小，钢的强度常常达不到要求，但过高的铌含量会导致在大线能量焊接条件下诱发上贝氏体形成，严重损害大线能量haz区低温韧性；因此，本发明中nb含量控制0.01％～0.05％范围内。n是保障大线能量焊接接头性能的重要元素，n在钢中有两种存在形式，其一为固溶，即以自由氮的形式存在，对钢的性能尤其是接头的低温冲击性能不利；其二是以弥散分布的氮化物形式存在(主要的氮化物如tin、aln和nbn等)，能够减小焊接热影响区晶粒的长大趋势，提高焊接粗晶区的性能，本发明将n含量控制0.0040％～0.0080％范围内。ti是本发明钢中重要的元素之一，在较高的温度下ti可以与n结合成tin，同时和nb形成tinb(cn)，在焊接高温作用下不易溶解，具有阻止奥氏体晶粒长大和促进铁素体形核的作用，可以有效地提高热影响区的韧性。ti的添加还可以减少自由n的固溶含量，改善钢的焊接性能。适合的ti/n可以发挥ti和n的最大作用。当ti/n低于2.2％时，钢中固溶n量较多，韧性和时效性能均较低；当ti/n高于3.2％时，tin粒子粗化，对热影响区的有益作用削弱，同时固溶ti量增高，损害母材韧性。即超出此范围，钢板及焊接热影响区性能方面将出现大幅度的下降，因此，本发明中ti含量的最佳范围是0.008％～0.022％。ca是本发明钢中重要的元素之一，适量的ca加入可以和钢中的al2o3形成低熔点的钙铝酸盐，避免大块的尖晶石存在对钢板和焊接性能造成不利的影响，且适合的ca/s还可以改变mns的长宽比，避免硫化锰聚集长大，同时促进mns在ca、al的氧化物和ti的碳氮化物周围形成，作为针状铁素体的形核核心，有利于在焊接热影响区中促进针状铁素体的形成；本发明中，ca的含量为0.0010％～0.0060％，同时要求ca/s为0.3～0.8。al是钢的优良脱氧剂，能够有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性；但添加量大于0.050％时，容易形成大形复合型氧化物夹杂物，且易在结晶器水口结瘤；本发明中al含量控制在0.010％～0.040％。本发明中，q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢钢板的生产步骤包括铁水预处理—转炉冶炼—lf精炼—rh或vd真空脱气—板坯连铸—加热—tmcp轧制—层流冷却—堆垛缓冷。具体如下：转炉冶炼前铁水预脱硫，脱硫渣要扒干净，在转炉阶段加入si、mn进行预脱氧。lf炉造白渣，深度脱s，目标成分微调。在lf精炼阶段加入al深脱氧，在lf精炼后期喂入sica线，调整ca/s符合目标要求。vd或rh精炼，处理时间不低于10分钟，后期吹氮气或加入氮化硅锰调整ti/n符合目标要求，净吹ar气3～5分钟，以保证成分均匀，连铸过热度≤25℃。钢坯均热的加热温度为1150～1200℃。轧制冷却工艺采用两阶段控制轧制技术(即再结晶轧制阶段和未再结晶轧制阶段)及控制冷却技术。再结晶轧制和未再结晶轧制过程主要促使晶粒细化，再结晶轧制在高温段进行，单道次给予足够的压下率，在各道次变形过程中和道次间发生晶粒再结晶，使奥氏体晶粒细化，为相变后生成细小的铁素体提供条件。未再结晶轧制在低温段进行，奥氏体变形后不发生再结晶，晶粒被拉长，晶粒内有大量的变形带和位错，形核点多，相变后铁素体晶粒细化，有助于提高钢材的强度和韧性。控制冷却过程主要促使钢板形成适合的组织，钢板的强度和韧性有适合的匹配，满足钢板开发的级别要求。本发明所述钢板的主要组织为贝氏体。粗轧采用奥氏体再结晶区轧制，温度区间在1050～970℃之间，单道次压下率大于10％，该阶段累积压下率＞50％。精轧采用奥氏体未再结晶区轧制，温度区间控制830～880℃。单道次压下率大于10％，该阶段的累积变形量≥55％。轧后采用在线层流加速冷却。钢板的开冷温度为750～850℃，钢板的返红温度控制在550～600℃，钢板的冷却速度控制在4～20℃/s。本发明所述一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的焊接工艺，采用三丝fcb，三个焊接电源予以配合，第一丝选择大的焊接电流密度匹配低的电弧电压，即尽量短的电弧长度，在获得尽量大的焊缝熔深时使热输入尽量小，保证焊缝根部钝边熔透；后丝则选用相对小的焊接电流密度和高的电弧电压相配.因为前丝用大的焊接电流密度即单位时间内熔敷金属量也大.如果不控制后丝的焊接电流即单位时间熔敷金属量则势必造成前、后丝熔敷金属叠加，导致焊缝成形后余高过大；而后丝的焊接电流过小，熔敷金属则不足以填充坡口，则会造成咬边等焊接缺陷。当焊接电流不变而电弧电压升高时，焊缝宽度增加，有助于焊缝金属覆盖坡口宽度两侧；而当焊接速度较快时.则焊缝会被“拉细”；所以，后丝用较高的电弧电压匹配。焊接速度的选择对于焊缝熔深和焊缝的宽度都有影响，在一定热输入的条件下，要保证足够的焊缝熔深.可以选择大的焊接电流密度和快的焊接速度，本发明所述焊接工艺是根据实验确定的。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。【实施例】本实施例中，一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的化学成分如表1所示：表1桥梁钢的化学成分(％，质量百分比)钢种csimnpsninbtialcati/nca/s实施例1q345c0.090.21.00.0100.012-0.020.0100.040.00502.30.4实施例2q345e0.100.31.10.0090.0080.20.030.0160.020.00402.70.5实施例3q345e0.130.51.30.0080.0030.30.0450.0210.010.00203.150.7实施例4q345e0.090.21.00.0100.0120.10.020.0100.040.00502.30.4实施例1用于生产q345c级桥梁钢，实施例2-4用于生产q345e级桥梁钢。实施例1-4中，转炉冶炼前铁水预脱硫，脱硫渣要扒干净。在转炉阶段加入si、mn进行一次脱氧。实施例1-4中，lf炉造白渣，深度脱s，目标成分微调。在lf精炼阶段加入al二次脱氧，在lf精炼后期喂入sica线，调整ca/s符合目标要求，其中，实施例1中ca/s＝0.4，实施例2中ca/s＝0.5，实施例3中，ca/s＝0.7。实施例1中，vd精炼时处理时间为14分钟，后期吹氮气调整ti/n符合目标要求，ti/n＝2.3，净吹ar气3分钟，连铸过热度≤23℃。实施例2中，2rh精炼处理时间为12分钟，后期加入氮化硅锰调整ti/n符合目标要求，ti/n＝2.7，净吹ar气4分钟，连铸过热度≤22℃。实施例3中，rh精炼处理时间为14分钟，后期加入氮化硅锰调整ti/n符合目标要求，ti/n＝3.15，净吹ar气5分钟，连铸过热度≤21℃。实施例4中，vd精炼处理时间14分钟，后期吹氮气调整ti/n符合目标要求，ti/n为2.3，净吹ar气3分钟，连铸过热度≤23℃。各实施例中，轧制工艺参数如表2所示表2轧制工艺参数实施例1-4所生产钢板的力学性能如表3所示。表3钢板力学性能实施例1-4所生产钢板的fcb焊接工艺参数如表4所示，fcb焊接采用三丝埋弧焊一次焊接成型，单坡v形坡口角度40°，钝边6mm，坡口间隙0～1mm。表4焊接工艺参数实施例1-4中，所述钢板的fcb焊接力学性能如表5所示。表5钢板的fcb焊接力学性能。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢，其特征在于，包括q345c级桥梁钢及q345e级桥梁钢；
所述q345c级桥梁钢的化学成分按质量百分比计包括c：0.09％～0.13％，si：0.10％～0.50％，mn：0.8％～1.50％，p：≤0.013％，s：≤0.012％，nb：0.01％～0.05％，n：0.0040％～0.0080％，ti：0.008％～0.022％，al：0.01％～0.04％，ca：0.0010％～0.0060％，其余为fe及不可避免的杂质；
碳当量cev≤0.40％；cev(％)＝c mn/6 (cr v mo)/5 (ni cu)/15；
所述q345e级桥梁钢的化学成分在q345c级桥梁钢的化学成分基础上加入0.05％～0.3％的ni。
2.如权利要求1所述一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的制造方法，其特征在于，生产过程包括：铁水预处理—转炉冶炼—lf精炼—rh或vd真空脱气—板坯连铸—加热—tmcp轧制—层流冷却—堆垛缓冷；其中：
1)lf精炼过程喂入sica线，最终收得ca的质量百分比含量为0.0010％～0.0060％，且ca/s＝0.3～0.8；
2)rh或vd真空脱气过程中，控制n含量在40～80ppm，且ti/n＝2.2～3.2；
3)钢坯加热温度为1150～1200℃，钢板生产采用两阶段控制轧制及控制冷却方式；再结晶轧制温度区间为1050～970℃，累积压下率＞50％，未再结晶区轧制温度区间控制在830～880℃；二阶段的累积压下量≥55％，二阶段开轧温度及终轧温度控制在830～880℃，开冷温度为750～850℃，返红温度为550～600℃，钢板的冷却速度控制在4～20℃/s。
3.如权利要求2所述一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的制造方法，其特征在于，所生产q345c级桥梁钢钢板及q345e级桥梁钢钢板的屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥490mpa，延伸率≥20％。
4.如权利要求1所述的一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，焊接工艺参数包括：
1)单坡v形坡口角度38°～42°，钝边4～6mm，坡口间隙0～2mm；
2)焊接第一丝的焊接电流为1250～1450a，焊接电压为30～45v；焊接第二丝的焊接电流为1050～1300a，焊接电压为33～45v，焊接第三丝的焊接电流为900～1280a，焊接电压为35～50v；
3)焊接速度为25～90cm/min，三丝fcb焊接一次单道焊接成型，最大线能量为300kj/cm。
5.如权利要求4所述的一种q345级可fcb大线能量焊接桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，所述q345c级桥梁钢焊接热影响区的-20℃冲击功akv＞100j，q345e级桥梁钢焊接热影响区的-40℃冲击功akv＞80j。
技术总结本发明涉及一种Q345E级可FCB大线能量焊接桥梁钢及制造方法和焊接工艺，包括Q345C级桥梁钢及Q345E级桥梁钢；生产过程包括：铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH或VD真空脱气—板坯连铸—加热—TMCP轧制—层流冷却—堆垛缓冷；本发明使厚度规格为20～40mm的钢板可一次焊接成型，并保证焊接热影响区的性能，满足FCB大线能量焊接要求。
技术研发人员：傅博;杨颖;韩严法;胡奉雅;付魁军;王佳骥;郭鹏;刘锦;杨鹏聪
受保护的技术使用者：鞍钢股份有限公司
技术研发日：2021.04.25
技术公布日：2021.07.27
