适用于大热输入焊接的建筑结构用780MPa级钢的开发
随着建筑物向大型化发展，780MPa级钢在焊接组装箱形截面柱中的应用备受关注。然而，采用大热输入焊接时，难以确保焊接接头的强度与韧性。为此，神户制钢通过增加Cr、Mo的含量、降低C、Si和Mn的含量，抑制脆性硬相——岛状马氏体（M-A组元）的生成，开发出一种可改善大热输入焊接热影响区韧性的钢板。通过对母材以及电渣焊、埋弧焊焊接接头的力学性能评估，证实该钢板在强度、韧性与焊接性方面表现优异，可适用于高效率施工。 近年来，随着建筑钢结构向大型化、高层化发展，780MPa级钢在焊接组装箱形截面柱（以下简称“箱形柱”）中的应用范围有望进一步扩大。在箱形柱的制造过程中，从施工效率角度出发，内部隔板部位通常采用电渣焊（以下简称“ESW”），角部则普遍采用埋弧焊（以下简称“SAW”）。这两种焊接方法均为单道次、高效率的大热输入焊接工艺，以往主要应用于590MPa级及以下强度等级钢的箱形柱制造。 此前的780MPa级钢在采用大热输入焊接时，难以确保焊接接头的强度与韧性，因此通常采用热输入小、道次多的焊接工艺，施工效率较低。这导致采用780MPa级钢时，钢结构制造需耗费大量工时，实际应用案例较少。 为此，神户制钢以提高780MPa级钢在箱形柱应用中的焊接施工效率为目标，持续推进可确保大热输入焊接时强度与韧性的钢板开发。本文将阐述780MPa级钢大热输入焊接热影响区的高韧性化技术，同时介绍所开发钢板的母材特性，以及模拟内部隔板部位的ESW接头和角部SAW接头的特性。 在神户制钢的产品系列中，适用于大热输入焊接的建筑结构用780MPa级钢（KBSA630C）的成分标准值与母材特性标准值分别如表1、表2所示。开发钢的力学性能以满足建筑结构用高性能780MPa级钢的标准值为前提，目标是改善包含内部隔板部位及角部焊接热影响区（Heat-Affected Zone，以下简称“HAZ”）在内的大热输入焊接部位的韧性。 内部隔板部位的热影响区存在韧性下降导致脆性断裂的风险。在以往针对490MPa级钢的研究中，已从防止脆性断裂的角度开展了相关探讨，为使焊接部位满足内部隔板490MPa级钢母材强度（325MPa）以上的要求，明确提出焊接部位的夏比冲击功需达到47J以上。 此外，在对强度等级超过490MPa的钢材研究中，针对柱采用780MPa级钢、梁采用建筑结构用高性能590MPa级钢（SA440，以下简称“SA440”）的ESW部位性能确认结果表明，其呈现出与490MPa级钢柱相似的趋势。因此，为确保采用780MPa级钢的柱体ESW部位满足内部隔板的基准强度要求，将开发钢焊接部位的夏比冲击功目标设定为47J以上。 在热影响区（HAZ）中，靠近焊缝金属的边界区域因暴露于高温环境，会形成奥氏体（γ）单相组织。随着焊接热输入的增加，钢材暴露于高温的时间延长，冷却速率减缓。因此，大热输入焊接热影响区通常会出现奥氏体晶粒粗大化现象，且在冷却过程中，未转变的奥氏体易发生稳定化，进而生成脆性硬相——岛状马氏体（以下简称“M-A组元”），导致热影响区韧性下降。 针对这一问题，已有研究报告指出，可通过在钢中细微分散氧化物，利用氧化物的钉扎作用抑制热影响区奥氏体晶粒的粗大化；另有研究表明，降低硅（Si）元素含量可抑制M-A组元的生成。这些技术已应用于590MPa级及以下强度等级钢的大热输入焊接用钢中。 对于590-780MPa级钢，有研究提出了“细晶低碳贝氏体技术（低碳多取向贝氏体技术）”，即通过弱碳化物形成元素使热影响区的贝氏体组织呈现多取向性，实现组织细化，同时降低碳的添加量，从而抑制M-A组元的生成。 在箱形柱内部隔板的ESW焊接中，焊接热输入可达1000kJ/cm，与以往780MPa级钢所采用的焊接热输入相比，其热影响区的冷却速率更为缓慢。此外，与以往适用ESW焊接的590MPa级及以下强度等级钢板相比，780MPa级钢为确保母材强度，需添加更多的合金元素。这使得热影响区的奥氏体更易稳定化，在采用大热输入焊接时，结合缓慢的冷却速率，M-A组元的生成趋势会进一步增强。 基于以上分析，此次开发以780MPa级钢适用ESW焊接为目标，为进一步抑制M-A组元的生成，对钢板成分进行了研究。以传统钢的成分（表3）为基础成分，制备了铬（Cr）、钼（Mo）、碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）含量各不相同的试验钢，并从中取样加工成12.5mm×33mm×55mm的方形试样。 为再现大热输入焊接时的热影响区组织，采用热模拟试验机，对试样进行模拟电渣焊（ESW）焊缝熔合线热历程的单次热循环试验，如图1所示。热循环试验后，通过组织观察，研究各元素含量对M-A组元生成的影响。结果证实，增加Cr、Mo含量并降低C、Si、Mn含量的成分设计，可有效抑制M-A组元的生成（图2）。如图2所示，传统钢的M-A组元面积率为13.9%，而采用“增加Cr、Mo含量+降低C、Si、Mn含量”设计的开发钢，M-A组元面积率仅为0.8%（图2中白色部分为M-A组元，标尺为50μm）。 如上所述，M-A组元的生成被认为是奥氏体在冷却过程中发生稳定化的结果。研究认为，增加Cr、Mo含量可通过改变高温下的相变组织，抑制M-A组元的生成；同时，降低C、Si、Mn含量不仅能减少未转变奥氏体的稳定化，还可通过促进铁碳化物的生成，助力抑制由未转变奥氏体向M-A组元的转变。 4.1成分与母材特性 开发钢的化学成分如表4所示。基于以上的研究结果，开发钢在传统钢成分的基础上，增加了Cr、Mo的含量，降低了C、Si、Mn的含量。 开发钢采用热机械控制工艺（Thermo Mechanical Control Process，以下简称“TMCP”）制造。对所制造的开发钢进行了拉伸试验和夏比冲击试验，试验结果如表5所示。其拉伸性能与夏比冲击性能均充分满足目标780MPa级钢（KBSA630C）的标准要求。 4.2焊接性能 对开发钢进行了Y形坡口焊接裂纹试验，焊接条件与试验结果分别如表6、表7所示。试验中，除采用780MPa级焊接材料外，还选用了590MPa级焊接材料。试验结果表明，开发钢在两种焊接材料下均具有良好的焊接性能。 4.3焊接接头特性 4.3.1 ESW接头特性 对模拟内部隔板焊接接头的高效率大热输入单道次ESW接头特性进行了评估，焊接条件如表8所示。内部隔板采用590MPa级钢。 焊接完成后，依据《建筑钢结构焊接部位力学性能标准试验方法》的要求，从接头部位取样：焊接金属拉伸试样按照JIS Z3111 A1号标准取样；夏比冲击试样采用JIS Z2242 V型缺口试样，分别从焊缝金属（熔合线-1mm位置）、熔合线位置、热影响区（熔合线+1mm位置）取样，试样取样位置如图3所示。 图4为接头的宏观截面照片，可见焊缝具有充分的熔深。如表9所示，ESW焊缝金属的性能满足内部隔板590MPa级钢母材标准的下限值要求（0.2%屈服强度≥440MPa，抗拉强度≥590MPa）；夏比冲击功为84-193J，相较于采用相同焊接方法的传统钢（表3）有显著改善，且满足0℃下冲击功≥47J的开发目标。 4.3.2 SAW接头特性 对模拟角接头的高效率大热输入单道次SAW接头特性进行了评估，焊接材料与焊接条件见表10，焊接材料采用自主开发的SAW专用材料。 图5为SAW接头的宏观截面照片，可见焊缝熔合良好。图6为试样取样位置，依据《建筑钢结构焊接部位力学性能标准试验方法》的要求，拉伸试样采用JIS Z3111 A1号标准，从距离母材表面10mm处的熔敷金属中心取样；夏比冲击试样采用JIS Z2242 V型缺口试样，分别从距离母材背面7mm处的焊缝金属、翼缘侧熔合线及热影响区（Bond & HAZ）、熔合线及热影响区向热影响区侧1mm位置（Bond & HAZ+1mm）取样。 表11为SAW接头的力学性能测试结果。结果证实，焊缝金属的拉伸性能充分满足780MPa级钢母材标准的下限值要求（0.2%屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥780MPa）；夏比冲击功为46-55J，相较于采用相同焊接方法的传统钢（表3）有明显改善。 神户制钢新开发的780MPa级钢，即便在大热输入单道次焊接施工中，仍具备优异的母材特性与焊接接头特性，成功实现了以往难以兼顾的施工效率与性能保障的双重目标。未来将以该钢材在实际结构中的应用为目标，持续开展后续验证测试工作。
