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我国钢材、焊接性与焊接材料发展及需要关注的问题

时间: 2011-07-04 20:02 来源: 作者: 李午申 唐伯钢< 点击:
摘 要:本文叙述了我国钢铁工业及焊接材料的发展现状及2020年以前的发展目标。指出了当前钢铁工业发展中存在的问题及取得的进步。并指出钢材的发展与进步,推动了焊接产业的可持续发展、钢材焊接性的变革和焊接技术的进步。分析了当前我国焊接材料的结构调整、品质的提高、焊接材料及焊材企业当前应该关注的问题及发展方向。
关键词:钢材发展 微合金控轧控冷钢 焊接性 焊接材料

1 我国钢材及焊材的发展态势

钢产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标之一,也是我国工业化进程中的支柱产业。由于我国经济持续高速增长,拉动了钢铁工业的快速发展。钢材产量的快速升高由拉动了我国焊材产业的强劲发展。这不仅使我国成为世界上头号钢铁和焊材生产大国,也成为头号钢铁和焊材消费大国(见表1)。

表1 我国钢材消费量与焊接材料产量

注:焊材产量由于缺乏精确统计,表列焊材产量的误差在±5%左右。


图1 我国焊接材料表观消费量态势图


图2 我国钢材表观消费量态势图

钢材的产量、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1亿吨,焊材总产量77万吨;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4~6千万吨左右,焊材产量每年增加30~40万吨。到2006年,我国钢材表观消费量达到4.2亿吨,焊材总产量达到320万吨。与96年相比,同步增长了4倍多。其增长速度之快堪称世界奇迹(见图1~图2)。

2006年,按国际钢铁协会统计,全世界钢产量12.39亿吨,按有关资料综合测算,全世界焊接材料产量约为600多万吨。因此2006年中国钢产量占全世界钢产量的34%[1],中国焊材产量占全世界焊材总产量的50%左右[2]。

预计今年我国钢材消费量将达到4.5~4.8亿吨左右。据有关专家预测,10年后我国钢材消费量可能达到6~7亿t。因此相应焊接材料需求量可能达400~450万吨[2]。

过去十年我国钢材和焊材实现了快速增长,今后十年将持续平稳增长

钢产量的大幅度增加牵动着焊接行业的快速发展。不仅焊材用量增大,而且焊接设备的需求增多,增加了焊接产业就业机会,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、自动化方向发展。

2 我国正在从钢材大国向钢材强国发展

2.1 我国钢材及焊材的分类消费态势

我国作为钢材及焊材消费大国,与国外发达国家的最大差异为:近年来我国建设用钢占55%左右,工业制造业用钢不到45%,而目前美国、欧洲和日本的建设用钢仅占22%~30%,工业制造业用钢占60%~66%。这种差异,说明我国生产的钢材及焊材一半以上用于各种基础设施和城镇化建设上面,这种快速发展受工业化进程中基础建设的拉动较大。

在2006年生产的钢材中,据统计目前我国焊接钢结构用钢占钢材消费总量的比例为40%~45%左右。此外用于钢筋混凝土结构的各种钢筋和线材,其中三分之二左右是需进行焊接的,总数约为6千万吨,而经焊接的钢材总数共计2.0~2.4亿t之间,因此,现阶段焊接用钢总量已占钢材表观消费量的50%以上,总量为世界第一。

现按有关重点行业对钢材(及焊材)的消费状况分述如下:

(1)我国大量的钢筋混凝土结构,每年将消费钢筋和线材一亿多t,除少量粗直径钢筋采用冷挤压套筒连接外,其余主要采用钢筋电渣压力焊和手工焊接。每年需用于钢筋电渣压力焊的HJ431等熔炼焊剂10~13万吨,结422等焊条50万吨以上。

(2)据有关部门统计,2006年建筑钢结构制造量约为1600万吨,包括工业厂房钢结构、高层建筑钢结构、大跨度场馆钢结构、市政建设钢结构和住宅钢结构等,相当消费焊接材料25~35万吨左右。

预测2010年各类建筑钢结构制作量为2600万吨,将相应需要各类焊接材料40~50万吨左右。预测2015年各类建筑钢结构将消费钢材4000万吨以上。

因此建筑钢材是今后的一个增长热点。武钢已生产了抗拉强度为400Mpa、510Mpa、590Mpa的高性能建筑钢材系列产品,其中耐火耐候钢经鉴定“集高耐火性、高耐候性、高Z向性能和能承受大线能量焊接于一体”,达到了国际领先水平。已用于国家大剧院等重点工程。舞钢生产的Q345和Q460厚板已用于几十个建筑焊接钢结构工程中。宝钢生产的建筑钢材经日本专家多次考核后,已用于101层492米高的上海环球金融中心大厦工程中。

(3)2006年我国造船完工量1452万载重t,约用钢材560万吨,约相应消费焊材14~16吨万,其中药芯约8~9万吨。2007年一季度我国造船业承接新船订单2010万载重吨,成为该季度国际船市的第一。预测2010年我国造船业用钢将达1035万吨,相应需求各类焊接材料23~28万吨。

(4)我国2005年各类汽车产量570.8万辆,消费钢材1098万吨。预测2010年我国各类汽车产量将达900~1100万辆,将消费钢材1500~1840万吨。

(5)我国已成为全世界第一的集装箱制造和出口国。随着市场需求的变化每年约制造250~300万个标准集装箱,消费钢材400~500万吨左右,制造一个标准集装箱用CO2保护焊丝20kg,每年约用CO2焊丝5~6万吨。

(6)石油天然气长输管道建设近年来正处于高峰期,根据规划,未来几年内,我国将建成14条油气输送管道,形成“两纵、两横、四枢纽、五气库的管道运输网”,这预示着我国管道用钢量也将大幅提升,据预测,未来几年内,我国每年管线钢需求量约300~400万吨[3]。据不完全统计,2006年仅中石化、中石油系统焊接制管用钢量达到165万吨以上,其中出口60万吨。焊丝、焊剂用量约4万吨以上。加上私营企业,全国17家制管厂年制管能力达560万吨,因此2006年总制管用钢量及焊材用量翻翻不止。

2007年8月31日,国家“十一五”重大项目--“川气东送”工程开工。这是继西气东输项目之后我国修建的又一条能源大动脉。从四川的长寿市~上海市横跨东中西部8省市,穿越鄂西渝东山区,横贯江南水网地带,5次跨越长江,地质条件复杂,干线全长1702公里,总投资627亿。

2008年5月将开始建设西气东输二线,全长4800公里,包括支线近8000公里,直径1219mm,全部采用X80钢, 2011年建成。预计从2007年每年将用管线钢350~400万吨,相应每年需各种焊材10万吨(包括制管的埋弧焊材)。管接头将主要采用气保护实芯焊丝和自保护药芯焊丝,其次是纤维素焊条和低氢铁粉型下向焊条。而且长输管道正在向提高钢材强度(X70、X80、X100、X120),增大管道直径和壁厚,提高输送压力的方向发展。相应的国产焊接材料应该紧跟配套。

(7)“十一五”期间电力行业发展迅速

①计划新增火力发电1.6亿千瓦。到2010年火电用钢平均年需求量预计为65万吨。超临界和超超临界火电机组在“十一五”规划开工的60万千瓦及以上燃煤机组中将达78%。将采用新型耐热钢。包括:

新型细晶强韧化铁素体耐热钢系列中:

SA213~T23、T91、T122

SA335~P91、P92、P122、及E911

新型细晶奥氏体耐热钢HR3C、NF709、SAV25

与这些新型耐热钢匹配的焊材,除P91、P92、T91国内已研发部分焊材外,其余焊条、气保护焊丝、药芯焊丝和埋弧焊材仍需全部进口。希望在今后几年内基本实现国产化。

② “十一五”期间水电设备的需求量将达到1.8亿千瓦。预计2010年水电用CF62级别高强钢的年需求量为8~10万吨。大部分钢材和焊材已国产化。

③我国将兴建百万千瓦核电站30座,从今年开始,每年都将新开工100万千瓦的核电机组3个以上。预计核电钢材的年需求量为2~4万吨,所需焊材的品种较多。

④我国将努力发展风能发电。主要在西北和华北寒冷地区,风能发电的塔架和底座,对钢材和焊缝都有防止低温脆断的要求。“十一五”期间约需中厚板35万吨左右,平均年需7万吨。需匹配相应优质焊材。

(8)塔架钢结构。全国每年输电铁塔和广播、电视、通讯塔用钢量约150万吨。特别是已启动1000千伏交流电和800千伏直流电的输电工程,输电铁塔将采用Q460高强钢,急需相应的焊接材料配套。

(9)桥梁钢结构。这是我国2020年前的建设热点,将兴建各类公路、铁路和城市交通桥,其中规划在长江上还要再建60多座桥梁,在黄河上还要再建20-30座桥。已确定在2015年前要建成渤海湾、长江、杭州湾、珠江、琼州海峡的五座跨海大桥,总长度达228km,用钢量625万吨,主要为高强高韧性桥梁钢,需匹配相应焊材。

(10)铁路车辆将主要采用不同强度级别的耐候钢,并已开始采用经济型铁素体。到2015年,客车将全部实现空调化,需建造新的空调客车2.6万辆,货车将逐步改为70吨新型货车。因此预计今后几年铁路车辆用钢,年均为100万吨左右,年需焊材1万吨以上。

(11)压力容器。2006年我国生产各类压力容器专用钢材129.3万吨,并进口了几十万吨压力容器用钢板,2006年约消费各类焊接材料4~5万吨。预计今后将每年增涨10%以上。目前这方面的一个发展趋势,是利用控轧控冷(TMCP)技术生产微合金化高纯洁度的非调质高强钢,取代过去的调质高强钢,需配套相应焊接材料。

(12)预计2006~2010年,国家石油储备基地建设工程将建设10万立方米储油罐150台左右,共需钢材29万吨,其中相当CF62级别的高强板12万吨。此外,一些地区和一些企业也在兴建大型储油罐,数量可能也在100台以上。因此今后几年约需与大型储油罐建设相匹配的各类焊接材料1.5~2万吨。

(13)重型机械行业,包括一重、二重、太重、沈重等几十家骨干企业,2005年为各行业制造了约500万吨的重大装备和成套技术装备,约消费钢材542万吨。预计2010年将生产重大装备650万吨以上,需钢材约700万吨,将相应需焊材3~4万吨左右,除通用的高效焊材外,需高性能多品种的各类优质焊材。

(14)我国工程机械行业规模已居世界第三位,仅次于美国和日本。年销售额亿元以上的企业有一百多家。近年来每年用钢量在450万吨左右,制造各种塔式起重机、汽车起重机、装载机、压路机、推土机、挖掘机等工程机械,年需各种高强度、高韧性、耐疲劳、耐磨耐蚀等多品种焊接材料1万吨以上。

2.2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。

中国正处在现代化工业的建设过程中,基本建设用钢材需求量较大,矛盾尚不尖锐。但过去十年这种高速增长速度,给国家资源、能源和环境造污染造成过重的负担。我国要从钢铁大国走向钢铁强国,上述钢铁发展形势必须及时扭转,实现由量变到质变的飞跃。落实科学发展观,即重在增加高附加值产品、提高质量,不能单纯依靠铺新摊子、上新项目,片面追求数量的扩张;重在降低消耗,提高企业和产品竞争力。使我国钢铁工业走上良性发展轨道,增强竞争力,实现可持续发展。使我国实现由钢铁大国到钢铁强国的根本转变。

目前,我国钢铁行业产品结构调整取得显著成绩;节能降耗和改善环保取得新进展;钢铁企业生产规模扩大;科技进步有重大突破;钢铁工业投资主体多元化取得重大进展。为我国从钢铁大国走向钢铁强国奠定了基础[1]。

2.3我国钢铁工业的装备水平和工艺技术的发展与进步

钢铁工业属于流程工业。从20世纪90年代以来,我国钢铁工业的装备水平和工艺技术有长足进步,从整体上推进了流程优化进程,为提高钢材品质和发展钢材品种,打下了坚实基础[4]。例如:

(1)建立了现代化的炼钢生产流程。大、中型钢铁生产企业已实现了包括铁水脱硫预处理、转炉复合吹炼、炉外精炼、连铸连轧等现代化的炼钢生产流程。成分组织的均匀性控制更好。

(2)大幅度提高了钢的纯洁度。现代化的炼钢生产流程,使我国钢水的纯净度,即钢中杂质元素质量分数的总量∑(S+P+T.0+N+H)从传统流程550~600ppm直接跨越到200~250ppm, 宝钢、武钢等先进企业已经达到小于100ppm的国际先进水平,W(s)≤0.003%。

(3)控轧控冷工艺将成为大、中型钢铁企业轧制技术的主流。

控轧指在更低的温度下停轧,拟制高温奥氏体晶粒长大;控冷即轧后立即加快冷却速度,既避免晶粒长大,又提高形核率。通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。传统的细晶粒钢其晶粒直径<100μm,而TMCP钢的晶粒可达到10~50 μm,超细晶粒钢的晶粒可达0.1~10 μm 。

TMCP工艺在日本轧钢中应用率达70%以上。我国过去由于轧制装备工艺水平落后,没有真正达到控轧控冷水平的钢材。近三年来,将陆续投产19套中厚板轧机,其性能将超过日本和美国现有的轧机,成为全球新一代现代化中厚板轧机,为实现控轧控冷(TMCP)工艺,生产大批量高性能的中厚板奠定了装备基础[5]。

在微合金控轧控冷钢的基础上,正在发展新型高纯洁度、高强度针状铁素体钢、超低碳高强贝氏体钢等,另一方面启动了以“超细晶粒、超洁净度、超均匀性”为特征,以强度、寿命双翻番为目标的“21世纪超级钢”的开发研究及应用。

2.4 “2006~2020年钢铁科技发展指南”提出了今后15年钢材发展目标

2006年中国金属学会和中国钢铁工业协会联合发布了《2006~2020年中国钢铁工业科技与技术发展指南》,提出了今后15年的钢材发展目标[7]:

(1)2006~2010年的钢材发展目标主要为:

① 20%普碳钢材在韧性基本不变的情况下,强度提高1倍。

② 稳定生产高强度、高韧性、低屈强比的各类钢板,如屈服强度400~800Mpa,抗拉强度600~1400Mpa级高强韧性板材,X80管线钢等。

③ 稳定生产优质耐火、耐候、抗震钢板,及抗拉强度大于1000~1400Mpa级超洁净、超高强度新钢种。

④ 细晶和超细晶、高洁净度、高均匀性钢材覆盖面不小于10%。

⑤ 全面建成具有中国特色、国际化的冶金新材料体系,包括火电、水电、核电设备用新钢材,造船用焊接不预热和大线能量焊接用钢,-160℃低温钢,汽车用600~800Mpa级高强度钢板、高速火车用各种钢材、石油和海洋工程用新钢材、制造业用各类冶金新材料等。

⑥ 铁素体不锈钢和用锰、氮代镍、铬不锈钢实现批量生产。

(2)2011~2020年钢材发展目标主要为:

① 各类先进钢铁材料,包括强度提高1~4倍,使用寿命提高1~4倍,节约资源和环境友好型先进钢铁结构材料;不含合金元素,Fe=99.995%,超高均匀度、超高纯度、超细组织钢铁耐蚀材料;超超临界火电机组用超级耐热钢,耐蚀性提高3~5倍的晶不锈钢,可在大于1100℃大火中烧3小时而强度基本不变的超级耐火钢,表面合金化的不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、抗氧化钢,超轻型钢铁结构材料(中空轻型钢材)等。

② 低镍、铬低成本环保型不锈钢成为不锈钢产品主流,氮合金化的双相不锈钢和超级奥氏体不锈钢形成系列、稳定生产并广泛应用于石化、船舶、汽车和建筑等行业。

3 钢材焊接性的发展、评定方法及存在问题

3.1 钢材焊接性的发展

传统合金结构钢是靠调整钢中碳及合金元素的含量并配以适当的热处理来实现各种优越使用性能,用于制造不同应用条件下的焊接结构。但总的趋势是随着碳及合金元素的含量增加,强度提高,钢的焊接性变差。不同钢种所出现的焊接性问题不一。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。

新发展的微合金控轧控冷钢是通过精炼在保持低碳或超低碳、不加或少加合金元素的条件下采用微合金化和TMCP工艺实现细晶化、洁净化、均匀化来提高钢的强度和韧性,并已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。

值的重视的是新钢种的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。

3.1 微合金控轧控冷钢的焊接性[6]

微合金控轧控冷钢的主要特点是高强、高韧、易焊。该钢种由于含碳量低、洁净度高、晶粒细化、成分组织均匀,因此具有较高的强韧性。所谓易焊是指焊接时不预热或仅采用低温预热而不产生裂纹;采用大或较大线能量焊接热影响区不产生脆化。但由于每种钢的成分、组织、性能存在较大差异,因此其焊接性也各不相同。但总体看来,其焊接性问题依然在不同程度上存在有焊接裂纹问题、脆化问题,特别是焊缝金属的合金化问题。

(1)焊接裂纹

微合金TMCP钢碳及杂质含量低,如宝钢、武钢、鞍钢生产的X70钢碳含量w(C)≤0.05%,而且C、S、P等元素得到有效控制,因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。但由于在钢管成形焊接和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力,特别是在采用多丝大线能量埋弧焊制管时,由于焊缝晶粒过分长大,出现C、S、P局部偏析也容易引起结晶裂纹。

正是由于这类钢的含碳量低,合金元素少,淬硬倾向小(如X70钢属于针状铁素体钢),因而冷裂纹倾向小。但随着强度级别的提高,板厚的增大,仍然具有一定的冷裂纹倾向。如管线钢现场敷设安装进行环缝焊接时,由于常采用含氢量高的纤维素焊条打底,线能量小,冷却速度较快,熔敷金属含氢量高,因而会增加冷裂纹的敏感性。强度越高,冷裂问题将越突出(如X80、X100及X120等管线钢)。因此对于X80以上钢种不易用纤维素焊条进行打底焊

强度级别低于700MPa时(如X80以下钢种),裂纹一般在HAZ起裂, 也可能向焊缝扩展;

强度级别高于700MPa(如X100、X120)时,裂纹倾向增大,裂纹既可能出现在HAZ,又可能在焊缝中。具体起裂位置取决于氢的扩散及母材和焊缝的Ms点。

裂纹位置可用焊缝及HAZ的马氏体转变点作判据。

HAZ: MsHAZ=521-350C-143Cr-175Ni-289Mn-37.6Si-295Mo -1.19Cr·Ni-23.1(Cr+Mo)·C

焊缝: Msweld = 521-350C-13.6Cr-16.6Ni-25.1Mn-30.1Si-20.4Mo -40Al-1.07Cr·Ni+ 219(Cr+0.3Mo)·C (2)

判据:△Ms= MsWeld –MsHAZ (3)

(2)热影响区的脆化

高强微合金控轧控冷钢热影响区的脆化是十分重要的焊接性问题,一般线能量越大,脆化倾向越严重。HAZ的脆化问题主要有粗晶区(CGHAZ)脆化、临界热影响区(ICHAZ)脆化、多层焊时临界粗晶热影响区(IRCGHAZ)脆化、过临界粗晶热影响区脆化(SRCGHAZ)、亚临界粗晶热影响区(SCGHAZ)脆化等。其中,CGHAZ、IRCGHAZ、和SCGHAZ的脆化是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域。


图3 X80钢模拟焊接热影响区的韧性

为防止热影响区的脆化,常采用如下措施:

① 成分上:降碳、控制杂质含量,加入少量Ni韧化基体。

② 拟制热影响区的晶粒长大向钢中加入Ti、V、Nb等细化晶粒的元素,通过形成TiN、TiO、(Nb、Ti)N、VN等氮氧化物拟制HAZ晶粒长大。

③ 改善热影响区的组织通过向钢中加入变质剂,提高相变形核率,细化组织。如向钢中加入细小、均匀弥散分布的TiO微粒,可避免形成GBF+FSP+Bu等韧性低的混合组织,而在奥氏体晶内形成细小的细晶铁素体或针状铁素体可显著提高韧性。即便采用大或较大线能量焊接亦不产生脆化(见图5~图6)。这种钢特别适合于厚板和中厚板的大线能量焊接。


图5 TiN与TiO对焊接过热区晶粒长大的作用


图6 TiO钢晶内细晶铁素体(IGF)形成的冷速范围

图5中,TiN钢和TiO钢的区别是TiN钢粗晶区会形成GBF、FSP和Bu,TiO钢在奥氏体晶内会形成IGF。TiO钢和新TiO钢的区别主要是新TiO钢中的TiO更细小、弥散。既阻碍奥氏体长大,又在奥氏体内促使IGF的形成。

由图6可以看出,CCT图的阴影区是形成IGF的冷却速度范围,可见IGF能在很宽的冷速范围内形成,这说明TiO钢对过热不敏感,可以采用大线能量焊接而不会引起脆化。t8/5=8~800s之间均可产生IGF。

如武钢已生产了抗拉强度为400Mpa、510Mpa、590Mpa的高性能建筑钢材系列产品,其中耐火耐候钢经鉴定达到“集高耐火性、高耐候性、高Z向性能和能承受大线能量焊接于一体”的新钢种,达到了国际领先水平。已用于国家大剧院等重点工程。

④ 对一般过热敏感的钢种,采用合适的的焊接工艺参数,焊接时通过调整焊接工艺参数,减小高温停留时间,避免奥氏体晶粒长大;采用合适的t8/5,使HAZ获得韧化组织。

⑤对于超细晶粒钢,需采用能量高度集中的焊接方法,如激光焊、等离子焊、脉冲焊等可代替传统的电弧焊。

(3)焊缝金属的合金化

微合金控轧控冷钢可通过细晶化、洁净化、均匀化实现钢的强韧化。而焊缝金属属于非平衡结晶,既不能象炼钢那样精确控制其冶金过程,实现焊缝金属的洁净化和成分均匀化,又不能通过控轧控冷实现细晶化,而通常会产生粗大的柱状晶。这就给焊缝金属的强韧化和新型配套焊接材料的研制带来很大困难。目前焊材的发展滞后于钢材的发展,随着高品质钢材强度的提高,焊材将成为制约这些高品质钢材推广应用的瓶颈。因此高品质焊材的发展是急待决绝的重要课题。基本解决途径也应该在焊缝金属的结晶化、均匀化、细晶化方向努力。

① 选用高洁净度的钢带和焊丝盘圆;

② 原辅材料的洁净化,严格控制原辅材料中各种铁合金、矿物质中的杂质含量;

③ 建立原材料处理系统(包括检验、筛分、对部分原材料的烘焙和予烧结处理、干混等,使原材料成分达到清洁、精确、均匀)。
④ 通过优化配方和工艺参数,通过提升冶金反应清除S、P、O、H、N等杂质;

⑤ 控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布;

⑥ 韧化焊缝组织:通过微合金化措施,阻止焊缝金属高温奥氏体晶粒长大,细化焊缝金属的组织,使焊缝获得细晶铁素体、针状铁素体等强韧化组织。对于强度更高(>600MPa)的微合金钢及超低碳贝氏体钢,可通过降碳并优化合金元素及微合金元素加入量,使焊缝金属成为超低碳贝氏体组织,但如何按这一思路研制出新型焊条、焊丝和焊剂等不同类型焊材,还有些问题需要进一步研究解决。

⑦ 对实芯焊丝CO2保护焊,如何降低焊缝金属含硫量是一个难题,目前国内外用于CO2保护焊的实芯焊丝,一般W(s)>0.01%。这是因为硫是表面活性元素,微量的硫可以降低焊接飞溅和改善焊缝成形。如果焊丝中W(s)<0.005%,发现焊接飞溅明显增大,焊缝成形不良。要解决这个问题,除在焊丝中增加其它表面活性元素、或采用含有表面活性元素的特种涂层焊丝(不镀铜焊丝)外,还可采用新型数字化逆变焊机,也可使含硫量极低的焊丝在焊接时降低飞溅,改善成形。从而有效的解决这一问题。

总之,随着钢材品质的提高,改善了钢材的焊接性能,使不少品种的钢材从“可焊”变为“易焊”。在这方面,我国是从20世纪九十年代开始有大的进步,预计在2010年左右,将接近国外的先进水平。

3.2 钢材焊接性的评定方法及存在的问题

现在常用的“钢材焊接性”评定方法,基本上都是20世纪五十年代到七十年代之间,各国焊接工作者根据那时的钢材品种和品质,通过试验后制定的。

随着钢材质量的提高,焊接工艺方法的进步,对钢材焊接性的试验方法及评定标准也需重新研究并制定新的标准。

例如,碳当量公式,是按照20世纪五十年代到七年代期间开发的含碳较高的低合金高强钢建立的,如IIW碳当量公式CE,由日本JIS标准规定的碳当量公式Ceq,均主要适合于W(c)≥0.18%的钢种。而现在大多数低合金高强钢的含碳量已远小于0.18%,甚至向小于0.05%的方向发展。因此在有关设计规范中,规定按上述碳当量公式作为钢材选材时的判据是不适宜的。

1969年由日本伊藤庆典等提出的焊接冷裂纹敏感指数Pcm在工程上得到广泛应用,但该公式仅适用钢材含碳量范围为W(c)=0.07%~0.22%,试验时低碳范围的取样数量太少,应该说对含碳量小于0.07%的低碳微合金钢和超低碳贝氏体钢引用该公式来评定焊接性的优劣,也是较为勉强的。

现在常用的一些焊接冷裂纹敏感性试验方法,也基本上是在1980年以前形成的。原国家标准中的焊接性试验方法,如 斜Y形坡口焊接裂纹试验方法、搭接接头(CTS)焊接裂纹试验方法、T型接头焊接裂纹试验方法、压板对接(FISCO)焊接裂纹试验方法、插销冷裂纹试验方法,都已在2005年由国家标准化管理委员会明令废止。虽然这些方法,仍然可参照使用,但已不具有国家标准试验方法的权威作用。

因此随着目前钢材品种的更新换代和品质的提高,如何合理的评定各种强度级别的微合金控轧控冷钢(将是今后一段时期的量大面广用材)、低碳或超低碳贝氏体钢、大线能量焊接用钢、新一代耐热钢和低温钢、超细晶粒钢等的焊接性能,是摆在我们面前的一个新课题,有待于引入新的思路和新的评定标准。

4 我国焊接材料的发展态势

4.1 焊接自动化进展推动焊材品种结构的调整

20世纪80年代中期,国外发达国家焊条占焊材的比例约为50%左右。到2004年欧洲、溃拦图幽么螅⑷毡驹谙牡暮覆闹校柑醯谋壤研∮20%,也就是说,目前发达国家的自动化和半自化焊接,已占整个焊接工作量的80%以上[2]。

表22004年发达国家的焊材需求量和使用比例

表3我国焊材的产量和结构比例

近年来,我国少数行业及部分企业的焊接自动化和半自化率已到70%以上,但就全国而言,2006年全国消耗的焊材中,手工焊条仍占56%左右,也就是说焊接自动化和半自动化率尚不到50%。但当前焊接自动化进展明显加快,预测5年后,我国焊接自动化和半自动化率可以达到70%左右。

4.2 钢材进步将推动焊材品种更新和品质提升

由于钢铁冶炼及轧制工艺的进步,今后各类低合金高强钢如建筑结构钢、船板钢、压力容器钢、管线钢、桥梁钢、耐热钢和低温钢等,都在向“低碳、超低碳、微合金化、洁静化、细晶化”方向发展。一大批钢材的实物水平达到或接近国外的先进水平。例如,一些钢材W(s)达到0.009%,最低达到0.001%,-20℃低温冲击功达150~200J等。

现在已有不少使用单位和设计院提出,要求焊缝金属的硫磷等杂质的含量与钢材实物水平接近,要求焊缝金属冲击韧性与钢材实物水平相当,而不是按焊接材料国家标准去选购和考核焊接材料。

进入21世纪以来,国外的知名焊材企业对钢材的进步都迅速跟进,一是提升传统产品的品质,二是开发与高品质钢种配套的新型焊材品种。国内的不少焊接企业,也在这方面作出了努力,但新型焊材的开发远远落后于新钢种的发展,致使一些新型钢中的配套焊材尚需进口。期望我国有条件的焊材企业快速跟进,开发出更多更好的新型高科技焊接材料[6、8]。比如:

(1) 开发高钢级管线钢(如X70、X80、X100、X120等)用新型焊接材料,包括纤维素下向焊条、低氢铁粉型下向焊条、气保护和埋弧用实芯焊丝、自保护药芯焊丝等。

(2) 与耐火、耐候等高强钢配套的焊接材料;

(3) 适于大型储油罐、压力容器、桥梁、建筑结构用的高强度(屈服强度≥490MPa)厚板、中厚板大线能量用高强韧性焊条、实芯焊丝和药芯焊丝。

(4) 与超临界、超超临界机组所用新一代微合金化耐热钢(如T91/P91、T92/P92、T23/P23、T122/P122及E911新型细晶奥氏体耐热钢HR3C、NF709、SAV25等)配套的焊接材料。

(5) 与21世纪新一代超细晶粒钢配套的新型焊接材料,主要为人状铁素体焊接材料及超低碳贝氏体焊接材料。

(6) 超低碳贝氏高强钢(600~1500MPa)用焊接材料;这是近十年新发展起来的钢种,目前宝钢、鞍钢、武钢等钢厂已开始生产这类钢种,用于代替低碳调制钢,主要用于舰艇、船舶、工程机械、压力容器、水电站压力管道等重要结构,需要配套相应的焊接材料。

(7) 高层及大跨度钢结构焊接材料,我国高层、大跨度钢结构已采用屈服强度345MPa、390MPa、420 MPa、460 MPa、490MPa等系列高强钢,最大板后已达130mm,所需焊接材料除焊条可从国内择优选外,相应的气保护、埋弧焊用实芯焊丝与发达国家存在较大差距。如日本阪神大地震以后,新日铁采用氧化钛、氮化钛弥散分布技术开发了屈服强度490、520、590MPa的抗震建筑用钢,最大厚度100mm,焊接热输入可达1000KJ/cm,局部脆化减弱(主要靠拟制晶粒长大)。

(8) 随着国产不锈钢品种、品质的提高,开发配套的相应焊接材料,特别是与双相不锈钢和“节镍”、“含氮”铬不锈钢配套的焊接材料。

上述高品质焊接材料目前占我国焊接材料总量的20%左右,预计5年后可能达到30%~40%。按20%计,其总量可达50~60万吨,已大于全欧洲的焊材年消费量,相当于日本年焊材消费量的2倍,附加值较高。近年来国外各著名焊材企业纷纷进入中国抢夺高端焊材市场。我国民族焊材工业在这方面存在明显差距,希望我国焊材行业加快高品质焊材的研发,提高我国民族焊材企业的竞争力。

4.3 焊接材料发展中值得关注的若干问题

(1)关于药芯焊丝的发展前景

进入21世纪以来,我国药芯焊丝的发展极为迅速。据测算目前全世界药芯焊丝产量共约45~50万吨左右,国外以日本的产量最多,2006年产量为11.78万吨。而我国2006年产量为12万吨(其中出口外销约2万多吨,国内销费约9万多吨),已超过日本,成为全世界药芯焊丝产量最高的国家。而且目前发展势头极为高涨,我国的民族焊材企业,包括安泰公司、大桥集团、金桥集团、大西洋、三英公司、和铁锚公司等公布的药芯焊丝规划产能达35万吨,在我国设厂的7家外商企业宣传的药芯焊丝规划产能已超过20万吨。因此总计规划产能达55万吨,已超过目前全世界药芯焊丝的总产量。

在药芯焊丝总产量中,包括日本、韩国和中国,用于造船行业的Φ1.2mm结构钢药芯焊丝均占90%左右。2006年我国造船完工量1452万载重吨,约消费药芯焊丝8~9万吨左右,按照船舶工业发展规划,到2015年达到2800万载重吨的造船能力。也就是比2006年番一翻,最多消费药芯焊丝20万吨。如再加上其它行业的使用量和出口,到2015年我国药芯焊丝的市场容量最多30万吨左右,显然规划产能到55万吨已超过了市场的计划需求。

同时,药芯焊丝对市场的占有份额,还将受到实芯焊丝气保护焊的焊机和焊丝改进的影响。因为结构钢药芯焊丝其突出优点,一是可以使用大电流施焊,焊接效率高,二是适合于全位置焊接,作业性能好。其突出缺点,一是焊接烟尘多,对作业环境的污染大,二是焊丝严重吸潮后,不易复烘,吸潮后焊丝将报废。三是厚板多层焊的性能易受工艺因素影响而波动。今年在埃森焊接展览会上,国内外有关单位展出的数字式逆变焊机,已可对直径1.2mm实芯焊丝用250A大电流焊接,飞溅小,效率高。今后几年,如果随着新型焊接电源控制技术的进步和实芯焊丝性能的改进(例如采用不镀铜的特种涂层焊丝),能使实芯焊丝CO2保护焊的焊接效率和作业性能与药芯焊丝基本相当,一些用户会优先选用相对便宜的实芯焊丝。这样,药芯焊丝的发展方向,将部分转向多品种的低合金钢特种药芯焊丝、不锈钢药芯焊丝和堆焊及喷焊药芯焊丝。

(2)是否要专门发展低尘焊条和低尘药芯焊丝

日本从1960年左右开始研制低尘焊条,但此后十多年并没有推广应用,主要原因是工艺性能比同类焊条差。直到七十年代后期,日本又推出了新一代低尘焊条,使工艺性能与同类焊条接近,发尘量减少30~50%,如神钢的ZERODE系列和日铁的EX系列焊条。因此在日本焊接协会主编的焊接全书中,将低尘焊条在日本进入实用化的年代定为1977年。

但1997年发现在日本造船厂、桥梁厂、重型机器厂的焊接车间,均未使用低尘焊条。其原因:一是低尘焊条的售价比同类焊条高10~20%;二是操作工艺性能仍稍差,焊工不愿用;三是焊条压涂性能较差,成品率较低,生产较困难;四是虽然单根焊条发尘量低了,但多根焊条焊接后烟尘依然很高,仍需通过“通风除尘”降低车间中的焊接烟尘。因此订货较少。

欧美等国家的一些焊材企业认为在不损害焊条综合性能的条件下,去努力降低焊接烟尘的发尘量是虽然可行,但专门开发低尘焊条,没有实用价值。因此欧美等国并未开发这方面的产品。

我国从二十世纪七十年代开始研究低尘焊条。先后有甘工大、哈焊所、天津大学、冶建院、大连铁道学院及武汉交通科技大学等单位进行了研究工作,也未能得到推广应用。

对低尘药芯焊丝,日本几年前曾报道使制造药芯焊丝的带钢含碳量从0.08%降到0.01%,可使药芯焊丝发尘量减少25%,但会增加焊缝的热裂纹倾向。为了不产生焊接热裂纹,应控制带钢含碳量为0.07~0.09%。国内一些单位在试验中也得出了类似结果。说明大幅度降低烟尘发生量,容易影响药芯焊丝的其它性能。

因此建议在保持焊条和药芯焊丝综合性能优良的条件下去降低发尘量,如将发尘量降低10~20%,既可以做得到,又具有实用推广价值。不应刻意去研制降低焊接烟尘发生量30~50%的所谓低尘焊条与低尘药芯焊丝。

(3)关于不锈钢焊接材料

表3 近年来不锈钢及其焊材消费量的增长

2006年我国不锈钢的表观消费量达到645万吨,与2000年188万吨相比,6年时间增长了三倍多。因此近年来不锈钢焊接材料也快速增长,从2000年的1.1万吨,增长到2006年的5万吨左右。预计2010年我国不锈钢的消费量将达810万吨,今后几年不锈钢焊接材料也将每年增涨10%以上,预计总量将超过7万吨。

还必须关注不锈钢品种调整对焊材需求的变化。近年来金属镍的价格猛涨,使300系镍铬奥氏体不锈钢的价格在近一年的时间内上涨了二倍多。因此市场上镍铬奥氏体不锈钢的消费比例已从70%下滑到40~50%,铬系铁素体不锈钢的消费比例已上升到30%以上,并着力在发展各种“节镍”和“含氮”的新型不锈钢、双相不锈钢及超级不锈钢。因此,应跟踪不锈钢品种的变化,发展相匹配的各类焊接材料。

(4)推进与钢厂的合作,解决焊丝品种短缺的问题[8]

我国焊材发展的主要瓶颈,是气保护实芯焊丝及埋弧焊实芯焊丝的品种和品质满足不了市场的需求。包括各种不同强度级别的高强钢焊丝、耐热钢焊丝、低温钢焊丝、耐大气腐蚀钢焊丝、不锈钢焊丝等。

特别是对量大面广的CO2气保护焊用实芯焊丝,希望能在国内市场上方便地采购到较为齐全的系列产品,既有等效美国标准的GB/T 8110规定的系列产品,又有相当日本标准JISZ 3312的YGW 11型和YGW 18型焊丝。

YGW 11型焊丝化学成分中含Ti 0.16~0.22%,与ER 50~6和AWSER 70S~6相比,在采用较大电流焊接时,减少飞溅30~50%,焊缝成形较好,已成为日本在CO2保护焊中用得最多的焊丝。

YGW 18型焊丝的锰、硅含量高于ER 50~6焊丝,在较大线能量和较高层间温下焊接,熔敷金属抗拉强度仍大于540Mpa,0℃冲击值大于70J。适合于高层建筑的厚板梁柱及其它厚板结构的焊接。

我国过去由于体制的分割,焊丝作为焊接材料归口机械行业,冶金行业没有将焊丝列入生产规划。焊丝厂购不到多品种的盘条钢材,也就生产不了多品种的焊丝。而国外不少焊丝生产厂都和钢厂有密切的合作关系,或者本身就是钢铁联合企业的成员,或者本身就有冶炼能力,因此可以按市场需求,对各类不同品种和不同品质的焊丝快速供货。希望我国的焊丝生产企业密切与钢厂的联系,或者寻求与钢铁联合企业的紧密合作,解决这一瓶颈问题。

至于目前国内外厂家推出的所谓无镀铜焊丝,应该称为特种涂层焊丝,由于各厂家涂层成分不同和表面处理方式的差异,焊丝的性能也有不同。性能优良的涂层和表面处理工艺,不但起防锈和润滑的作用,焊接时不产生铜烟尘,而且可提升焊丝的电弧稳定性和减少焊接飞溅。目前国内外厂家对这种焊丝涂层和表面处理工艺仍在不断改进中。期望这种焊丝与精确控制熔滴过渡的数字化逆变焊机相配合,可以实现高效率、低飞溅的大电流CO2焊接,达到相当于药芯焊丝焊接的工艺效果,是今后的发展方向。

5 我国民族焊材企业的差距和期望

焊材企业的实力,基础是生产装备、检测手段、产品研发能力、市场开拓能力、人材状况及资产状况等。我国绝大多数焊材企业,包括年产几十万吨焊材的大型企业,都与国外知名焊材企业有较大的差距。世界进入21世纪,以高新技术改造传统产业,实现可持续发展,是世界潮流。应该重视差距,迎头赶上。

5.1 生产装备

我国焊材行业的生产装备,近二十年来已有长足的进步。例如:我国生产结422等普通焊条的螺旋机生产线,生产效率是世界第一流的;多丝展开式化学镀铜生产线设备已与国外21世纪初的水平相当,特别是一些企业研制的药芯焊丝生产线设备,已基本达到国外同类先进设备的水平。但仍有不少生产装备,与国外知名焊材企业相比,还存在差距。例如:

(1) 为了保证高性能特种焊条,烧结焊剂和药芯焊丝的配方准确性,国外一些焊材企业已专门建立现代化的原材料预处理系统,包括原材料检验、筛分和大批量干混使成分精确均匀,及对部分原材料的烘焙和予烧结处理。

(2) 国外已采用低噪声的高速切丝机,代替现有的高噪音低速切丝机,改善切丝环境,提高切丝质量。

(3) 国外纷纷提高油压式焊条压涂机的压涂力,减少水玻璃加入量,使焊条药皮更加密实和光滑,四川大西洋公司已引进了总压力为320t的油压式压涂机,与连续式低温和高温烘干炉配套,实现了一条生产线年产低氢型优质焊条一万多吨的业绩。参照引进设备,常州恒创机械公司研制了新型250t油压式压涂机,可在表压200~240kgs/c㎡条件下正常压涂焊条,而现在国内大部分焊材企业使用的200t油压式压涂机,只能在表压120~160kgs/c㎡条件下正常压涂焊条。

(4) 国外20~24丝展开式镀铜焊丝生产线的镀铜运行速度已大于360米/分,国内大多为180~300米/分。特别是为了适应多品种焊丝的生产,已采用从粗拉、细拉到镀铜的连动单丝生产线,运行速度达700~800米/分,生产效率高,便于调换焊丝的品种。而且在这种单丝连动生产线上,可以方便的进行镀铜和不镀铜(镀特种涂层)焊丝的生产切换。

(5) 国外已采用厂房密闭除尘换气的方式生产熔炼焊剂,国内仍是敞开式生产,烟尘滚滚,对环境的污染大。

(6) 烧结焊剂国外均采用先进的自动化设备生产,我国只有锦州天鹅焊材公司引进了国外先进设备,其余烧结焊剂生产厂大多采用国产或自制设备,搅拌机与造粒设备五花八门,烧结炉也不够规范,使焊剂的成形欠佳和颗粒强度不好。

(7) 国外已采用先进的焊材包装设备,使焊材成品的包装美观和防潮,国内大多数企业的焊材包装差距较大。

5.2 检测手段

国内绝大多数焊材企业只有常规的化学分析和力学性能等检测手段,缺乏在连续生产过程中,对各种原材料和成品快速检测的先进仪器,难以科学地保证焊材品质的稳定性。下面列举国外焊材知名企业必备的先进检测手段:

(1) 直读光谱分析仪,只需对样品的金属表面作简单的洁净处理,测头就可以立即测出其化学成分。可以对进厂的钢盘条、钢丝和钢带逐捆取样快速确定化学成分,防止混料和剔除不合格品,可以在生产线上随机抽取焊材产品,随焊随检测熔敷金属的化学成分。

(2) X萤光分析仪,可分析各种矿物原材料成分,分析焊条药皮、焊剂和药芯焊丝焊芯的成分。国外知名焊材企业,在生产中用X萤光分析仪直接监测配方的稳定性。操作程序是,将每种焊条、焊剂和焊芯的准确配方,用X萤光分析仪作出标准谱线图,在生产时对搅拌均匀的焊条粉,对药芯焊丝的填充粉剂,对生产过程中的焊剂,取样用X萤光仪分析,可立即测出其谱线图,然后与标准谱线图对照,谱线图在正常偏移范围内,就可正常生产。发现谱线图超出正常偏移范围,应立即停止生产,检查是混入了不合格的原材料?还是配错了份量?使发生了差错的配方及时改正。

(3) 金相显微镜,针对不同类型的高品质焊材,监测在正常焊接参数下,熔敷金属的金相织是否符合要求。

此外,生产微合金化高纯洁度的焊材,应配备金属氧氮分析仪,生产高性能耐热钢焊材,应配备高温拉伸试验机,生产低于-78℃(低于CO2干冰的致冷点)的低温钢焊材,还应配套相应的低温冲击装置。

5.3 对我国焊材企业的期望

(1)顺应发展态势,调整企业定位

我国经济将从过去几年的快速增长,转变为更加注重发展质量的平稳增长。钢材消费总量的增长速度已呈现逐渐下降的趋势,但各类低合金钢和合金钢的消费量将逐渐增长,普通碳钢的消费量将逐渐下降,同时焊接自动化的进展将加快……,这些决定了我国焊材消费总量的增长速度将下降,结422焊条等普通焊材的消费量将会逐渐减少,用于各类低合金钢和合金钢焊接的高品质焊材的需求量将会逐渐增长,同时用于自动化焊接的各类型焊丝需求量也会较快增长[9]。

我国焊材行业的几百家企业,应该顺应发展态势,调整企业定位。建议一些没有技术优势,也没有市场优势的中小企业,不妨考虑改变经营方向,东方不亮西方亮,不必在“焊材行业”的一棵树上吊死。坚持留在焊材行业内发展的企业。也不必都去跟风,发展目前国内缺门的一些高品质特种焊材,应根据企业的实力,确定企业的主体产品种类,有些可以对普通焊材下功夫,有些可以选择某一类型焊材去发展,有些可以致力于开拓国外的焊材市场……,期待中小型企业形成各有特色的格局,而不要加剧供过于求的恶性竞争。

(2)大型骨干企业,要努力增强企业实力

据国外有关资料介绍,目前世界上实力最强的焊材公司有5家,这5家企业合计占有除中国以外的世界焊材市场43%的份额,在世界焊材市场上举足轻重。

大型骨干焊材企业,是我国焊材民族工业的希望。一些企业在过去几年的经营中,已在不同程度上实现了资金的绩累。有条件投入较多的资金去更新生产装备、购置先进的检测仪器。期待我国有几家大型骨干焊材企业,能在生产装备和检测手段上能达到或超过国外知名焊材企业的水平,这样才能使国内外的重点用户及重点工程在采购高性能焊材时对你的焊材品质及质量稳定性增强信任,消除疑虑。

要使我国从焊材大国转变为焊材强国,除购置先进的生产设备及检测仪器之外,最重要的是企业领导要更新观念,跟上时代步伐,加大科研投入,引进并建设人才队伍,不断增强企业实力和创新能力,争创国际焊材名牌,使企业上档次上水平。经过若干年努力,使我国几大焊材公司赶上或超过世界先进焊材水平,成为世界公认的实力最强的焊材公司之一,增强我国焊材行业在国际及国内市场上的竞争力,在科学发展观指导下,实现焊材行业的可持续发展。经过5~10年努力,我国将建设成为钢铁强国及焊材强国。

6 结论

(1) 我国钢铁冶炼技术的提高,改善了钢材的焊接性,推动着我们去建立新的焊接性评定方法。

(2) 随着钢铁工业及焊接技术的进步,焊材结构在迅速调整,焊条比例迅速下降,焊丝比例迅速提高,这标志着我国的焊接自动化和半自动化水平在迅速提高。

(3) 我国焊材品种及品质的提高落后于新型钢材的发展,与世界上的强力焊材公司相比存在较大差距。希望有实力的焊材厂优化资源,更新设备,务实创新,开发出多种高科技焊材产品以适应我国现代化建设的需要。

(4)通过我国钢铁工业及焊材产业的发展,我国在不久的将来将真正建设成为钢铁强国和焊材强国。

主要参考文献
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[2]唐伯钢,中国焊接材料的市场需求与发展态势[A],第二届中国焊接与切割市场论坛论文集,机械工人杂志社,2007
[3]李世俊,中国“十一五”期间钢材需求预测[J],中国钢铁业,2006(8):15~21
[4]刘浏,中国炼钢技术的发展、创新与展望[J],炼钢,2007(2):1~6
[5]田莉,我国中厚板生产状况及发展趋势,中国钢铁业,2007(1):30~34
[6]李午申,我国新型钢铁材料及焊接性与焊接材料的发展,机械工人(热加工),2005(8),20~25
[7]中国金属学会、中国钢铁工业协会,2006年~2020年中国钢铁工业科学与技术发展指南[M],冶金工业出版社,2006
[8]唐伯钢,今后五年我国焊接材料的发展趋势和问题[J],电焊机,2006(11):1~4
[9]唐伯钢,我国焊材行业的差距与期待,机械工人(热加工),2006(10):18-21

作者简介:李午申,天津大学教授、博导,中国焊接学会常务理事,中国焊接学会焊接性及焊接材料委员会主任。

唐伯钢,中冶集团建研总院专家顾问委员会教授级高工,中国焊接学会焊接性及焊接材料委员会副主任。 (end)

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