1474 工程科学学报，第42卷，第11期 of EH420 offshore steel.The effect of ITFFP technology on the microstructure and impact toughness in the HAZ of H30 and H60 steels subjected to a 200 kJcmheat input were investigated using a Gleeble-3800 welding simulation machine and Charpy impact tests.The results indicate that the CaO(-MgO)-Al2O;-TiO,-MnS formed in the tested steels induces the formation of acicular ferrite,and thus significantly improves the impact toughness.Additionally,electrode-gas welding with heat inputs of 247 kJ-cm and 224 kJ-cm was applied to H30 and H60 steels.The experimental results show that the impact absorbed energy of the weld in H30 tested steel is larger than 74 J at-40C,and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 115 J at-40 C.In addition,the impact absorbed energy of the weld in H60 tested steel is larger than 91 J at-40 C,and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 75 J at-40 C.The impact absorbed energy of welded joints is much higher than the requirement of the national standard(42 J). KEY WORDS EH420 offshore steel:welding simulation;electrode-gas welding;inclusions;microstructure;mechanical properties 随着海洋平台和船舶等制造业的发展，对相 数量多，形成的高熔点产物有效地控制了钢中夹 应钢铁材料的综合性能提出了更高的要求凹在现 杂物的颗粒长大与撞长大的趋势，在钢中形成了 代海洋工程和船舶的建造过程中，焊接是一项重 大量的细小夹杂物.东北大学沈海军等8劉通过对 要工序，焊接工作量约占30%~40%因此，提高 低碳钢中超细夹杂物的研究，发现Ti-Mg复合脱 焊接效率，降低制造成本，开发可适应大线能量焊 氧钢在保温60min的情况下，钢中尺寸<1m的 接的海洋工程用钢成为必然.但是，随着焊接输入 小尺寸夹杂物数量仍然较多，数量约占75.2%.东 线能量的提高，焊接热影响区(HAZ)的峰值温度 北大学王丙兴等9对比了Ti-Ca和Ti-Mg两种复 会随之增加，势必会造成钢材在高温时间停留时 合脱氧工艺对EH36钢焊接HAZ组织和性能的影 间延长，造成HAZ奥氏体晶粒显著粗化，使其韧 响，研究表明两种复合脱氧工艺均能在HAZ内形 性严重恶化B- 成大量细小的针状铁素体，从而提高钢板的低温 20世纪90年代，Takamura和Mizoguchi-刀、 冲击韧性.北京科技大学邓小旋等20研究了Ti-AI Sawai等图和Ogibayashi等)针对以上现象提出了 复合脱氧钢中夹杂物对针状铁素体形核机制的影 “氧化物冶金”的概念，即利用特定细小的夹杂物 响，发现钢中的A!元素含量需要维持在较低水 能够诱发针状铁素体的特性，从而细化HAZ粗晶 平、T元素含量保持在中等水平可以促进针状铁 区组织和晶粒，改善焊缝和HAZ的强度和韧性. 素体析出.此外，近些年来，包括河钢舞钢、宝 基于氧化物冶金技术，日本新日铁公司开发了 钢22)、南钢2]和沙钢24等在内的国内钢铁企业也 HTUFF技术o,该技术是利用Ti-Mg-Ca元素与 越来越重视大线能量焊接用系列钢种的研发，河 钢中氧形成的氧化物和凝固过程析出的硫化物， 钢舞钢开发的EH36-W100级大线能量焊接用船板 这些细小夹杂物弥散分布在钢中具有抑制奥氏体 钢应用于全球首艘44500吨载重极地凝析油船1 晶粒长大的作用，可以显著钉扎奥氏体晶界移动， 宝钢开发了利用强脱氧剂改善焊接热影响区韧性 促进针状铁素体析出山，使焊接线能量提高至 (ETISD)的技术，研发出了68mm厚度规格的EH40 500kJcm1以上2日本JFE公司提出JFE EMEL技 钢板，在400kJcm线能量条件下焊接后，其焊接 术乳，通过合理的成分设计和快速冷却技术改善 热影响区的-20℃冲击功值保持在200J以上22 热轧板基体组织性能，通过控制钢中合理的TN 南钢2]和沙钢均有EH36-W200级大线能量焊 比形成TN粒子钉扎品界，抑制奥氏体晶粒粗化 接用钢成功试制的报道 长大，开发的80mm的EH40钢板适用焊接线能 综上所述，经过数十年的发展，大线能量焊接 量达到680Jcm1日本神户制钢6提出采用 用钢的开发取得了一定的进展，但根据现有资料 更低的碳含量来减少M-A组元，进行了平衡的最 来看，国内更高强度和更低服役温度的大线能量 佳化及合金成分设计，促进Ti的扩散，形成了KST 焊接用钢板的工业化生产鲜有报道，相关工艺控制 技术，有效地改善了钢板HAZ的低温韧性 技术还不成熟.经过多次试制，河钢集团有限公司 国内众多研究院所对大线能量焊接用钢及相 (以下简称“河钢”)利用钢液中形成TiO,-MgO-CaO 关技术开发进行了深人地研究，武汉科技大学郑 细小夹杂物改善焊接粗品热影响区韧性(ITFFP) 万等71研究了Ti-Mg复合脱氧对钢中夹杂物的影 的技术.研发出大线能量焊接用EH420海工钢.本 响，发现相比于Ti脱氧，Mg的脱氧能力较强，脱 文采用Gleeble-3800型热模拟试验机对试制钢进 氧产物与钢的界面能较低，形核临界尺寸小，形核 行了200kJcm条件下焊接热模拟试验，并利用of EH420 offshore steel. The effect of ITFFP technology on the microstructure and impact toughness in the HAZ of H30 and H60 steels subjected to a 200 kJ·cm−1 heat input were investigated using a Gleeble-3800 welding simulation machine and Charpy impact tests. The results indicate that the CaO(−MgO)−Al2O3−TiOx−MnS formed in the tested steels induces the formation of acicular ferrite, and thus significantly improves the impact toughness. Additionally, electrode-gas welding with heat inputs of 247 kJ·cm−1 and 224 kJ·cm−1 was applied to H30 and H60 steels. The experimental results show that the impact absorbed energy of the weld in H30 tested steel is larger than 74 J at −40 ℃, and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 115 J at −40 ℃. In addition, the impact absorbed energy of the weld in H60 tested steel is larger than 91 J at −40 ℃, and the HAZ exhibits an absorbed energy larger than 75 J at −40 ℃. The impact absorbed energy of welded joints is much higher than the requirement of the national standard (42 J). KEY WORDS    EH420 offshore steel；welding simulation；electrode-gas welding；inclusions；microstructure；mechanical properties 随着海洋平台和船舶等制造业的发展，对相 应钢铁材料的综合性能提出了更高的要求[1] . 在现 代海洋工程和船舶的建造过程中，焊接是一项重 要工序，焊接工作量约占 30%～40% [2] . 因此，提高 焊接效率，降低制造成本，开发可适应大线能量焊 接的海洋工程用钢成为必然. 但是，随着焊接输入 线能量的提高，焊接热影响区（HAZ）的峰值温度 会随之增加，势必会造成钢材在高温时间停留时 间延长，造成 HAZ 奥氏体晶粒显著粗化，使其韧 性严重恶化[3−5] . 20 世 纪 90 年 代 ， Takamura 和 Mizoguchi[6−7]、 Sawai 等[8] 和 Ogibayashi 等[9] 针对以上现象提出了 “氧化物冶金”的概念，即利用特定细小的夹杂物 能够诱发针状铁素体的特性，从而细化 HAZ 粗晶 区组织和晶粒，改善焊缝和 HAZ 的强度和韧性. 基于氧化物冶金技术 ，日本新日铁公司开发了 HTUFF 技术[10] ，该技术是利用 Ti−Mg−Ca 元素与 钢中氧形成的氧化物和凝固过程析出的硫化物， 这些细小夹杂物弥散分布在钢中具有抑制奥氏体 晶粒长大的作用，可以显著钉扎奥氏体晶界移动， 促进针状铁素体析出[11] ，使焊接线能量提高至 500 kJ·cm−1 以上[12] . 日本JFE 公司提出JFE EMEL 技 术[13] ，通过合理的成分设计和快速冷却技术改善 热轧板基体组织性能，通过控制钢中合理的 Ti/N 比形成 TiN 粒子钉扎晶界，抑制奥氏体晶粒粗化 长大[14] ，开发的 80 mm 的 EH40 钢板适用焊接线能 量达到 680 kJ·cm−1 [15] . 日本神户制钢[16] 提出采用 更低的碳含量来减少 M−A 组元，进行了平衡的最 佳化及合金成分设计，促进 Ti 的扩散，形成了 KST 技术，有效地改善了钢板 HAZ 的低温韧性. 国内众多研究院所对大线能量焊接用钢及相 关技术开发进行了深入地研究，武汉科技大学郑 万等[17] 研究了 Ti−Mg 复合脱氧对钢中夹杂物的影 响，发现相比于 Ti 脱氧，Mg 的脱氧能力较强，脱 氧产物与钢的界面能较低，形核临界尺寸小，形核 数量多，形成的高熔点产物有效地控制了钢中夹 杂物的颗粒长大与撞长大的趋势，在钢中形成了 大量的细小夹杂物. 东北大学沈海军等[18] 通过对 低碳钢中超细夹杂物的研究，发现 Ti−Mg 复合脱 氧钢在保温 60 min 的情况下，钢中尺寸<1 μm 的 小尺寸夹杂物数量仍然较多，数量约占 75.2%. 东 北大学王丙兴等[19] 对比了 Ti−Ca 和 Ti−Mg 两种复 合脱氧工艺对 EH36 钢焊接 HAZ 组织和性能的影 响，研究表明两种复合脱氧工艺均能在 HAZ 内形 成大量细小的针状铁素体，从而提高钢板的低温 冲击韧性. 北京科技大学邓小旋等[20] 研究了 Ti−Al 复合脱氧钢中夹杂物对针状铁素体形核机制的影 响，发现钢中的 Al 元素含量需要维持在较低水 平、Ti 元素含量保持在中等水平可以促进针状铁 素体析出. 此外，近些年来，包括河钢舞钢[21]、宝 钢[22]、南钢[23] 和沙钢[24] 等在内的国内钢铁企业也 越来越重视大线能量焊接用系列钢种的研发，河 钢舞钢开发的 EH36-W100 级大线能量焊接用船板 钢应用于全球首艘 44500 吨载重极地凝析油船[21] . 宝钢开发了利用强脱氧剂改善焊接热影响区韧性 （ETISD）的技术，研发出了 68 mm 厚度规格的 EH40 钢板，在 400 kJ·cm−1 线能量条件下焊接后，其焊接 热影响区的−20 ℃ 冲击功值保持在 200 J 以上[22] . 南钢[23] 和沙钢[24] 均有 EH36-W200 级大线能量焊 接用钢成功试制的报道. 综上所述，经过数十年的发展，大线能量焊接 用钢的开发取得了一定的进展，但根据现有资料 来看，国内更高强度和更低服役温度的大线能量 焊接用钢板的工业化生产鲜有报道，相关工艺控制 技术还不成熟. 经过多次试制，河钢集团有限公司 （以下简称“河钢”）利用钢液中形成 TiOx−MgO−CaO 细小夹杂物改善焊接粗晶热影响区韧性（ITFFP） 的技术，研发出大线能量焊接用 EH420 海工钢. 本 文采用 Gleeble-3800 型热模拟试验机对试制钢进 行了 200 kJ·cm−1 条件下焊接热模拟试验，并利用 · 1474 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期