提升团队服务意识:HSLA-65钢制造加工技术的进展

HSLA-65钢制造加工技术的进展

作者：admin 发表时间：2010-02-01 16:51:16

HSLA-65钢已经被美国海军批准成为新型航空母舰CVN-21主壳体材料，以达到减轻重量和降低重心的目的。为了减少焊接变形，改善焊缝质量，提高焊接生产率,美海军探讨了搅拌摩擦焊、混合激光-电弧焊、新型焊条、药芯焊丝在舰上应用的可行性，研究了搅拌摩擦焊模拟和数字模型技术及其应用，同时对该钢板热成型可能对其性能影响进行了研究，旨在寻找获得最佳强度和韧性的热加工成型限度。最终对该钢制造大型结构和制造加工方法对性能的影响进行综合分析。本文概述这些制造加工技术的进展状况。

搅拌摩擦焊（FSW）

HSLA-65（ASTM A945）是海军造船部门感兴趣的新型结构钢。目前已经对采用搅拌摩擦焊连接的可行性进行了评价。搅拌摩擦焊是1991年英国焊接研究所发明的固态连接方法,具有焊接变形小,焊接速度高,焊缝质量优良的特点,已经成功地进行板厚6.4mm单道和板厚12.7mm双道对接焊。对其焊缝进行横向拉伸和弯曲试验，试验结果表明，搅拌摩擦焊适合造船钢的连接，但是需要进一步对此领域进行研究。

混合激光-电弧焊（HLAW）

过去5年内，应用热科学公司曾经对HSLA-65钢的激光-电弧焊接工艺进行最佳化和鉴定。开发过程包括使用高功率CO2和氧化镱纤维激光器，以获得符合焊缝金属强度和韧性以及表征工艺因素和工序认可的相应文件。鉴定结表证明,焊缝金属具有优良强度和韧性，并已在2007年中期获得资质认可。美国海军首先批准主壳体结构应用这种激光基焊接工艺。

配套焊接材料的开发与研究

1.药芯焊丝
2006年Hobart兄弟公司研制成适合HSLA-65级钢使用的第一个军用认可的“HYN”级药芯焊丝，它超过美国海军焊接标准，这种气体保护Tri-Mark TM-71HYN药芯焊丝获得含有扩散氢小于5ml/100g的优质焊缝，在高速和低速冷却下，-20°F下冲击值超过41J的要求，焊缝具有屈服强度414-621MPa(60-90ksi)。全位置焊焊丝适合用于75%CO2-25%Ar混合保护气体，直径1.14mm(0.045英寸)，防水密封以消除水分的影响。

2.高性能熔化极气体保护焊焊条
采用C++算法进行连接HSLA-65钢的高性能焊条的冶金设计，焊条的设计以下为基础：
（1）为改善可焊性，碳含量≤0.06wt.%；（2）为增强强度和韧性，Ars相变温度比HSLA-65钢低5～15%；（3）为始终与HSLA-65钢规定的最小抗拉强度过匹配，希望在适当的碳当量范围（CEN）内。该算法利用一组边界条件，包括除CEN外的Ar3,BS,BF,和MS相变温度，边界条件的数字范围是由工业HSLA-65钢的化学成分推导出来的，用焊缝凝固效应代替热机械的影响。在评价下列预计的三种焊条规范组的化学成分范围内采用这些边界条件，希望提供含碳量≤0.06wt.%，横向焊缝最小抗拉强度552MPa(80ksi)，在290C-510C范围内的下列焊接状态:（1）ER80S-Ni，（2）E90C-K3,and（3）E80C-W2时的CVN冲击韧性为27J。结果发现，以Fe-C-Mn-Ni-Mo体系的焊条设计，含有0.06wt.%C,1.6wt.%Mn,0.8wt.%Ni,和0.3wt.%Mo，焊缝金属的Ars为6900C,CEN为0.29,预计(BF-MS)w为30°C，始终达到与HSLA-65钢过匹配的规定最小抗拉强度，同时在-40°C下的CVN冲击韧性为41J。

3.美国船级社(ABS)对药芯
焊丝与埋弧焊的鉴定HSLA-65钢正在纳入美国船级社规范中,为此,对其配套焊接材料和工艺进行了鉴定,主要对象是金属芯焊条和埋弧焊焊剂及其程序,焊接板厚为12.7mm和25.mm。美国船级社为此将完成下列任务:
任务1：HSLA-65和EH-36钢用金属芯焊条的ABS鉴定；任务2：HSLA-65和EH-36钢的可变平衡交流(VBAC)埋弧焊程序的ABS鉴定。http://www.81tech.com
按照近来美国国家造船计划（参照TIA 2005-386),研制成12.7mm和25.4mm厚度DH36,HSLA-65,和HSLA-100钢专门配方的金属芯焊条,运用高生产率的Miller公司的可变平衡交流(VBAC)技术的双丝埋弧焊程序：
（1）12.7mm和25.4mm厚度DH36,HSLA-65钢改进焊剂铜衬垫埋弧自动焊的单道单面焊：12.7mm厚板焊速7620mm/min，熔敷速率33.75kg/h；25.4mm厚板焊速1067.43mm/min，熔敷速率50.4kg/h；
（2）双面焊（每侧一道）没有背刨的12.7mm熔敷速率38.25kg/min和25.4mm厚板HSLA-100钢，单道焊速1143mm/min（熔敷速率50.4kg/min）。http://www.81tech.com
任务1的目的：由Hobart公司制造的提供EH-36和HSLA-65钢使用的ABS规范中的优质金属熔芯焊条。

1）EH-36焊缝金属指标：最小屈服强度386PMPa,极限抗拉强度490-656MPa,伸长率20%，冲击韧性：-20F,27J。http://www.81tech.com
2）HSLA-65焊缝金属指标：最小屈服强度448MPa,伸长率20%，冲击韧性-20F,41J。

化学成分
Lincoln MIL800-H焊剂的化学成分应满足两种钢的要求:
焊缝金属估计屈服强度538-587MPa,极限抗拉强度607-656MPa,伸长率24%，冲击韧性-20F,135.6J。
任务2-ABS规范的利用金属芯焊条的优质VBAC双丝埋弧焊程序（Millers Summit 1000电源），Lincoln MIL800-H焊剂1）改进焊剂铜衬垫埋弧自动焊的单道单面焊12.7mm和25.4mm板厚EH-36和HSLA-65；
2）双面（每侧没有背刨的单道）埋弧焊，2.38mm焊条，19mm焊条间距：112.7mm和25.4mm板厚EH36 and HSLA-65；
分别对上述两种板厚的焊缝进行金相,射线,机械性能检验,确定焊接材料,焊接工艺的适用性。
热成型
由NAVSEA,NMC,RNDT公司组成的NMC主持的研究项目评价了成型温度和板厚对CVN-21和其它舰船壳体用HSLA-65和DH-36钢板成型特性的影响。如果加工不适当，热成型就可能大大恶化板材的强度和韧性，从而对舰船性能有不利影响。在此项目前，舰船设计单位掌握热成型对这些钢的强度和韧性的影响的可利用数据是很有限的。NMC项目评价用U弯曲成型的两种板厚的热成型特性。对成型板进行磁粉颗粒，却贝V缺口和拉力试验。从试验结果，确定热成型加工窗以保证高度变形板保持足够的强度和韧性。

利用本项目研究结果确定成型极限和推荐CVN关键部位使用HSLA-65和DH-36钢板制造方法。根据HSLA-65和DH-36钢板的热成型极限可以用于所有舰船。
预计完成这个项目可以取得下列效益：1）舰船设计单位可利用有关热成型极限和它对不同板厚的HSLA-65和DH-36钢板的影响的定量数据；2）由于相应的HSLA-65和DH-36钢板的热成型方法，改善了CVN-21和其它舰船的性能；3）由于热成型方法产生最佳强度和韧性从而降低采购成本。
大型海洋结构的焊接技术研究为了掌握HSLA-65钢焊接大型结构,海军研究办公室制订本研究项目,其目的涉及建立最佳焊接工艺，包括焊接材料类型选择，操作范围的确定和验证焊接接头性能以提供舰船结构用HSLA-65焊接接头的可靠性[8]。
采用的技术途径:扩大现有焊接技术，用现有焊接材料确定最佳焊接工艺，使HSLA-65用于主壳体和次要结构，进行焊接接头性能分析，验证足够承受工作载荷的条件，它可以通过开发最佳焊接工艺来达到。与NAVSEA，NSWCCD，NNS,钢铁生产厂和焊接材料制造厂紧密合作以保证适当使用这种技术。预计可达到效益:即使在CVN-77上作少量重新设计，在那里可以用HSLA-65减轻重量。HSLA-65主要作为某些应用的直接代替材料以获得HSLA-65提供CVNX2舰的壳体建造前取得检验。这些通过HSLA-65的应用将从提高强度和韧性取得中等效益。全面使用HSLA-65估计至少减轻重量4300吨。按照NNS估计每吨10,000美元计算，对CVNX2减轻重量估计将节省3400万美元。
综合项目小组包括
NAVSEA,NSWC,NNS,钢铁生产厂，焊接材料生产厂，NCEMT等组成，将项目研究结果转让到海军航空母舰和水面战斗舰艇的建造上。技术演示，技术报告和焊接工艺规范被用来把这些技术转让到工业部门。
制造技术对钢性能影响的研究HSLA-65钢板可以利用下列5种制造技术之一进行生产[9]：正火，控轧（CR）,控轧+加速冷却（CR+AC）,直接淬火和回火（DQT）或常规淬火和回火（Q&T）。HSLA-65钢用低碳含量表征，它们显示能改善可焊性的低碳当量。这些特性依次：（1）使钢板具有细化显微组织，保证其高强度和韧性；（2）取消或大大降低焊接需要的预热温度；（3）热影响区的抗氢致开裂，当采用低线能量条件焊接产生熔合线时；（4）根据板厚，促进高线能量焊接（大约2KJ/mm）,不会大量减少热影响区的强度和韧性。然而，应用这种板的制造工艺和这些控制会使HSLA-65钢板的冶金组织和机械性能在它们之间和HSS钢板之间有重大差别。例如，在HSLA-65钢板中，用Q&T处理的显示机械性能差别最小，特别是厚板。除了机械性能随板厚而变之外，CR和CR-AC钢板的屈服强度与抗拉强度比要高于DQT和Q&T。这种HSLA-65钢板的加工和性能差别可能影响各种辅助制造方法的选择和控制，包括电弧焊。因此，制造必须十分小心，当从HSLA-65钢板的一种形式转变成另一种形式时允许批准的辅助制造方法的极限，即使是同样板厚。

结语
自美国海军确定HSLA-65钢作为主壳体以来,为了减少焊接变形,提高焊缝质量,提高焊接生产率,保证合格的强度和韧性,对配套的焊接材料和焊接工艺,热成型等制造加工技术进行不断研究,已取得可喜的成果,搅拌摩擦焊,混合激光电弧焊等先进工艺是可行的,新型药芯焊丝,焊条和埋弧焊剂研制成功使该钢的焊缝性能进一步提高,了解热成型程度对强度和韧性的影响,将更好地运用热加工技术,综合了解焊接,热加工,热处理对钢性能的影响有利于合理在舰上使用这种结构材料。