大热输入焊接高性能海上风力发电用钢的研发及力学性能

胡 战, 刘自成, 董中波

(宝钢湛江钢铁有限公司, 湛江 524072)

海上风力发电具有海风资源稳定和电功率高的特点，近期在世界各地快速发展。中国海岸线超过18 000 km，岛屿超过6 000个，海上风能资源较为丰富，发展海上风力发电(以下简称风电)条件相对优越[1-2]。此外，相比陆上风电，海上风电产能较高，且受社会因素干扰较少，具有更显著的优势和开发前景。

现阶段我国海上风电用钢主要采用海洋工程用结构钢，参考的标准为GB 712-2011《船舶及海洋工程用结构钢》，牌号为DH36和EH36，交货状态为正火态。DH36和EH36钢板的碳含量和碳当量较高，但正火态钢板的强韧性、强塑性匹配及焊接性与国外一流钢厂采用热机械控制工艺(TMCP)生产的钢板力学性能相比还存在较大差距，且焊接热输入一般在50 kJ·cm-1及以下，在大热输入(热输入大于50 kJ·cm-1)焊接情况下，焊接接头的力学性能(如韧性、耐疲劳性能、止裂性能 )会明显下降，甚至会低于母材的。

国际上，21世纪以来，特别是随着TMCP技术及装备的快速发展，以德国与日本为代表的国外一流中厚板厂开始采用TMCP生产低碳含量、低碳当量及可大热输入焊接的高性能海上风电用钢[3-4]。

鉴于我国海上风电起步较晚，用钢的设计理念与制造工艺技术远远落后于国外一流厚板厂，为助推我国海上风电行业的健康、持续发展，成功研发了新一代可大热输入焊接的高性能海上风电用钢。笔者讨论了高性能海上风电用钢的开发机理、标准要求及生产工艺，并对试制的EH36钢板进行了一系列性能检验及分析。

1 开发机理

碳是提高钢强度的最重要的化学元素，但碳对许多工艺性能如焊接性能、成形性能有不利的影响，因此物理冶金学家们建议用其他强化机制代替碳的强化。晶粒细化是同时提高强度和韧性的最有效的方法，而TMCP技术可以达到细化晶粒的目的[5]，其是通过对钢坯加热温度、轧制温度、变形量、终轧温度和轧后冷却工艺等参数的合理控制，把成形过程与显微组织的控制过程结合起来，以获得良好的显微组织，从而明显提高材料的强韧性。

为保证海上风电用钢的强韧性和焊接性能，新一代海上风电用钢成分设计采用低碳含量及添加铌、钛微合金化的设计思路，工艺上采用TMCP技术。原始晶粒尺寸对成品的晶粒度影响很大，因此轧制过程分为两阶段。板坯出炉后，粗轧阶段在再结晶区通过多道次变形再结晶实现奥氏体晶粒细化，再通过轧制大压下量变形储能，为奥氏体再结晶提供驱动力。

奥氏体晶粒的细化主要是通过静态再结晶实现的，这种晶粒细化方式的效果有限。要进一步细化钢中奥化体的晶粒，则需要通过奥氏体-铁素体相变来实现。由于奥氏体-铁素体相变后铁素体晶粒的大小取决于其形核和长大速度，显然铁素体的形核速率越大，长大速度越小，则晶粒越细。在奥氏体-铁素体相变温度范围内，形变温度越低，越有利于铁素体晶粒的细化，为了充分细化铁素体晶粒，精轧开始轧制时温度应尽可能接近相变开始温度Ar3，所以微合金成分上采用添加铌、钒、钛等元素扩大奥氏体-铁素体转变区间来降低Ar3。

通过水冷提高轧后冷却速率能明显降低Ar3，有效地增加了相变细化晶粒作用。该方法是通过控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，获得的最终显微组织为细铁素体+贝氏体+细珠光体+弥散的碳氮化物，以达到细化晶粒的目的，可以在提高钢强度的同时提高韧性，使钢板具有高强度、高韧性、良好的抗疲劳性能及焊接性能等特点[6]。

2 化学成分及力学性能要求

DH36，EH36钢是屈服强度为355 MPa级别的海洋工程用结构钢，GB 712-2011对两者化学成分及强度的要求相同，差异在于对冲击韧性的要求，DH36钢为在-20 ℃下低温冲击性能满足标准的要求，EH36钢为在-40 ℃下低温冲击性能满足标准的要求。服役条件及钢板使用位置不同，设计时的选材也不同。GB 712-2011对DH36，EH36钢的化学成分及力学性能的要求见表1和表2。细化晶粒元素铝、铌、钒、钛可单独或以任一组合的形式加入钢中。当单独加入时，其含量应符合表1的规定；若混合加入两种或两种以上细化晶粒元素，表中细晶元素含量下限的规定不适用，同时要求铌、钒和钛的质量分数之和不大于0.12%。

表1 GB 712-2011对DH36，EH36钢板化学成分的要求(质量分数)Tab.1 Requirements for chemical composition of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011 (mass fraction) %

表2 GB 712-2011对DH36，EH36钢板力学性能的要求Tab.2 Requirements for mechanical properties of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011

3 成分设计及试制工艺流程

由于海上风电用钢的使用环境恶劣，应用在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋工作环境中，长期承受拉伸、弯曲和剪切等作用力，因此要求钢板具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂及良好的焊接性、冷加工性、耐海水腐蚀等性能[7-8]。因此采用低碳含量、低碳当量、微合金化及适用大热输入焊接的成分设计体系，通过超快冷TMCP技术实现细晶强韧化、位错强化及相变强化相叠加效应，生产出可采用大热输入焊接的高性能风电用钢板是发展趋势。

研发的该新一代高性能海上风电用钢中碳含量为0.07%～0.10%(质量分数，下同)，硅含量为0.05%～0.15%，锰含量为1.48%～1.58%，磷含量不大于0.01%，硫含量不大于0.001 5%及含有适量的铌、钒、钛等合金元素。将板坯轧制成厚度为60 mm的成品钢板，试制工艺流程为：铁液→铁液预处理→转炉→精炼→2 300 mm连铸→堆冷→板坯检查→二切→加热→高压水除鳞→4 200 mm粗轧→4 200 mm精轧→预矫→Mulpic(多功能间歇式喷射冷却装置)加速冷却→热矫→精整→钢板检验。

根据试制流程可知，新一代海上风电用钢采用TMCP技术生产，无需正火热处理，在生产周期上缩短了约15 d(天)，大大节约了海上风电的加工制造时间，有利于海上风电的发展。

4 结果及分析

4.1 显微组织

根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》的技术要求对试制EH36钢板全板厚进行金相检验，显微组织形貌见图1。

图1 试制EH36钢板厚度方向不同位置的显微组织形貌Fig.1 Microstructure morphology of different positions in thickness direction of trial production EH36 steel plate：a) 1/4 thickness from the upper surface; b) 1/2 thickness; c) 1/4 thickness from the lower surface

可见试制EH36钢板的显微组织为贝氏体+铁素体+少量珠光体，以贝氏体中温转变组织为主，得到了理想的显微组织类型。冷却过程中，由于不同厚度处冷却速率有差别，因此钢板沿厚度方向的显微组织有一定的差别，但总体而言钢板组织均匀，钢质纯净。

4.2 拉伸性能

对试制EH36钢板取横向拉伸试样(直径为10 mm)并进行室温、高温及低温拉伸试验。室温试验根据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的技术要求进行，高温试验根据GB/T 228.2-2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》的技术要求，采用E45型红外加热炉对试样加热并保温，保温时间不小于20 min，然后在电子拉伸试验机上进行拉伸试验；低温试验采用配有低温箱的CSS-1110型电子拉伸试验机，根据GB/T 228.3-2019《金属材料 拉伸试验 第3部分：低温试验方法》的技术要求进行，室温、高温及低温拉伸试验结果见图2。

图2 试制EH36钢板室温、高温及低温拉伸性能试验结果Fig.2 Test results of tensile properties of trial production EH36 steel plate at room temperature, high temperature and low temperature：a) tensile test at room and high temperature; b) tensile test at low temperature

室温下试制EH36钢板常规拉伸试验结果为：Rm为532 MPa，Rp0.2为434 MPa，A为35%，可见均满足标准的要求，且有较大富余量。在室温及高温拉伸试验中，随试验温度的升高，钢板的强度总体呈下降趋势，塑性总体呈上升的趋势，在试验温度范围内无抗拉强度性能陡变现象发生。在低温拉伸试验中，随试验温度的降低，钢板的屈服强度和抗拉强度缓慢上升，断后伸长率的变化较小，说明该钢在低温环境下具有较好的强塑性。

4.3 冲击性能

根据GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的技术要求在试制EH36钢板的纵向、横向1/4厚度处取样并进行低温夏比(V型缺口)冲击试验，试验结果见图3。

图3 试制EH36钢板横、纵向试样冲击性能试验结果Fig.3 Impact property test results of trial production EH36 steel plate of a) transverse and b) longitudinal specimens

可知试制EH36钢板-40 ℃下冲击吸收能量均在300 J以上，远高于标准的要求。根据冲击吸收能量为50%上平台能时所对应的温度和剪切断面率为50%时所对应的温度，确定试制钢板的韧脆转变温度低于-80 ℃，表明其低温韧性优异[9]。

选取纵向冲击试样的典型断口进行扫描电镜(SEM)分析，结果见图4。可见断口为韧性断口，裂纹扩展区呈韧窝状。冲击断口有明显的形变特征，表明钢板试样的冲击韧性良好。

4.4 抗层状撕裂性能

按照GB/T 5313-2010《厚度方向性能钢板》的技术要求对试制EH36钢板进行厚度方向的全板厚拉伸试验，其断面收缩率Z结果见表3。

表3 试制EH36钢板厚度方向拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results of trial production EH36 steelplate in thickness direction

可知钢板厚度方向的断面收缩率均大于70%，达到并超过了Z向(抗层状撕裂)钢的最高级别Z35(断面收缩率不小于35%)的要求，表明该钢具有良好的抗层状撕裂性能[10]。

4.5 疲劳及止裂性能

4.5.1 高周疲劳

将试制EH36钢板加工成螺纹头的高周疲劳试样，试验设备选用PLG200型高频疲劳试验机,设定疲劳极限对应循环基数为107周次，应力比R取0.1，根据GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》的技术要求，采用升降法测试材料的疲劳极限，然后根据GB/T 24176-2009《金属材料 疲劳试验 数据统计方案与分析方法》的技术要求进行数据处理,结果见表4。

表4 试制EH36钢板高周疲劳试验结果Tab.4 High cycle fatigue test results of trial productionEH36 steel plate

可见试制EH36钢板平均疲劳强度为227.8 MPa，表明钢板具有优良的抗疲劳性能。考虑数据的可靠性，还分析计算了钢板在置信度90%、失效概率10%情况下的疲劳强度下极限，结果为208.2 MPa。

4.5.2 止裂性能

根据GB/T 21143-2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》的技术要求，对试制EH36钢板进行-40 ℃下的母材CTOD(裂纹尖端张开位移)试验，结果见表5。

表5 试制EH36钢板CTOD试验结果Tab.5 CTOD test results of trial production EH36 steel plate

可见钢板-40 ℃下的CTOD特征值δm(B)不小于1.41 mm，且试验过程中未出现POP-IN效应(瞬间载荷迅速下降、位移增加很小的“突进”现象)，说明试制钢板的止裂性能优异[11]。

4.6 大热输入焊接性能

采用气体保护焊打底，气电立焊正反面一次成形工艺，对钢板进行气电立焊试验。试验采用气电立焊专用焊机，焊接材料选用气电立焊专用CO2气保护药芯焊丝，型号为DWS-43G，直径为1.6 mm。焊接试板坡口根据气电立焊工艺特点制定，焊接试板长度方向为轧向(纵向)，试板坡口示意图见图5，焊接工艺参数见表6。

图5 气电立焊试验试板坡口示意图Fig.5 Groove diagram of test plate for gas electric vertical welding

表6 气电立焊焊接工艺参数Tab.6 Welding parameters of gas electric vertical welding

对其焊接接头进行横向拉伸试验、接头弯曲试验及焊接接头夏比(V型缺口)冲击试验，结果见表7。

表7 试制EH36钢板大热输入焊接接头力学性能试验结果Tab.7 Mechanical property test results of welded joint of trial production EH36 steel plate with high heat input

对气电立焊焊接接头进行维氏硬度试验，每0.5 mm测试一点，试验部位包括母材(BM)、热影响区(HAZ)和焊缝(WM)，结果见图6。

图6 试制EH36钢板大热输入焊接接头硬度试验结果Fig.6 Hardness test results of welded joint of trial productionEH36 steel plate with high heat input

可见气电立焊实测单面焊接热输入超过100 kJ·cm-1，焊接接头抗拉强度达到528 MPa，焊缝、熔合线、熔合线外1 mm热影响区及熔合线外3 mm热影响区-40 ℃时冲击吸收能量均较高。表明焊缝区硬度最高，热影响区没有明显硬化及软化现象，与接头强度分布相对应，整个焊接接头淬硬倾向较低。综上表明，焊接接头具有优良的综合力学性能。

5 结论

基于超快冷热机械控制工艺研发的新一代高性能海上风电用钢中含有碳、硅、锰、磷、硫及适量的铌、钒、钛等合金元素。该钢韧脆转变温度在-80 ℃以下，抗拉强度为532 MPa，屈服强度为434 MPa，疲劳强度为227.8 MPa，断面收缩率大于70%，具有生产周期短、交付快、韧性高、抗层状撕裂性能好、耐疲劳性能好、止裂性能优异及可采用大热输入焊接等特点。