大线能量焊接用含Cu高强钢的组织性能研究现状与展望

大线能量焊接用含Cu高强钢的组织性能研究现状与展望

袁婷云，郭 菁，庞启航，滕莹雪

（辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

摘 要：我国造船随着我国经济的增长而飞速发展，海洋船舶日益大型化，对其性能要求越来越高。本文了铜元素对钢的组织性能影响、应用以及对大线能量焊接性能的影响。阐明了目前在大线能量焊接用钢成分设计时添加铜元素对改善热影响区性能的作用机理，并提出了铜在钢中应用所面临问题的解决思路。

关键词：大线能量焊接用钢；焊接热影响区；铜元素；组织性能

中图分类号:TF761.2 文献标识码：A

目前为了开发新型高强度高韧性的海洋工程用钢，国内外学者开始对含铜海洋工程用钢进行了大量研究。研究发现在钢中添加合金元素Cu，可以避免其他合金元素的大量添加，这样不仅提高了基体强度，还解决了传统船板钢由于合金元素的大量添加，因而导致的焊接性差和经济成本高的问题，简而言之，钢中添加合金元素Cu，可以提高钢的强度，耐腐蚀性和抗菌性，改善焊接热影响区的韧性。

另外近年来，我国造船随着我国经济的增长而飞速发展，海洋船舶日益大型化，这就对海洋工程用钢提出更高的要求，而由于船板厚度规格的增加，焊接效率成了制约船体建造的关键问题，有学者调查发现[1]，焊接成本约占船舶制造成本的17%，焊接工时约占船体建造总工时的40%。于是传统的焊接工艺造船逐渐被大线能量焊接技术取代，那么什么是大线能量？它是比一般焊接条件高的多的焊接线能量，按照国际船级社协会规范，一般定义为50KJ/cm及其以上的线能量。大线能量焊接技术既可以节约钢板的焊接成本，又可以提高焊接效率。但是过大的线能量使得焊缝和热影响区的质量难以保证，大线能量焊接技术对传统的含铜钢的主要影响是焊接热影响区（HAZ）的强度和韧性会变差[6]，且易产生焊接冷裂纹等缺陷。因此，迫切需要研究钢板可承受的线能量以及改善HAZ的韧性，提高热影响区的韧性，此外焊接技术也是衡量一个国家造船水平

的重要标志[1-6]。

1 铜元素对钢的组织性能影响及其表征手段

相关研究发现，在钢中添加铜元素既有优点也有缺点。在钢中添加铜元素可以提高钢的耐腐蚀性能，延展性，抗菌性能等，但是铜也会引起热裂问题，这是在研究过程中应当注意的。

铜元素是一种过渡的金属元素，原子量为63.55，沸点是2567℃，熔点为1083.4℃，是不太活泼的重金属，具有良好的延展性，耐腐蚀性和抗菌杀菌性能等[28-29]，主要运用于建筑材料，电气，制造工具，和武器等多个方面。铜元素还是植物与动物的微生物，不像锗和锑元素那样对人体有害，另外各种微生物和细菌在铜制品表面不容易存活，以此对海洋工程用钢的发展提供了很大的帮助[19]。

1.1铜元素在钢中存在形式

铜是钢铁中作为单质类型单元的第二相存在，钢铁中的第二相包括钢铁中各种正常价化合物、单质、金属间化合物、间隙相和间隙化合物[23]。此外在钢中添加铜元素，在铁素体中的析出可以改善钢的性能。例如含铜高强度钢和具有良好耐腐蚀性的海工船板钢，都是利用了铜的析出强化作用，其中钢中铜的质量分数超过1%[36-38]。

基体中第二相元素的过饱和度，即偏离平衡固体溶解度的程度，是第二相沉淀和相变自由能的主要来源。通过平衡固溶度的理论计算公式可以得到第二相元素在集体中的平衡固溶度，然后通过元素的实际固溶度与平衡固溶度之差，即过饱和度，计算出第二相沉淀和相变的自由能[10]。

通过计算，得到每摩尔分数的第二相沉淀析出反应的自由能∆