我国新型钢铁材料及焊接性与焊接材料的发展

    焊接的主要对象是各种钢材，因此钢材的产量、表观消费量、钢材的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t,而后几年钢产量连年增加。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4000万t左右，到2004年，我国钢产量已突破2.97亿t，钢材表观消费量达3.12亿t。如此大的钢材产量和钢材消耗量大幅度的牵动着焊接行业的发展。焊接设备的需求增多，焊接用量增大，增加了焊接产业的就业机会，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、低成本和自动化方向发展。

随着冶金技术及控轧控冷技术的提高，钢材品质不断提高，钢材的裂纹积脆化倾向显著减小，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。

二、钢铁工业的发展趋势

1.我国钢铁工业与焊接行业的可持续发展

    钢产量是衡量一个*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。由于自我国改革开放以来，经济持续高速增长，拉动了钢铁工业的发展，所以近几年来使我国的钢产量迅速增长。这不仅使我国成为世界上头号钢铁生产大国，也成为头号钢铁消费大国(见表1)。表1 我国钢产量发展一览表年代钢产量/亿t世界排名钢材表观消费量/亿t钢材净进口量/亿t 1949 0.00158 26——1957 0.0535 9——1965 0.1223 8——1978 0.3178 5——1996 1.0025 1 1.0515 0.1598 1997 0.9987 1 1.0847 0.1322 1998 1.0738 1 1.1623 0.1242 1999 1.2102 1 1.3220 0.1486 2000 1.276 1 1.4121 0.1596 2001 1.53 1 1.7020 0.1722 2002 1.9218 1 2.1122 0.2449 2003 2.30 1 2.666 0.3655 2004 2.97 1 3.12 0.138

    2004年我国钢产量达到2.97亿t，2005年*季度钢产量比去年同期增长了23.7%，按照这种发展速度，今年的钢产量有可能突破3.5亿t。有表1可以看出，在2010年以前钢铁工业仍呈发展势头，即便是发展达到平衡之后，仍然会在峰值产量上维持相当长的时间。

    据统计我国焊接结构用钢占钢产量的50%左右，钢铁工业的发展给我国焊接行业的可持续发展创造了很大的发展空间。据此推断在近10年内仍是焊接行业发展的黄金时段。

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。尽管近年来各钢厂都进行了大量的资金投入，但由于市场的驱动，许多钢厂的眼睛依然盯在钢铁产量上，在高附加值钢材的研发及生产上远远跟不上形势的要求，如高强钢、耐候钢、耐热钢、耐蚀钢、低温钢、微合金控轧控冷钢等多种专业用钢，以及各种板材及型钢也不能满足市场需求，因此许多优质钢还需要依赖于进口。

    这种只追求数量而忽略质量的钢铁工业发展态势急需扭转。仅2001年我国进口优质钢材1720万t，2002年净进口2449万t，2003年净进口钢为3655万t，我国钢材的进口量超过美国，居世界*位。而优质钢材的价格是普通钢材价格的3倍，如不进口或少进口，将会引起效益的显著增加。2004年净进口约1383万t，比2003年下降62.16%，即2004年增加的钢产量中有45%是用于顶替进口和扩大出口的，这是具有重大意义的转折。

    世界钢铁强国的经验教训值得借鉴，20世纪70年代日本、欧共体的钢产量均达到1.2亿t，80年代初转向退至1亿t。将以产量为主转变为以质量为主组织生产，80年代初即完成转变，以优质钢材冲击美国和世界市场，表面上看产量降低了，但总的产值和利润提高了。而且减少了投资，节省了能源和资源，降低了污染，社会效益和经济效益均获得了显著的提高。

    *正处在现代化工业的建设过程中，钢材需求量较大，矛盾尚不尖锐。但由于低层次钢材盲目扩产，势必造成供大于求，产品积压，甚至导致亏损。而高品质钢材供不应求，尚需进口。上述形势如不及时扭转，几年之后，必将招致严重的后果。

    针对上述钢铁工业发展状况，国务院于2005年4月20日审议并原则通过《钢铁产业发展政策》，适时提出了对我国钢铁工业发展的宏观调控政策。指出要按照国务院常务会议提出的指导思想，贯彻落实科学发展观，坚持“三个重在”和“一个根本转变”，即重在增加高附加值产品、提高质量，不能片面追求数量扩张；重在提高产业集中度，加强现有企业的改组改造，不能单纯依靠铺新摊子、上新项目；重在降低消耗，提高企业和产品竞争力，不能依赖消耗资源、污染环境。要坚持走新型工业化发展道路，实现我国钢铁工业从大到强的根本转变，努力建成具有国际竞争力的钢铁强国，增强竞争力，实现可持续发展。

3.目前我国钢铁工业的发展势态上述形势已引起我国高层和部分大钢厂的注意，并纷纷投入大量资金进行结构调整，加快技术改造和新品开发。(1)连铸或连铸连轧工艺的应用 目前各大钢厂已全部采用连铸或连铸连轧工艺代替钢锭浇铸，并施加电磁搅拌技术，使得过去钢板的偏析与夹层缺陷已经基本绝迹。连铸连轧技术2001年已达到95%，已远远超过89%的世界平均水平，达到世界先进水平。(2)冶炼技术得到大幅度的提高 铁液预处理、复合吹炼、炉外精炼等先进炼钢技术的应用，使钢液中的W(S、P、O、N、H)等杂质已大幅度降低。现在不少低合金钢Ws的实物水平都小于0.005%，其中用于油气管道的X70钢，以Ws<0.03%供货。(3)控轧控冷(TMCP)技术的应用 控轧指在更低的温度下停轧，拟制高温奥氏体晶体长大；控冷即轧后立即加快冷却速度，既避免晶体长大，又提高形核率，产生强韧性更高的细小贝氏体或针状铁素体，使碳、氮化物在更低的温度下弥散析出，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10～50μm，超细晶粒钢的晶粒可达0.1～10μm。(4)低合金和微合金高强钢的发展 目前用于造船、桥梁、钢结构建筑、压力容器、低温钢、耐热钢、管线钢等都在向“纯净化、低碳、超低碳、微合金化和控轧控冷”方向发展。低合金(合金含量<5%)和微合金(微合金元素总量<0.2%)高强钢不仅是我国，也是世界钢铁工业的发展方向。其基本思想是：打破传统的C、Mn、Si系钢的设计思想，采用降碳、多种微量元素(如V、Nb、Ti、Cu、Re等)合金化，并通过控轧控冷工艺细化晶粒、提高强韧性，保证综合的力学性能。该类钢种具有如下特征：*，降碳：是为了改善塑性、韧性和焊接性。

     碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。因此，新钢种中都严格控制碳含量，如X70、X80钢中的Wc仅为0.03%～0.04%，有的甚至达到超低碳水平。第二，微合金化技术：通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、Nb、Al、Re等提高强度、改变组织、细化晶粒、净化基体，使钢实现强韧化。第三，高洁净化：通过精炼，清除杂质，净化基体，控制W(S、P、O、N、H)的质量分数，这是90年代的研究热点。钢中杂质S、P、O、N、H的总质量分数从普通钢的W(S+P+O+N+H)<0.025%降到经济洁净钢的W(S+P+O+N+H)<0.012%，并开始研究W(S+P+O+N+H)<0.005%的超洁净钢。采用上述基本思想已经开发出了多种新钢种，如管线钢X60、X70、X80，国外已开发出X100、X120。目前的西气东输采用了X70钢，总长近4000km。(5)新一代钢铁材料的发展 我国于1998年在重大基础研究发展规划(973)中启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”项目，其目的是将占我国钢产量60%的碳素钢、低合金钢、合金结构钢的强度和寿命提高一倍。日本和韩国在1997年也开始了一个历时10年的21世纪结构钢项目。新一代钢铁材料的特色是：超洁净度、超均匀性、超细晶粒，在不增加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高一倍。超洁净度是指钢中W(S+P+O+N+H)<0.008%；超细晶粒是指晶粒直径在0.1～10μm之间；超均匀性是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主导地位。通过上述技术的综合应用，可使钢的强韧性获得大幅度提高。2000年，我国400MPa级和800MPa级超细晶粒钢的研究已取得实质性进展，其中400MPa级超细晶粒钢已开始在生产中推广应用。可以预料，该类钢材的研发成功，将会使我国的钢材生产发生革命性的变革。三、钢铁技术的发展引起的焊接性转变1.钢的焊接性发展合金结构钢的发展，满足了焊接结构多方面的要求，如高强度、耐高温、耐低温及耐腐蚀等，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车及发电设备等领域得到了广泛的应用。上述合金结构钢的优越性能是靠调整钢中碳及合金元素的含量或配以适当的热处理来实现的，碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利的影响。不同钢种所出现的焊接性问题不同，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。为了不断改善合金结构钢的焊接性，国外从20世纪60年代末，国内从80年代就从冶炼入手开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢，并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。2.微合金化钢的焊接性微合金控轧控冷钢的主要特点是高强、高韧及易焊。该钢种由于含碳量低、洁净度高、晶粒细化，因此具有较高的强韧性。所谓易焊是指不预热或仅采用低温预热焊接不产生裂纹；采用大或较大热输入量焊接热影响区不产生脆化。宝钢和武钢生产的微合金控轧钢主要有管线钢、压力容器用钢、桥梁钢等，并在工程上得到了成功的应用。其中管线钢是最早进行微合金化并应用最为成功的范例。对管线钢而言，主要的焊接性问题也是从焊接裂纹和HAZ的脆化问题进行分析。(1)焊接裂纹 微合金控轧控冷钢碳及杂质含量低，如宝钢和武钢生产的X70钢碳含量Wc≤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热输入量埋弧焊制管时，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。

    正是由于管线钢的含碳量低，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。特别是在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，热输入量小，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，冷列问题将越突出(如X80、X100及X120等管线钢)。(2)热影响区的脆化 热影响区的脆化是细晶钢焊接时常发生的问题，一般所用的热输入量越大，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。为防止热影响区的脆化，常采用如下措施：一是在成分上降碳，控制杂质含量，加入少量Ni韧化基体。二是要抑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、NbN、VN等氮氧化物抑制HAZ晶粒长大。三是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，可避免形成晶界铁素体+侧板条铁素体等韧性低的组织，而在奥氏体晶内形成细小的针状铁素体可显著提高韧性。即便采用大或较大热输入量焊接亦不产生脆化。四是采用合适的焊接工艺参数。对一般过热敏感的钢种，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。3.新一代钢铁材料的焊接性由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。(1)焊缝金属的强韧化 焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。对400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性。而对于800MPa级以上超细晶钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。目前，我国及韩国拟开发的与800MPa级以上的超细晶粒钢匹配的焊接材料是无预热超低碳贝氏体焊接材料。(2)热影响区的晶粒长大倾向 对于超细晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。这不仅会造成HAZ的脆化，而且还会导致HAZ的软化。为解决这一问题，应采用激光焊、超窄间隙GMA焊、脉冲MAG焊等低热输入的焊接方法。四、钢铁工业的发展促进焊接材料产业的发展随着我国工业化进程的加快和钢铁工业的快速发展，近年来我国焊接材料产量每年均以几十万吨的速度激增，并与钢材表观消费量的增加几乎成正比的增加。目前我国焊接材料产量约占世界焊材总量的40%左右，真正成为世界首位的焊材消费大国，但并不属于焊材强国。

   近年来钢材表观消费量统计今后的焊材发展态势应注意以下几点：1.焊材产量的进一步增长，焊材结构将进一步调整由于近年来钢材的强劲增势，我国焊接材料消费量仍将持续增长。2003年，我国钢材消费量为2.66亿t，比2000年增长88%。焊材消费量约205万t，比2000年增长86%。2004年，我国钢材及焊材消费量均比去年同期增长17%。预计近两年内我国钢材消耗量将达到3.5亿t，并且随着我国钢结构用钢量的增加，焊接材料消耗量将更大。预计近5年内，我国焊接材料表观消耗量将达到300万t左右。随着焊接技术向高效化、自动化和高质量方向发展，焊材结构将会发生变化。其中焊条比例将下降，焊丝比例将提高。

    近年来这种比例关系已经发生了明显的变化 2003～2004年焊接材料分项统计表焊材品种2003年/万t 2004年/万t相对增长(%)占焊材比例(%)2003年2004年电焊条150 165 10 73 68.7 气保护实芯焊丝30 45 50 14.6 18.8 药芯焊丝4 6 50 2 2.5 埋弧焊丝+焊剂20 24 20 10 10 共计205 240 17 其中焊丝共计54 75 39 26.34 31.25

    1970年国外各发达*，仍以焊条电弧焊为主。当时焊条占焊材总产量的比例，美国和西欧约70%，日本达87%。至1980年，美国和西欧焊条比例已下降到40%，现已下降到20%～30%之间。1982年日本焊条占焊材总量的50%，1990年下降到24%，2002年仅为17.4%。这表明日本的焊条电弧焊一下降到20%一下，80%以上均为自动焊和高效焊接。20世纪80年代，我国焊条比例占焊材总量的90%，1999年焊条占85.5%。进入21世纪后，我国焊条所占比例逐渐减少，由表2可以看出，2003年焊条占73%，到2004年焊条占68.7%，焊丝所占比例已达31.25%。上述数据说明，近年来我国焊材正逐步向结构合理的方向发展。预计2005年钢材表观消费量达到3.5亿t，焊材总量将增加到260万t。其中焊条比例将占65%左右，为165～170万t。各种焊丝所占比例将增加到90万t以上。2.现有焊材品质的提升我国不仅是钢材产量大国与钢材消费大国，而且也是世界上头号焊材产量与焊材消费大国。但现有焊材品种，普通焊材较多，高品质焊材较少，大部分高品质焊材还需依赖进口。因此，我国的焊材行业要根据市场发展的需求，不仅要进行产品结构的调整，而且要不断提升焊材的品质及规格，以适应市场的要求，并提高在国际市场竞争的能力。比如：气保护实芯焊丝应向低飞溅、高性能、多品种方向发展；药芯焊丝应向宽电流、低尘、低飞溅、快速焊方向发展；埋弧焊用焊丝和焊剂应向高效率、多品种、高韧性方向发展；焊条、焊丝均应随着新型钢种的发展进行配套发展。3.微合金控轧钢焊接材料的开发钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化、细晶化和强韧化。但由于焊缝金属不能采用控轧控冷措施实现“细晶化”和“超细晶粒”，也不能出现钢材轧制时的形变强化，难以在相近化学成分下实现焊缝与母材的强韧性匹配。因此目前常用的焊接工艺与焊接材料将不适用于低碳微合金化控轧钢，更不适用于21世纪新一代钢铁材料，这就需要对常用焊接材料及工艺实现重大变革。根据国内外的研究，适用于微合金化细晶钢和新一代钢种的新型焊接材料应该是高纯洁度的针状铁素体或低碳贝氏体(ULCB)焊接材料。这种焊接材料具有较高的强韧性，尤其是ULCB焊接材料为获得高强、高韧及高质量焊缝金属提供了潜在的可能性。ULCB的特点是其强韧性对冷却速度不敏感，只是化学成分的函数，因此，焊缝能够在较宽的热输入范围内保持高的强韧性，可以提高熔敷效率。另外，由于ULCB采用了超低碳，抗氢致裂纹的能力很强，所以可不预热焊接而不产生裂纹。显然，由于焊接冶金的不平衡性，要想使焊缝金属的洁净度达到洁净钢的水平相当困难。但可在以下几方面进行工作：(1)焊接原辅材料的洁净化 焊接原辅材料中的主体是盘条或钢带，可以通过上述冶炼技术实现净化。目前武钢生产的盘条钢其洁净度达到：Ws≤0.005%，Wp≤0.01%,钢中的脆性夹杂物<1级，达到了国际先进水平，可以用于洁净钢的焊接。同时，还应严格控制其它原辅材料中的杂质含量。

(2)焊接冶金反应中的洁净化 焊接过程中进行着激烈的化学冶金反应，利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮及除氢是目前焊接材料中普遍采用的洁净化技术。因此，在焊接材料的研究中，应优化配方及工艺参数，尽可能使净化反应进行的比较完善。4.高科技新型焊接材料的发展趋势随着我国工业化步伐的加快和新钢种的不断开发应用，对焊接材料的要求越来越高，应该不断提高现有焊材品质的同时，开发多种新型焊材品种，以满足现代化建设的需求。(1)开发高钢级管线钢(如X70、X80、X100、X120等)用新型焊接材料，包括气保护和埋弧用实芯焊丝、自保护药芯焊丝。(2)开发适于大型储油罐(*一期工程162个10～15万立方米的大型石油储罐)用的高强度(屈服强度≥490MPa)、厚板(20～45mm)大热输入量用焊条、实芯焊丝和药芯焊丝。(3)新一代微合金化耐热钢(如T91/P91、T92/P92、T23/P23等)用焊接材料。(4)与21世纪新一代钢铁材料超细晶粒钢配套的新型焊接材料。(5)超低碳贝氏高强钢(600～1500MPa)用焊接材料。超低碳贝氏高强钢具有高强、高韧、焊接裂缝敏感性小等优点，在一定材料工艺下，焊前可不预热，但焊缝在该强度级别下容易开裂。(6)对现有不锈钢焊接材料进行品质提高。对于质量要求高的重要场合用不锈钢焊条仍需进口。除国内焊接材料厂家需要提高技术水平以外，原材料厂家(包括焊丝及原辅材料)还应提供高质量的原辅材料。同时应开发双相不锈钢配套的焊接材料和“节镍”、“含氮”的不锈钢焊接材料，以缓解我国镍资源的严重不足。五、结语由上述可知，钢铁工业的发展，对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的机遇和挑战。可以预测，21世纪焊接方法和焊接材料都将发生重大的变革。尤其近10年内，各大型企业应“顺势而为”，集中人力、物力和技术力量，加大科研开发力度，开展产学研结合，为21世纪新型焊接技术和焊接材料的变革奠定良好的基础。