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1.前言

 
　　使用厚钢板制作的焊接构件涉及船舶、桥梁、建筑、大口径管道管、压力容器和建筑机械等许多领域。对于这些焊接构件的安全性、设计的最佳化和制作成本的最低化已提出了许多要求，尤其是对降低寿命周期成本等的要求已逐年变得严格起来，同时用于制作这些焊接构件的厚钢板的性能也有很大的提高。

 
　　厚钢板所要求的特性有强度(屈服强度和抗拉强度)、韧性、焊接性、耐蚀性和抗疲劳特性等。强度、韧性和焊接性是厚钢板的三个典型特性。一般说来，这三个特性彼此并存是二律背反，因此开发的重点就是要如何充分利用这些特性，使其最大限度地得到兼顾提高。

 
　　本文就最近几年日本已开发应用的厚钢板和正在开发的新型厚钢板，从强度、韧性、焊接性、耐蚀性、抗疲劳特性和形状等方面进行了归纳。虽然主要介绍的是厚钢板的特性，但对为实现这些特性而采用的具有独特特征的异性变反应性、生产技术和生产设备的改进也进行了介绍。另外，对厚钢板今后开发的发展趋势进行了评述。

 
　　虽然本文介绍的比较笼统，但厚钢板的开发及构件制作所需的焊接材料和焊接技术的开发当然也是自不待言。最近还有的是把厚钢板和焊接材料结合起来进行开发的。

 
2.厚钢板向高强度化发展的趋势

 
　　为提高厚钢板的强度，采取了以微合金化为主的成分设计和控制轧制·快速冷却(TMCP)或直接淬火回火(DQ-T)法等工艺相结合的方法进行开发。结果，能使厚钢板的成分设计做到碳当量(Ceq)或焊接裂纹敏感性指数(Pcm)比过去更低，因而既提高了强度，又提高了韧性，同时能省略焊接时为防止低温裂纹而进行的预热或减轻低温裂纹，而且还能提高焊接部的韧性。

 
　　快速冷却是TMCP技术的基础之一，于1980年开始被采用，但最近在冷却开始的同时实现导热系数高的泡核沸腾现象的水冷却技术已开始应用于实际，实现了高的冷却性能和良好的冷却停止性能。

 
2.1  TS570MPa级厚钢板

 
　　在桥梁建造行业主要使用TS400～490MPa级厚钢板，为适应主桁梁断面由1个构件1个断面构成的合理化桥梁，根据1996年道路桥梁设计施工规范的修订，可使用的钢板厚度扩大至100m。结果，高TS(570MPa级)且板厚度厚的钢板很快就被实际使用。其代表性钢种为超低碳贝氏体钢和形变热处理贝氏体钢。文后表1示出这两种钢和以往钢化学组成的比较。在Pcm低于0.20％时，能生产 80mm以上的超厚钢板，还能省略焊接时的预热。

　　超低碳贝氏体钢是—种已应用于实际的焊接构件用厚钢板，其特征是碳含量只有以往钢的大约1／10以下，这是前所未有的超低含碳量，在此基础上通过选择微合金化元素和优化添加量，形成了控制相变温度的超低碳贝氏体单相组织。这种钢在加热温度超过Ac3后的冷却过程中，当冷却速度范围大时，超低碳贝氏体组织保持不变，结果硬度基本保持不变。在冷却速度低的区域，由于硬度比以往钢的高，因此利用轧制后的空冷工艺能够生产 TS570MPa级厚钢板。另一方面，在冷却速度高的区域，与以往钢相比，它能控制硬化能，确保小线能量焊接时不产生HAZ(焊接热影响区)的硬化和良好的抗焊接裂纹性，同时能消除因钢板内冷却速度差而产生的显微组织变化所造成的强度偏差。另外，由于贝氏体单相组织含碳量极低，因此母材和焊接部的韧性良好，同时也有利于抑制大线能量焊接时HAZ的软化。

 
　　另一方面，形变热处理贝氏体钢由于添加了Nb，因此能进一步强化以往利用对未再结晶区域进行轧制的 TMCP法，通过对奥氏体区进行强压下轧制，会导入许多位错，并在轧制后的急冷过程中将这种位错一直保持到相变后为止，从而能提高强度。与此同时，由于贝氏体组织群的细化，也有助于提高韧性。

 
2.2 TS780和980MPa级厚钢板

　　作为强度更高的厚钢板有板厚为34mm的桥梁用TS780MPa级厚钢板，它能降低焊接时的预热温度。当钢的组成Pcm小于0.23％时，采用DQT工艺，利用硼的淬火性可以确保因马氏体组织而形成的高强度和高韧性。另外，还开发了采用时效热处理工艺来强化基质组织中细Cu的时效析出的技术。不论在何种情况下，防止低温裂纹的预热温度已能从以往的100℃以上降低到50℃，它已应用于世界最长的吊桥——明石海峡大桥的加劲梁。

 
　　另外，最近已把前节所述的超低碳贝氏体组织应用于780MPa级钢，还开发了采用非调质(无热处理)处理且低温韧性和焊接裂纹性良好的TS780MPa级50mm厚的厚钢板，它有望在不远的将来应用于实际。

 
　　在建筑构件领域，新的抗震设计法以大地震时梁的一部分发生塑性变形为设计前提，因此塑性变形区域容易扩大的低屈服比(YP)成为了重要的要求特性。为降低钢的YP，将显微组织变成硬质和软质的多相组织是很重要的，在淬火后进行回火的RQ—T法和最近将最初的淬火作为直接淬火法的DQ-Q’-T法也已应用于在淬火后对二相区域的再加热，使YP低的TS590MPa级钢(SA440)得以应用于实际。尤其是还开发了Ceq和Pcm比以往还要低的最大厚度达100mm的TS780MPa级厚钢板，防止低温裂纹的预热温度也从125℃下降到75℃。

 
　　另一方面，在土木工程领域，随着电力需求的增大，扬水发电所开始向大容量、高落差化方向发展，结果对高压输水管下部的分歧部要求必须使用厚度为 100mm～150mm的TS980MPa级钢板。随着钢板的高强度化和厚壁化，确保至板厚中心部有均质强度和韧性已成为一个课题。为能既确保高的韧性，又提高淬火性，因此控制Ni的添加量和利用Nb使轧制时和再加热时的晶粒细化是很重要的。与此同时，优化反复淬火回火或直接淬火回火的生产工艺可以达到低成分化的目的，从而开发了将焊接时防止低温裂纹的预热温度降低到大约100℃以下、最大厚度200mm的TS980MPa级厚钢板，目前除了应用于瑞士的扬水发电所外，还应用于日本国内的扬水发电所。

 
3.厚钢板的高韧性化

 
　　从提高焊接构件安全性的观点来看，厚钢板的韧性是非常重要的。此时用于提高焊接部和母材韧性的异性变反应性从原理上来看是相同的，但所要求的目的不同。焊接构件发生脆性断裂的部位大部分是在焊接处，因此从防止发生脆性断裂的观点来看，对焊接处的韧性提出了要求。作为所要求的韧性，不仅要求有能够比较简单就求出的夏氏韧性值，而且在许多情况下还要求有根据破坏力学求出的CTOD(Crack  tip·Opening displacement：裂纹顶端张开位移)值等。另一方面，对母材的韧性要求主要是基于使焊接处发生的脆性断裂停止向母材传播的观点。

　　作为提高焊接部和母材韧性的异性变反应性的方法是细化晶粒和添加Ni等。尤其是为细化晶粒，广泛进行了以进一步捉高焊接处和母材的韧性为主的研究开发。另外，最近还根据阪神淡路大地震造成建筑物倒塌的事故分析，研究了因地震等原因造成焊接构件出现大变形或焊接构件受到动载荷时出现断裂的原因和所要求的韧性值。

 
　　对于焊接处的韧性要求大部分是指焊接构件，作为对韧性要求特别严格的例子是海洋构件用厚钢板。从防止焊接构件发生断裂的观点来看，要求焊接热影响区 (HAZ)的CTOD值要高。另外在近年来的能源开发中，焊接构件的使用温度已从以往的在北海等区域的使用温度-10℃左右下降到最近具有代表性的在库页岛海上工程使用温度为-40℃以下的环境中。为提高在这种低温环境下的HAZ韧性，因此从减小脆化组织、细化晶粒等观点来看，进行了以TMCP的应用为前提来优化组成和工艺的开发，结果开发出了能在-40℃以下环境中使用、焊接处韧性好、屈服强度为350MPa级和420MPa级的海洋构件用厚钢板。

 
　　在造船领域，即使发生脆性破坏，为使船舶的损坏降到最小程度，有时要求母材具有脆性裂纹传播停止性能(停止性能)。表面超细粒钢板是一种采用低成本就能提高脆性裂纹传播停止性能的厚钢板，它以钢板表层部作为2以下的超细粒铁素体组织，可以提高表层部的断裂韧性值，即使裂纹扩展，也能使表层部形成大的传播阻力停止裂纹的传播。在厚板轧制过程中，通过对厚钢板进行强制冷却使表层部暂且转变为铁素体，然后利用钢板内部的显热，在表层回流复热过程中进行再轧制，利用再轧制后铁素体的再结晶就能形成这种表层部的超细铁素体组织。

 
4.大线能量焊接用厚钢板

 
　　在焊接构件制作中提高焊接效率是主要课题之一，以造船和建筑为中心，研究了焊接能量增大后提高焊接效率的问题。尤其是最近随着构件的厚壁化和高强度化，大线能量焊接化的趋势越来越强。例如集装箱船由于甲板开口部大，因此船侧上部必须使用厚壁高强度厚钢板以确保整个船的强度，最近在超过6000TEU的大型集装箱船中使用了最大板厚65mm、屈服强度390MPa级厚钢板。在船坞建造工程中采用了二氧化碳气体保护电焊法进行高效率的一焊道焊接施工，其输入热量为40~50kJ／mm的大线能量。另外，在建筑领域正在采用电渣焊法，这是一种输入热量高达100kJ／mm的超大线能量焊接。

 
　　采用大线能量焊接时，控制在高温下长时间暴露的厚钢板HAZ的显微组织，确保高韧性是最大的课题，对此以前就进行了研究。作为采用大线能量焊接后的HAZ组织控制的重点就是要抑制在高温下粗大化的奥氏体晶粒的生长和细化奥氏体晶粒内的组织。

 
　　前者是一种通过使高熔点的晶粒在钢板中细化弥散能有效控制奥氏体晶界的方法，利用这种方法开发了TiN或REM(O、S)等弥散的钢。后者是利用BN、MnS、Fe23(C、B)6或Ti203等元素的作用，开发了具有铁素体核生成能的晶粒利用技术。作为其代表例是氧化物异性变反应性。即，使具有针状铁素体生成能的钛氧化物在钢中细化弥散，它可用于控制焊接金属的组织，由此可使HAZ生成晶内铁素体。采用这一技术时，在焊接过程中MnS会析出到氧化物上，结果在氧化物的周围形成了Mn的稀薄带，由此能使氧化物上的晶内铁素体容易析出。

 
　　利用这些HAZ显微组织控制技术，开发了造船用大线能量焊接用厚钢板和适应电渣焊能进行超大线能量焊接的建筑用厚钢板。

 
5.大口径管道管用厚钢板

 
　　随着在寒冷地区和包括深海区域在内的海底气体和油田开发的加快，因此管道的敷设和使用环境及输送的石油和天然气的特性变得多样化起来。结果，对采用UOE工艺将厚钢板加工成大口径管道管的特性要求也涉及了许多方面，如基于对降低敷设和操作成本的考虑，要求厚钢板的强度要比原来的高；基于良好的现场焊接性和安全性的考虑，要求厚钢板的低温韧性要比原来的好；用于海底管道管的厚钢板应是壁厚且具有良好的耐酸性等。在每个工程中由于要求管道管必须做到短期内大量供货，因此一般是采用订货至交货间的时间短的非调质工艺进行生产。随着高级管道管用厚钢板的发展，前述的TMCP技术也得到进一步提高。

 
　　关于高强度化，目前使用的最高强度为X80(API标准，屈服强度为=80ksi=560MPa)。对于X100管道管，欧美正在积极进行应用高强度材生产的研究。这是一个欧美共同研究的项目。而且，根据最新版的CSA介绍，相当于X100的Gr690的标准已在2002年制定，在加拿大的管道管工程建设中虽然只有部分使用长度在1km长，但已达到实用化的程度。

 
　　今天，在日本国内对高强度管道除了要求具有高强度和高韧性外，还要求在发生大地震时具有抗震性和变形吸收能。为适应这些特性要求，开发了抗震管道管，这种开发管通过控制厚钢板的显微组织形成连续屈服型，且n值高的s—s曲线，由此实现了高的压曲性能。

 
6.新型耐候性厚钢板

 
　　近年来，桥梁维护量的最小化已引起人们的关注。作为满足这一技术的要求是使用无涂漆的耐候性厚钢板。耐候性钢板在无涂漆的状态下经过长年使用后表面会形成保护性的锈，可以抑制腐蚀。使用普通钢进行涂漆保护的桥梁平均每10年就要重新涂漆一次，而使用耐候性钢则无需花费涂漆费用，因此使用数年后可以减少累计成本，以使用40年来计算，可以减少累计成本37％。但是，使用无涂漆的耐候性钢要求飞来盐份的容许值应在 0.05mdd(mg／dm2／日)以下。

 
　　最近，已开发了即使在飞来盐份含量超过0.05mdd，也能在海滨地域使用的新型耐候性厚钢板。文后表2示出开发的新型耐候性厚钢板的成分和相当于JIS耐候性钢的成分标准。关于这些厚钢板在海滨地域使用中具有良好耐候性的详细机理已引起人们的关注，尤其是添加Ni的有效性更加引起人们的关注。添加Ni后可以使钢板表面形成的锈变得致密起来，结果它能抑制Cl离子侵入铁素体中。目前，各钢铁生产企业和研究机构正在对飞来盐份含量等环境因素发生变化后的无涂漆裸露钢板进行裸露腐蚀试验，另一方面这种也正开始应用于实际桥梁，其今后的普及使用已是指日可待。

　　在耐候性钢裸露使用的情况下，在保护性锈形成之前这段期间，从锈的色调和均匀性这一来看，有时外观并不一定好看。另外，包括因腐蚀生成铁离子在内的雨水有时会使混凝土等产生着色。为减轻这种污染和使外观好看，已开始开发在实际使用上能形成良好保护性锈的锈稳定化处理技术。最近还开发了使保护性锈能早期形成的锈稳定化处理技术。

 
7.控制残余应力的厚钢板

 
　　最近开发了用于处理用户在对厚钢板进行切割和焊接等施工时发生钢板变形的处理技术。采用TMCP生产的厚钢板由于其生产过程中产生的残余应力会导致钢板形状出现不良，这是一个屡次出现的问题。采用TMCP生产的厚钢板的残余应力一般是由于加热、轧制和快速冷却工序中温度的不均匀分布而产生的，依靠目前的技术水平来完全控制温度分布使残余应力均匀是很困难的。因此，开发了采用TMCP生产的残余应力控制型厚钢板，它是从硬件和软件两方面对TMCP工序中发生的残余应力进行综合控制。

 
8.控制形状的厚钢板

　　作为近年来合理化桥梁的建造方法是主桁梁断面由 1个构件1个断面构成，由此能减少焊接施工量。LP钢板 (Longitudinally profiled plate：纵向异形钢板)通过使板厚沿纵向变化，可应用于凸缘或腹板加工，使桥梁的构造更加合理化。使用LP钢板后不仅可以减少钢材的重量，而且通过连接处的厚度均匀化，还可以改善焊接操作性，如省略垫板和锥度加工等。LP钢板是在厚板轧制时使厚钢板的纵向厚度发生变化，因此需要采用油压式控制技术来控制板厚精度。另外，应用TMCP还可以生产具有各种纵向断面形状的LP钢板。

 
9.适用于激光焊接的厚钢板

 
　　最近10年左右，随着大功率输出的激光振荡器的快速发展，开发了以厚钢板为对象的激光焊接和电弧焊接并用的混合焊接技术，尤其是对激光焊接处的组织、材质和疲劳特性等开始进行了研究。

 
　　采用激光进行厚钢板焊接时，由于母材熔融凝固后会变成焊接金属，因此提高这一部分焊接金属的韧性是激光焊接应用于实际的课题之一。在采用Ar或He等惰性气体进行密封的普通激光焊接时，Ceq低的厚钢板可以抑制焊接金属因马氏体而产生硬化，从而获得高的韧性。另一方面，还开发了提高焊接金属韧性的方法，它是把以普通电弧焊接时因夹杂物而生成的针状铁素体来控制组织的方法应用于激光焊接。由于在焊接金属中有微细氧化物的导入，因此在母材中添加Ti，用混合氧的密封气体进行激光焊接可以控制焊接金属中的氧化物量，并获得微细的针状铁索体组织，而且韧性也好。#p#分页标题#e#

 
　　在厚钢板的激光焊接时抑制硼等造成的焊接缺陷也是一个重要课题。如果将激光切割面不做处理就进行对接激光焊接，切割面氧化层的氧和钢板中的C在焊接时会发生反应形成CO或CO2气体，导致气孔的发生。这种气孔发生频率的增加与反应平衡状态中钢水中的碳活度(ac)和氧活度(ac)的积有关。因此，为抑制气孔的发生，提出了采用控制Al和Si等脱氧元素添加量的低碳厚钢板的方法。

10.提高厚钢板和焊接接头疲劳强度的技术

 
　　即使提高钢的屈服强度，其焊接接头的疲劳强度一般也不会提高。它妨碍了高强度钢应用于焊接构件的疲劳设计。最近，利用焊接金属的相变膨胀，开发了提高疲劳强度的技术。

 
　　在使用普通焊接材料的情况下，焊接金属在500℃左右时会发生相变膨胀，其后随着温度的下降会出现热收缩，因此焊接处在常温下会变成残余拉伸应力。另一方面，如果把焊接材料的马氏体相变温度(Ms点)控制在常温附近，冷却会在伴随马氏体相变的膨胀过程中结束，因此在焊接处有压缩的残余应力被导入。

 
　　根据这一效果，开发了低温相变焊接材料(Fe-10％Cr-10％Ni焊丝)。SM490A厚钢板的方角焊接接头中的残余拉伸应力在采用低温相变焊接材料进行焊接时，在焊缝边界周围残余应力会急剧减小，这与以往的焊接材料不同(JIS YGW-23)。采用低温相变焊接材料进行焊接的接头，其疲劳强度得到大幅度提高，今后有望应用于实际。

　　但是，最近的研究报告指出，在晶粒微细的铁素体·贝氏体双相组织钢中疲劳龟裂进展的速度能够被抑制住。与以往钢的铁素体·贝氏体钢相比，开发钢抑制疲劳龟裂进展速度的效果更好。作为抑制这种疲劳龟裂进展速度的机理有诸如抑制相边界龟裂的进展等。

 
11.未来的发展趋势

　　如上所述，最近焊接构件用厚钢板的发展非常显著。今后这种发展趋势仍将继续下去，但为了实现进一步的发展，以下所述的观点是很重要的。

　　 第一，以不受材料限制为前提的设计试验的重要性。以这种观点进行构件设计试验时，有可能对厚钢板提出新的材质要求，这成为了推动材料开发和所需工艺开发的推动力。建筑用低屈服比高强度厚钢板可以说就是一例。高层建筑构件中的极限屈服强度设计对钢材提出了塑性屈服后的材质特性要求，这是以往钢材没有要求的。结果，开发出了低屈服比高强度钢板。使用已开发的低屈服比高强度厚钢板不仅可以降低高层建筑的建筑成本，而且安全。

 
　　第二，从构件的总成本和寿命周期成本最小化的观点来看设计、材料开发、施工技术和维护管理技术融合的重要性。前述的焊接材料及焊接技术和厚钢板的关联开发是材料开发和施工技术融合的例子，而且从寿命周期成本最小化的观点来看，桥梁用耐候性厚钢板的开发是设计、材料开发和维护管理技术融合的例子。后者在桥梁的设计建造中由于使用耐候性厚钢板，因而实现了桥梁钢构件无需维护的目标，如果从使用100年时间的寿命周期成本来评价，可以减少巨大的维修费用。

 
　　第三，对地球环境的考虑。在汽车和家电等领域，由于考虑到环保，要求减少CO2的排放。为提高钢的强度、减少有害物质的排放，因此无铅、无铬化的技术开发愈演愈烈，钢铁行业也正在进行考虑这些因素的材料开发。这种钢材(也称之为绿色钢材)开发的必要性虽然在以焊接构件为对象的行业还不明显，但它是今后必须考虑的课题。基于这一观点，除了提高材料强度外，还应利用材料的循环使用性和TMCP技术尽量减少业已枯竭的资源——稀少元素的添加。

 
12  结束语
 

　　本文以最近开发或正在开发中的厚钢板及相关技术为例进行了概述。这些厚钢板许多都满足了各行各业建设中基于社会环境和技术发展潮流的需要，随着生产技术的提高，正在适时开发各种厚钢板。

 
　　在继续开发厚钢板的同时，今后将总成本和寿命周期成本最小化以及绿色钢材的使用必将越来越重要，这些都涉及到对新设计材料的新要求和设计·材料·施工·维护管理这一套新的设计理念。

责任编辑：米阳