近年来，创新性厚钢板得到开发，除用于满足更优良的指标，包括抗拉强度、低温韧性、疲劳性能外，还要适应结构和设备大型化及所需钢板厚度更大的需求。因此，非常有必要与厚钢板新产品同步开发出适用于母材的焊接材料和焊接技术。最近开发的厚钢板新产品包括造船用高强钢、耐低温钢、耐蚀钢、耐火钢等，同时，相应开发了适用于特厚钢板的低温相变焊接材料以及高效焊接工艺。

1前言

用厚钢板制造船舶、桥梁、工程机械、储罐等，焊接是不可缺少的制造工艺。为发挥出厚钢板具有的性能，要求焊接接头具有与钢板基本相同的性能。焊接接头的性能决定着焊接结构的性能。随着钢结构向大型化发展，对钢板的特性要求越来越多样化和高标准化。这些特性有高强度、大厚度、更低温下的韧性、更恶劣环境下的耐蚀性。一般来说，使用通用型焊接材料对具有特殊性能厚钢板进行焊接时，厚钢板的特殊性能不能充分发挥。因此需要开发新的特殊性能厚钢板专用焊接材料。此外，厚钢板用户还有高效率大线能量焊接、降低高强钢焊接预热温度、提高焊接区疲劳强度等多方面要求。

为此，新日铁住金对厚钢板和专用焊接材料进行一体化开发。并向用户提供最适合的焊接方案，为用户进行焊接技术和焊接材料开发，满足用户的多样化需求。

2造船用钢焊接材料和焊接技术开发

EH47是超大型集装箱运输船用高强度钢，具有良好的抑制脆性断裂发生和抑制裂纹扩展（止裂性）的性能。在EH47厚钢板的实际应用中，厚钢板之间的高效率焊接是一个重要问题。仓口纵壁、船体外板之间要实施立向焊接，过去一直采用高效率CO2气体保护电弧焊（EGW）。此外在进行平焊、角焊时，采用CO₂保护电弧焊进行多层焊接。

用于超大型集装箱船EH47钢的焊接材料必须具有与母材相同的良好的抑制脆性断裂发生和抑制裂纹扩展（止裂性）的性能。为此开发出CO₂气体保护电弧焊用无缝管焊丝（NSSW SF-47E）。在EGW方面，开发出效率更高的双电极VEGA^?（振动电弧焊）焊接技术和该焊接法使用的EH47钢专用焊接材料。这些焊接材料和焊接技术取得了焊接施工的认可，三菱重工于2007年采用EH47钢进行了系列船舶制造。

双电极VEGA焊接法是配置两个焊炬，两个焊炬往复移动进行自动立焊。两个焊炬往复移动使焊接热能均匀化并可抑制熔合不良等焊接缺陷。此外，为防止电极接近时磁场对焊接电弧的干扰，将两个电极反极性配置，并调整电极间距。双电极VEGA焊接法的焊接效率是传统单电极VEGA焊接法的2倍，是CO₂气体保护电弧焊的8倍（图1）。

焊缝金属强度和焊接热影响区（HAZ）强度的匹配对于保证双电极VEGA焊接法焊接EH47钢板（厚度50-70mm）的焊接接头脆性断裂特性（Kc）具有重要作用。过去已知焊接热影响区Kc值和夏比冲击吸收功有一定的关系。但在EH47钢板大线能量焊接时，当焊缝金属和母材的硬度（强度）比α超过1.2时，实际焊接区断裂韧性值大大低于根据夏比冲击吸收功预测的断裂韧性值（图2）。FEM解析结果表明，焊接熔合线局部应力增加导致焊接接头Kc值下降。根据上述结果，为保证EH47钢焊接接头断裂韧性，提出了控制EH47焊缝金属硬度（强度）上限值的焊接规定，这一规定是以前没有的。新开发的EH47钢双电极VEGA焊接材料NSSW EG-47T，根据上述焊接规定，通过淬透性最佳化和组织针状铁素体化，充分达到焊接接头要求的强度和韧性，并且通过焊缝金属硬度的弱匹配，保证了焊接接头的Kc值。

3高效率大线能量焊接技术开发

目前钢结构出现大型化、所用钢板厚度增加的趋势。由于要对厚钢板进行多层焊接，不仅增加焊接道次和时间，而且增加了产生熔渣卷入等焊接缺陷的可能性。在船用厚钢板焊接的1道次立焊EGW中采用了双电极VEGA法。双电极法适用钢板厚度上限是80-90mm。为了对厚度更大的钢板进行高效率焊接，开发出最大适用厚度为100-200mm的四电极VEGA焊接技术。

图3是四电极VEGA焊接技术的模式图。四电极VEGA焊接的钢板内外侧各有两个焊接电极分别进行钢板1/2厚度的焊接。确定适宜的坡口根部间距和钝边，可以防止钢板厚度中心的熔合不良。观察四电极VEGA焊接的100mm厚钢板和200mm厚钢板焊接接头断面的宏观组织发现，厚度为200mm钢板的1道次焊接，在全厚度范围内也没有产生焊接缺陷，获得良好的熔深。

4低温用钢焊接材料

当前，原油开采向北极、北海等寒冷地域推进，相应地，对原油开采用钢的低温性能要求也不断提高。为防止低温下使用的钢结构发生脆性断裂，保证焊缝金属良好韧性和保证钢材韧性同样重要。保证焊缝金属良好低温韧性的重要方法是焊缝金属组织微细化。20世纪80年代开发出将Ti氧化物等微细粒子作为相变核心的奥氏体晶内转变技术。采用该技术，使590MPa级以下的高韧性焊接金属组织成为针状铁素体。由于针状铁素体是大倾角组织，使裂纹扩展的断面单元微细化，从而获得高韧性焊接金属。

新日铁住金开发出利用晶内转变的高韧性焊接材料（NSSW Y-3Ni×NSSW NB-55LS）。该焊接材料已用于各种LPG船的建造。例如，使用该焊接材料的10kJ/ mm大线能量埋弧焊焊接接头的在-70℃下的2mmV形缺口夏比吸收功达到100J以上。此外，还开发出具有-50℃止裂性的LPG油罐用手工电弧焊焊条（表1）

5高强度钢焊接材料

工程机械用钢正在向高强度化发展，抗拉强度从590MPa级到780MPa级（WELTEN^?780），并进一步向950MPa级（WEL-TEN950）和980MPa级（WEL-TEN980）发展。

强度在590MPa级以下的焊缝金属的基本组织是针状铁素体。针状铁素体组织保证了590MPa级以下的焊缝金属的强度，但不能保证780MPa级以上的焊缝金属的强度。保证焊缝金属强度为780MPa级以上的组织是细贝氏体。为实现780MPa级以上焊缝金属的高强度和高韧性，应使焊接金属组织微细化和降低焊缝金属中的氧含量。

上述高强钢的焊接材料有：手工电弧焊焊条（NSSW L-100EL）、埋弧焊焊接材料（NSSW NB270H×NSSW Y-100）、CO₂保护电弧焊实心焊接材料（NSSW YM-100A）。这些焊接材料特别适用于950MPa级、980MPa级高强钢的焊接。表2是开发焊接材料的焊缝金属强度、韧性的实例。各个实例都显示出具有要求的高强度和良好的低温韧性。

此外，新日铁住金开发出适用于780MPa级钢的CO2保护电弧焊药芯焊丝（FCW）NSSW SF-80A。这种焊丝不仅具有一般药芯焊丝的各种焊接位置优良焊接性和高焊接效率，而且具有无缝管药芯焊丝技术特点。普通药芯焊丝是将规定的焊剂填充在金属外皮内制成的焊丝，金属外皮有接缝（间隙），无缝管药芯焊丝在制造过程中用电焊方法将金属外皮接缝焊合，因此可以进行高

温脱氢处理和镀铜等湿式处理。焊接后可获得耐吸湿性、耐锈蚀性良好的低氢型焊接金属。此外，NSSW SF-80A由于经过高温脱氢处理，可以降低焊接的预热温度。

6建筑用钢焊接材料

建筑结构用耐火钢（NSFR^?系列钢）的600℃屈服强度（F值）大于2/3常温屈服强度。因此采用耐火钢可以实现无耐火涂层钢结构。用耐火钢制造钢结构时要进行SMAW、FCAW、SAW、ESW（电渣焊）等各种方法的焊接。新日铁住金开发出适合各种焊接方法的焊接材料并达到实用化。表3是490MPa级耐火钢GMAW、FCAW焊缝金属的力学性能实例。各个焊接实例的焊缝金属600℃屈服强度都远高于钢材F值的2/3，并且具有良好的0℃、2mmV型缺口夏比冲击特性。

7耐蚀钢焊接材料

7.1 S-TEN^?1钢焊接材料

S-TEN1是具有优良耐硫酸和盐酸腐蚀性的低合金耐蚀钢。为最大限度发挥S-TEN1的耐蚀性特点，焊接接头部位的耐蚀性应与母材相当。为此，应开发出S-TEN1钢专用焊接材料。表4是S-TEN1钢专用药芯焊丝NSSW SF-1ST焊缝金属成分分析值。由于NSSW SF-1ST中不含大量的Cr、Ni等合金元素，所以不易发生低温焊接裂纹和高温焊接裂纹，具有优良的焊接性。

制 作S-TEN1钢 与NSSW SF-1ST的焊接接头试样和SS400与普通药芯焊丝NSSW SF-1的焊接接头试样。将两种试样在80℃、浓度为10.5%的盐酸和40℃、浓度为20%的硫酸中浸渍24h后观察试样断面形貌。可以看出，NSSW SF-1ST焊接接头在盐酸环境、硫酸环境下具有等于或好于母材的优良耐蚀性。除了NSSW SF-1ST，新日铁住金还开发出S-TEN1用手工电弧焊焊条NSSW SF-16M、TIG焊接焊丝NSSW YT-1ST、埋弧焊焊丝和焊剂NSSW YT-1ST×NSSW NB-1ST等各种焊接材料，这些开发焊条的应用范围可以扩大到含氯离子的酸性气氛环境。

7.2 NSGP^?-1钢焊接材料

NSGP-1钢是新日铁住金开发的油罐底板用高耐蚀钢。在无涂装情况下，NSGP-1钢的耐蚀性是传统钢耐蚀性的5倍以上，并具有良好的焊接性和加工性。日铁住金焊接工业公司开发的NSGP-1钢专用药芯焊丝NSSW SF-1·GP和NSSW SM-1F·GP是无缝管型药芯焊丝，具有焊接烟尘少、飞溅小等良好的焊接作业性，以及焊缝金属氢含量低的特点。同时焊缝金属具有与母材等同的耐蚀性。

8焊接材料应用技术和解析技术

8.1低温相变焊接材料

在提高焊接区疲劳寿命方面，新日铁住金开发出给焊接区附加残余压缩应力的超声波冲击处理（UIT）技术和利用相变对焊接区附加残余压缩应力的低温相变（LTT）焊接材料。单独或组合使用这些技术，可以提高钢的疲劳寿命。此外，新日铁住金还开发出抑制疲劳裂纹扩展的阻止疲劳裂纹（FCA）钢。普通焊接材料的组织转变在高温下发生和结束，转变后的热收缩使焊缝金属和焊趾产生拉伸残余应力。LTT焊材通过成分调整，降低了焊缝金属转变开始温度，转变膨胀时产生的压缩应力一直残留到室温，残余压缩应力提高了焊缝金属的疲劳强度。

图4是LTT焊接材料角焊接头试样。部件角部焊接区是应力集中严重的部位，角部焊接区的疲劳强度决定着焊

接结构整体的疲劳强度。图4的试样是在正常焊道焊接后，用LTT材料进行附加焊道焊接。用该试样评价LTT附加焊道对试样疲劳强度的影响。使用的LTT焊接材料是Ni含量为10%的手工电弧焊焊条NSSW N-19（相变开始温度350℃）。图5是疲劳试验结果。将500万次负荷不产生疲劳裂纹的应力作为疲劳极限。可以看出，由于使用LTT焊接材料，试样的疲劳极限大大提高，在低应力侧，LTT焊材试样的疲劳极限达到日本钢结构协会（JSSC）2级以上。LTT焊材适用于易发生疲劳裂纹的焊趾。例如，在多层焊的最上层焊趾附加LTT焊道，可以提高焊接部位的疲劳强度，并且这种方法简便、经济。LTT焊接材料与UIT结合将会产生更大的提高疲劳强度效果。

LTT焊接材料有手工电弧焊焊条NSSW N-19、CO₂保护电弧焊药芯焊丝NSSW SM-10N。这些焊接材料的主要合金成分是10%Ni。与传统焊接材料相比，这些焊接材料具有高韧性和良好的焊接性。目前正在研究这些焊接材料在桥梁建造中的应用。

8.2 Cu析出强化型高强钢

厚钢板焊接性，广义上讲是包括力学性能在内的焊接区所有特性，狭义指的是焊接热影响区硬度和低温裂纹敏感性。一般将Pcm和CEN等碳当量作为评价焊接性的指标。高强度钢随着强度级别的升高，钢中的合金元素含量增加，Pcm和CEN值变大。为了防止低温焊接裂纹的发生，需要在更高的温度下对高强度钢进行焊前预热。新日铁住金根据各种钢材的Y形焊接裂纹试验数据，建立了防止低温焊接裂纹的预热温度预测方法。

新日铁住金利用TMCP技术，开发出合金元素含量少、焊接性优良的高强度钢。其中Cu析出强化型780MPa级高强钢是抗拉强度高达780MPa，但低温裂纹敏感性极低的钢。该钢的优良焊接性不能用传统的Pcm等碳当量指标来解释。

经过近期的研究，阐明了Cu析出强化钢优良焊接性的原因。Cu析出强化钢含有1%的Cu，利用Cu析出的强化作用使母材强化。表5是三种780MPa级钢的化学成分：A钢（利用Cr、Mo碳化物的析出强化钢）；B钢（马氏体位错强化钢）；Cu析出强化钢。A钢和B钢是比较钢。表中的p值是McNabb＆Foster公式（式（1））中，表示273K氢从氢陷阱中散逸速度的值。

?c ?θ

—— N—— = D▽2c，

?t ?t

?θ—— = kc-pθ （1）?t

式中，c：被氢陷阱捕获的氢浓度；D：钢中无氢陷阱时氢的扩散速度；N：单位体积钢中的氢陷阱密度；k：氢被捕获到氢陷阱的速度；p：氢从氢陷阱散逸出来的速度；θ：捕获氢原子的氢陷阱的比例；t：时间。

用升温脱氢法测定模拟焊接熔合线附近热循环试样和母材试样的氢扩散速度，根据测定结果计算出p值。与对比钢A、B相比，Cu析出强化钢焊接熔合线附近的p值大、母材的p值小。由于p值是氢从氢陷阱散逸出来的速度，所以，p值越大，氢捕获效果越小，即氢扩散得越快。

Cu析出强化钢母材由于析出Cu的氢陷阱作用，使氢扩散速度下降。另一方面，在低温裂纹最容易产生的熔合线附近的HAZ，由于析出Cu发生再固溶，失去氢陷阱的作用，提高了氢的扩散速度。因此，与其他780MPa级钢相比，Cu析出强化钢熔合线附近的氢扩散速度大，散逸氢向母材内扩散，这些扩散到母材内的氢被母材中的析出Cu捕获，降低了熔合线附近HAZ的氢浓度，抑制了焊接区低温裂纹的发生。Cu析出强化技术已经用于新日铁住金的高性能桥梁钢SBHS 700和建筑用钢BT-HT630。 （高宏适）