多层焊接接头ctod特性优良的厚钢板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶、海洋结构物、管线管、压力容器等中使用的钢材，涉及不仅母材 的低温韧性优良、而且小线能量至中等线能量的多层焊接接头CT0D特性优良的厚钢板及 其制造方法。
【背景技术】
[0002] 作为钢的韧性的评价基准，主要使用夏比试验。近年来，作为以更高的精度对断裂 阻力进行评价的方法，裂纹尖端张开位移试验（Crack Tip Opening Displacement Test， 以下称为CTOD试验）多使用结构物中使用的厚钢板作为对象。该试验是将在韧性评价部 引入有疲劳预裂纹的试验片在低温下进行弯曲试验并测定即将断裂之前的裂纹的张开量 (塑性变形量）来对脆性断裂的产生阻力进行评价的试验。
[0003] 将厚钢板应用于结构物的情况下的焊接为多层焊接。已知多层焊接的焊接热影 响区（以下称为多层焊接HAZ)中包含：通过之前的焊道而使焊接线附近形成粗大的组织 (CGHAZ :Coarse Grain Heat Affected Zone，粗晶热影响区）的区域通过下一层的焊道 被再加热至铁素体与奥氏体的双相区并在粗大的基体组织中混合存在有岛状马氏体（MA : Martensite-Austenite Constituent，马氏体-奥氏体组成物）组织而使韧性显著降低这 样的区域（以下称为 ICCGHAZ:Inter Critically Reheated Coarse Grain Heat Affected Zone，亚临界再加热粗晶热影响区）。
[0004] 接头CTOD试验基本上在板整个厚度上进行试验，因此，在以多层焊接HAZ为对象 的情况下，在引入疲劳预裂纹的评价区域内包含ICCGHAZ组织。另一方面，对于通过接头 CT0D试验得到的接头CT0D特性而言，即使微小，但也会受到评价区域中变得最脆化的区域 的韧性所支配，因此，多层焊接HAZ的接头CT0D特性不仅由CGHAZ组织的韧性反映，而且还 由ICCGHAZ组织的韧性反映。因此，为了提高多层焊接HAZ的接头CT0D特性，还需要提高 ICCGHAZ组织的韧性。
[0005] 以往，作为提高焊接热影响区（也称为HAZ)的韧性的技术，使用了通过TiN的微 细分散来抑制CGHAZ的奥氏体晶粒粗大化的技术、利用TiN的铁素体相变核的技术。
[0006] 另外，还使用了如下技术：通过添加REM而生成的REM系硫氧化物的分散来抑制奥 氏体晶粒的晶粒生长、通过添加Ca而生成的Ca系硫氧化物的分散来抑制奥氏体晶粒的晶 粒生长、将BN的铁素体成核能力与氧化物分散组合。
[0007] 例如，在专利文献1、专利文献2中，提出了利用REM和TiN粒子来抑制HAZ的奥氏 体组织的粗大化的技术。另外，在专利文献3中，提出了通过利用CaS来提高HAZ韧性的技 术和通过热乳来提高母材韧性的技术。
[0008] 另外，作为ICCGHAZ的韧性降低对策，提出了通过进行低C、低Si化来抑制MA的 生成、进一步通过添加Cu来提高母材强度的技术（例如，专利文献4)。在专利文献5中， 提出了在大线能量焊接热影响区利用BN作为铁素体相变核而使HAZ组织微细化从而提高 HAZ韧性的技术。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特公平03-053367号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开昭60-184663号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开2012-184500号公报
[0014] 专利文献4 :日本特开平05-186823号公报
[0015] 专利文献5 :日本特开昭61-253344
【发明内容】
[0016] 发明所要解决的问题
[0017] 但是，对接头CT0D特性进行规定的标准（例如，API标准RP-2Z)的CT0D规格温度 通常为-10°c。另一方面，为了应对近年来能源需要的增加而确保新资源，海洋结构物等的 建造地区向迄今为止未进行资源开采的寒冷区域转移。因此，能够应对比API标准所规定 的CT0D规格温度低的CT0D规格温度（以下也称为特別低温CT0D规格）的钢材的要求增 加。根据本发明人的研究，利用这些技术无法充分满足面向近年来所要求的低温规格的多 层焊接接头所要求的接头CT0D特性。例如，对于专利文献1、专利文献2的利用REM和TiN 粒子来抑制HAZ的奥氏体组织的粗大化的技术而言，TiN在焊接时达到高温的接合部发生 熔化，因此，对于奥氏体晶粒的晶粒生长抑制不能发挥充分的效果。
[0018] 另外，REM系硫氧化物、Ca系硫氧化物对于抑制奥氏体晶粒生长是有效的。但是， 仅利用通过抑制HAZ的奥氏体晶粒粗大化而带来的韧性提高的效果不能满足上述低温规 格温度下的接头CT0D特性。另外，BN的铁素体成核能力在大线能量焊接中焊接热影响区的 冷却速度慢、HAZ为以铁素体为主体的组织的情况下是有效的。但是，在厚钢板的情况下， 母材中所含有的合金成分量较高，另一方面，多层焊接的线能量较小，因此，HAZ组织以贝氏 体为主体，无法得到上述效果。
[0019] 另外，在专利文献3中，满足通常规格温度（_10°C )下的接头CT0D特性。但是，对 于上述低温规格温度下的接头CT0D特性没有进行研究。
[0020] 关于专利文献4,对于上述低温规格温度下的接头CT0D特性也没有进行研究，认 为仅利用通过减少母材成分组成而带来的ICCGHAZ韧性的提高不能满足特別低温CT0D规 格。另外，为了提高ICCGHAZ的韧性而减少母材成分组成的合金元素含量有时会损害母材 的特性，难以应用于海洋结构物等中使用的厚钢板。
[0021] 关于专利文献5,在大线能量焊接这样焊接热影响区的冷却速度慢、HAZ为以铁素 体为主体的组织的情况下是有效的。但是，在厚钢板的情况下，母材中所含有的合金成分量 较高，并且多层焊接的线能够较小，因此，HAZ组织以贝氏体为主体，无法得到其效果。
[0022] 因此，难以说确立了在厚钢板的多层焊接热影响区提高CGHAZ和ICCGHAZ的韧性 的技术，难以提高使缺口位置为混合存在有CGHAZ、ICCGHAZ的接合部的接头CT0D特性。
[0023] 因此，本发明的目的在于提供多层焊接接头CT0D特性优良的厚钢板及其制造方 法。
[0024] 用于解决问题的方法
[0025] 为了解决上述问题，本发明人关注于Ca系复合夹杂物，对多层焊接HAZ中的奥氏 体晶粒粗大化抑制效果和贝氏体及针状铁素体、铁素体的成核效果以及多层焊接HAZ的韧 性提高进行了深入研究，得出下述见解。
[0026] (1)将钢中的Ca、0及S以使下式所表示的原子浓度比（ACR :Atomic Concentration Ratio)在0. 2~1. 4的范围内的方式进行控制时，硫化物的形态为固溶有 Mn的一部分的Ca系硫化物与A1系氧化物的复合夹杂物。
[0027] ACR = (Ca- (0. 18+130 X Ca) X 0) / (1. 25 X S)
[0028] (2)通过使夹杂物形态为由含有Ca和Mn的硫化物及含有A1的氧化物构成的复合 夹杂物，即使在焊接线附近的升温至高温的区域内也能够稳定地存在，因此能够充分地发 挥奥氏体晶粒粗大化效果。此外，在复合夹杂物周围形成Mn稀薄层，因此具有贝氏体、针状 铁素体的成核效果。
[0029] (3)HAZ的冷却时的成核位点主要为奥氏体晶界。在本发明中，通过在奥氏体晶粒 内存在具有成核效果的上述复合夹杂物，不仅在奥氏体晶界而且从奥氏体晶粒内也开始成 核，最终得到的HAZ组织变得微细，HAZ的韧性及接头CT0D特性提高。
[0030] (4)上述复合夹杂物所带来的贝氏体、针状铁素体、铁素体的成核效果在夹杂物尺 寸过于微小时不充分，需要使等效圆直径为0. 1 y m以上。
[0031] (5)为了充分活用上述复合夹杂物的相变成核效果，需要在焊接升温时在HAZ的 奥氏体晶粒内中存在至少1个以上的夹杂物，线能量为约5kJ/mm时，焊接线附近的奥氏体 粒径为约200 ym，因此夹杂物的密度需要为25个/mm2以上。
[0032] (6)另一方面，上述复合夹杂物自身的韧性低，因此，在过量的夹杂物时，HAZ韧性 反而会降低。特别是通过连铸制造钢坯时，由于夹杂物与钢的密度差而使钢坯中的未凝固 部分浮起，由此夹杂物容易集聚于l/4t (t :板厚）位置，因此需要使夹杂物个数不要过量。 另外，在存在元素的偏析而使多层焊接HAZ韧性差的板厚中心部分，也需要使夹杂物个数 适当，通过使夹杂物个数为250个/mm 2以下，能够确保良好的多层焊接接头CT0D特性。
[0033] (7)通常，在钢坯的板厚中心的元素偏析部会产生由于合金元素富集而使粗大的 夹杂物以低密度分散的问题。但是，通过施加板厚中心温度为950°C以上时的压下率/道 次为8%以上的道次的累积压下率为30%以上、或者板厚中心温度为950°C以上时的压下 率/道次为5%以上的道次的累积压下率为35%以上这样的每道次较大的压下，能够使施 加于板厚中心的应变增加，使粗大夹杂物伸长、进而分割，由此能够使细的夹杂物以高密度 分散，能够确保夹杂物所带来的HAZ韧性提高效果，并且能够实现也能够应对特别CT0D规 格的良好的CT0D特性。
[0034] 另外，除通过控制夹杂物形态而带来的多层焊接HAZ的微细化以外，为了使对抑 制奥氏体晶粒生长有效的TiN在钢中微细分散而设定为1. 5彡Ti/N彡5. 0,并且控制为碳 当量 Ceq = [C] + [Mn]/6+([Cu] + [Ni])/15+([Cr] + [Mo] + [V])/5 < 0.45、焊接裂纹敏感性指 数 Pcm = [C] + [Si]/30+([Mn] + [Cu] + [Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B] < 0? 20,由 此，能够提高多层焊接HAZ的基体组织的韧性。
[0035]进而，本发明人对接头CT0D试验方法所规定的BS标准EN10225 (2009)、A