虞曉棣,鄒家生,嚴(yán) 鏗

(1.江蘇熔盛重工集團有限公司,江蘇南通 226532;2.江蘇科技大學(xué)先進焊接技術(shù)省級重點實驗室,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

海上鉆井及采油平臺等海洋工程結(jié)構(gòu)是人類開發(fā)利用海洋資源的重要的超大型焊接鋼結(jié)構(gòu)。海洋環(huán)境條件具有復(fù)雜性、隨機性和多樣性的特點。海洋平臺要在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的海洋工作環(huán)境中,支撐總質(zhì)量超過數(shù)百噸的平臺和鉆井設(shè)備,保證遠離陸地的操作人員的生存條件和安全,對設(shè)計和焊接制造要求非常苛刻。為了減輕海洋工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,同時又增加結(jié)構(gòu)整體的安全性,采用材料的強度級別也越來越高,材料厚度也不斷增加。為了滿足各種大厚度、高強度結(jié)構(gòu)鋼在新型海洋平臺結(jié)構(gòu)中的性能要求,促使焊接結(jié)構(gòu)向高參數(shù)、大型化方向發(fā)展,各國都在大力開發(fā)具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能的新鋼種,以期能夠滿足海洋平臺這種特殊鋼結(jié)構(gòu)的建造要求。新一代低合金高強鋼的主要特點是超細晶粒、超潔凈度、高均勻性,其強度和壽命比原同類鋼種提高一倍。超細晶粒是指鋼材晶粒尺寸達到0.1～10μm;超潔凈度是指鋼中S、P、O、N和H等雜質(zhì)元素的含量降低到0.005%以下;高均勻性是指鋼材的成分、組織和性能的高度均勻,并強調(diào)了組織均勻的主導(dǎo)地位。新一代低合金高強鋼主要通過冶金處理和各種強化途徑來實現(xiàn)其強韌性,因而對焊接技術(shù)提出了更高的要求。本文針對海洋平臺用EQ70高強鋼,重點研究焊接工藝及焊后熱處理對其焊接性的影響。

1 試驗材料及方法

本文采用的60 mm厚EQ70鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表 1和表 2。

表1 EQ70鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 EQ 70鋼的力學(xué)性能

本文采用的焊條為CONARC80,其焊條的化學(xué)成分、力學(xué)性能和沖擊性能分別見表 3、表 4和表 5。

EQ70高強鋼采用手工電弧焊焊接,焊接試樣坡口為 X型坡口,坡口角度為 60°。在裝配焊接之前要先用酒精對坡口內(nèi)的油污進行清洗,裝配時間隙為2～4mm。采用對稱焊接的方法進行焊接,保證試板的平直。

為了研究預(yù)熱溫度、焊接電流和焊后熱處理對EQ70高強鋼焊接性的影響,本文擬定的 EQ70高強鋼試驗工藝參數(shù)見表 6。

表3 CONARC 80的化學(xué)成分(%)

表4 焊縫金屬的力學(xué)性能

表5 焊縫金屬的沖擊性能

表6 EQ70鋼焊接工藝參數(shù)

對焊接后的試板進行取樣,其中 2個拉伸試樣、6個沖擊試樣、2個側(cè)彎試樣。取樣標(biāo)準(zhǔn)根據(jù) GB 2649-89《焊接接頭機械性能取樣法》。

2 試驗結(jié)果與分析

不同焊接工藝條件下焊接接頭的抗拉強度見表7。表 7中,抗拉強度前兩個值為實測值,括號內(nèi)為平均值。從表中可知,EQ70鋼焊接接頭的抗拉強度為755～790MPa,且全部斷在焊縫。分析表 7中數(shù)據(jù),焊接電流對接頭抗拉強度影響較大,表中接頭強度的最低值均出現(xiàn)在焊接電流為 220 A時,在相同條件下,隨焊接電流減小,接頭強度提高。焊后熱處理使接頭強度稍有降低,在 180 A的電流下,預(yù)熱150℃比不預(yù)熱條件下的接頭強度稍有提高。由表2知,EQ70鋼母材的抗拉強度為770～940 MPa,在焊后熱處理的條件下,焊接電流為180 A或 200 A時,接頭強度基本均能和母材等強。當(dāng)焊接電流達到220 A時,則接頭強度低于母材。

不同焊接工藝條件下焊接接頭各區(qū)域的沖擊值見表 8和表 9。表 8為室溫條件下的沖擊值。在相同條件下,EQ70鋼焊縫的沖擊值最低,熱影響區(qū)外1mm處的沖擊值最高;從預(yù)熱溫度 150℃、焊接電流220 A和不預(yù)熱、焊接電流180 A,焊后熱處理和不熱處理的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),焊后熱處理有利于提高韌性,尤其對焊縫金屬影響尤其明顯。在焊接電流180 A、焊后熱處理的條件下,當(dāng)預(yù)熱溫度提高到150℃,EQ70鋼焊接接頭的韌性明顯提高。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同條件下焊接電流的變化對 EQ70鋼接頭韌性的影響規(guī)律較復(fù)雜?？偟膩碚f,EQ70鋼焊接接頭在室溫下均具有很好的沖擊韌性。EQ70鋼焊縫中心沖擊值最低為102 J,平均值最低為116 J。在預(yù)熱溫度150℃、焊接電流180 A以及焊后熱處理的條件下,焊縫沖擊值最高,達到最低值 144 J,平均值 149 J。熱影響區(qū)的沖擊值同時達到最高,達到最低值176 J,平均值178 J。熱影響區(qū)外1mm處的沖擊值在預(yù)熱溫度室溫、焊接電流 200 A以及焊后不熱處理時為最高,達到最低值190 J,平均值196 J。

表7 不同焊接工藝下EQ70鋼焊接接頭的抗拉強度

不同焊接工藝條件下,EQ70鋼在-40℃時焊接接頭各區(qū)域的沖擊值見表 9。表 9中 150℃預(yù)熱、200 A焊接電流以及焊后熱處理的條件下,焊接接頭各區(qū)域在 -40℃的沖擊值最佳。其中焊縫中心在-40℃沖擊值的平均值為67 J,最低值為66 J;熔合線處在-40℃沖擊值的平均值為 66 J,最低值為64 J。和表2中EQ70鋼在-40℃的沖擊值標(biāo)準(zhǔn)值69 J相比,EQ70鋼焊接接頭在-40℃的沖擊值低于母材2～3 J,相當(dāng)于母材的 95%以上。分析表9,過小的焊接電流、過低的預(yù)熱溫度均不利于接頭的韌性,適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚碛欣诟纳平宇^韌性。

表8 EQ70在室溫時焊接接頭各區(qū)域的沖擊值和焊接參數(shù)的關(guān)系

表9 EQ 70在-40℃時焊接接頭各區(qū)域的沖擊值和焊接參數(shù)的關(guān)系

焊接接頭側(cè)彎試驗結(jié)果表明:所有工藝條件下的側(cè)彎試樣均未出現(xiàn)裂紋,冷彎性能全部達到要求。

在150℃預(yù)熱、200 A焊接電流和焊后熱處理的焊接工藝條件下,EQ70鋼焊接接頭的宏觀形貌和硬度分布如圖 1所示?？梢钥吹?。焊縫、熔合線、熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等焊接缺陷。從硬度分布來看,EQ70鋼熱影響區(qū)的硬度值偏高,超過平均水平5%～10%,焊縫的硬度和母材相當(dāng),這和EQ70配用CONARC80焊條接頭強度匹配較好有關(guān)。

圖1 EQ70鋼焊接接頭的宏觀形貌和硬度分布

綜合上述分析,結(jié)合海洋平臺工作環(huán)境對低溫韌性的高要求,在制定EQ70鋼焊接工藝參數(shù)時,主要以 -40℃的沖擊值為依據(jù),同時考慮接頭強度基本和母材等強條件,故推薦EQ70鋼,其焊接工藝為150℃預(yù)熱,200 A焊接電流以及250℃/2 h焊后熱處理的規(guī)范。

3 結(jié)論

(1)采用CONARC80焊條,手工電弧焊接EQ70鋼,在焊后熱處理的條件下,其接頭強度在焊接電流為180 A或200 A時,均能和母材等強;當(dāng)焊接電流達到 220 A時,則接頭強度低于母材。

(2)EQ70鋼焊接接頭在室溫均具有很好的沖擊韌性;在 150℃預(yù)熱、200 A焊接電流和焊后熱處理的條件下,焊接接頭各區(qū)域在 -40℃的沖擊值最佳,達到母材的 95%以上。適當(dāng)增大焊接電流、提高預(yù)熱溫度和焊后熱處理有利于改善接頭韌性。

(3)EQ70鋼焊接接頭的冷彎性能均合格。焊縫的硬度和母材相當(dāng),熱影響區(qū)的硬度值偏高,超過平均水平5%～10%。

(4)結(jié)合海洋平臺工作環(huán)境對低溫韌性的高要求,推薦EQ70鋼焊接工藝為150℃預(yù)熱、200 A焊接電流以及 250℃/2 h焊后熱處理的規(guī)范。