閔祥軍

摘要： 為了研究用于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（屈服強(qiáng)度為420 MPa、460 MPa）的焊接工藝，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼（EH420Z35和EH460Z35）進(jìn)行了焊接試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)及CTOD試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有較好的斷裂韌性和疲勞性能，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，能有效降低海洋結(jié)構(gòu)物總體重量、施工難度和開(kāi)發(fā)成本。

關(guān)鍵詞： 中圖分類(lèi)號(hào)： TG457.11

Abstract： In order to research the welding process of high strength structural steels （yield strengths are 420 MPa and 460 MPa respectively）， the welding test， mechanical property tests and CTOD test for high strength steel are carried out by adopting the fluxedcored arc welding process. Test results show that the properties of welded joints all meet the requirements of the related standard， and the welded joints possess good fracture toughness and fatigue performance， which also meet the design requirements of standards. This research effectively reduces the overall quality of marine structure， construction difficulty and the cost of development.

Key words： high strength structural steel； welding procedure； fracture toughness； fatigue performance

0 前言

[HT]隨著船舶及海洋工程技術(shù)的發(fā)展，尤其是大型船舶和深海海洋工程建造技術(shù)的發(fā)展，要求大幅度提高焊接結(jié)構(gòu)的承載能力。采用高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼來(lái)提高承載能力或在結(jié)構(gòu)承載能力不變的情況下，大大減輕結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量，這已成為重要工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)[1]。

近期公司參與的投標(biāo)項(xiàng)目里面多個(gè)項(xiàng)目都涉及到高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（屈服強(qiáng)度為420 MPa、460 MPa，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為S420和S460鋼），其中投標(biāo)的導(dǎo)管架項(xiàng)目為2個(gè)3×10.4 t的導(dǎo)管架，其主體結(jié)構(gòu)為S420鋼，最大壁厚為100 mm。項(xiàng)目要求厚度大于50 mm的焊接接頭要做CTOD測(cè)試。此外，公司投標(biāo)的另一個(gè)項(xiàng)目為2個(gè)張力腿平臺(tái)，平臺(tái)總質(zhì)量約為10 104 t，其主體結(jié)構(gòu)中有60%為S460/S420高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。S420/S460高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼用于焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)于降低建造成本，提高結(jié)構(gòu)承載能力有著極大的優(yōu)勢(shì)，但該鋼材對(duì)焊接技術(shù)要求較高，焊接工藝參數(shù)控制要求較嚴(yán)，焊接生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控較嚴(yán)。對(duì)S420、S460級(jí)別高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行焊接工藝開(kāi)發(fā)，使公司掌握該強(qiáng)度級(jí)別鋼材的焊接技術(shù)，形成公司自有成套焊接工藝，提升公司焊接技術(shù)水平，進(jìn)而提升公司海洋工程的制造能力，有利于公司后續(xù)承攬相關(guān)工程項(xiàng)目。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中，尤其以TMCP高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用最廣，以GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP（分別為S420和S460強(qiáng)度級(jí)別的一種）高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為例，通過(guò)計(jì)算碳當(dāng)量，分析其焊接性能，進(jìn)行了焊接工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

1 TMCP高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼性能特點(diǎn)

TMCP （Thermo Mechanical Control Process）鋼是通過(guò)控制軋制和控制冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化，從而改善鋼材力學(xué)性能的新型工程用鋼。TMCP鋼以其優(yōu)良的常低溫強(qiáng)韌性、良好的焊接性、良好的抗腐蝕能力在船舶、壓力容器、油氣管道及海洋工程結(jié)構(gòu)中得到大規(guī)模應(yīng)用。

根據(jù)國(guó)內(nèi)常用S420、S460級(jí)別高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼種特點(diǎn)，選用了GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為試驗(yàn)材料，其規(guī)格為1 000 mm×300 mm×80 mm，試驗(yàn)件的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。為避免火焰切割對(duì)試件力學(xué)性能的影響，坡口加工采用機(jī)加工的方式。坡口形式如圖1所示，K形坡口分別開(kāi)在EH420-Z35和EH460-Z35側(cè)。

2 試驗(yàn)鋼材焊接性能分析

鋼材焊接性能的差異可用焊接性表示。鋼材的焊接性是指在一定的工藝條件下焊接時(shí)，能獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力，通常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)價(jià)。按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式[2]，并結(jié)合表1中的化學(xué)成分計(jì)算得出EH420-Z35和EH460-Z35鋼的碳當(dāng)量分別為0.38%和0.40%。

當(dāng)碳當(dāng)量<0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不明顯，焊接性?xún)?yōu)良，焊接時(shí)不必預(yù)熱。

當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需要采取適當(dāng)預(yù)熱、控制熱輸入等工藝措施。

當(dāng)碳當(dāng)量>0.6%時(shí)，淬硬傾向強(qiáng)，屬于較難焊的鋼材，需采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施等。

單純從碳當(dāng)量分析，試驗(yàn)鋼材的焊接性較好，但TMCP鋼的高強(qiáng)度、高韌性是控軋工藝致使晶粒細(xì)化的結(jié)果。在焊接熱循環(huán)作用下，其熱影響區(qū)組織不可避免的發(fā)生晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，使得其高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)嚴(yán)重喪失，出現(xiàn)比一般正火鋼更為嚴(yán)重的熱影響區(qū)脆化和軟化現(xiàn)象。endprint

3 焊接工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)鋼材焊接性能的分析，在焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮以下方面：

（1）焊前選擇合適的預(yù)熱溫度，根據(jù)EH420-Z35和EH460-Z35鋼的性能特點(diǎn)和AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，最終確定最低預(yù)熱溫度為110 ℃，焊接過(guò)程中最高溫度不要超過(guò)210 ℃；

（2）焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制熱輸入，根據(jù)EH420-Z35和EH460-Z35鋼的性能特點(diǎn)，參考多方面資料，最終確定熱輸入盡量控制在1.0～2.5 kJ/mm。

根據(jù)公司現(xiàn)有的焊接設(shè)備，著重開(kāi)發(fā)了藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接工藝，對(duì)EH420-Z35和EH460-Z35鋼對(duì)接進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3.1 焊前準(zhǔn)備

根據(jù)項(xiàng)目需要，選擇3G位置（立向上）進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接材料的選型是本次工藝研究的重點(diǎn)。一般根據(jù)材料等強(qiáng)匹配的原則選用焊接材料，但考慮根部剛性較強(qiáng)，因此打底焊條強(qiáng)度采用低一個(gè)級(jí)別。打底焊條為 LB-52NSU，型號(hào)為AWS A5.5 E7016-G；填充和蓋面藥芯焊絲牌號(hào)為DW-A55L，型號(hào)為AWS A5.29 E81T1-K2M（同S460鋼材等強(qiáng)匹配），保護(hù)氣體為混合氣，其成分為氬氣和二氧化碳，占比分別為80%和20%，氣體流量為15～25 L/min。

焊前應(yīng)采取打磨等措施徹底清除坡口表面及附近25 mm內(nèi)的鐵銹、油污異物。

3.2 焊接工藝

（1）焊前預(yù)熱溫度在110～120 ℃之間，焊接過(guò)程中層間溫度控制在110～200 ℃之間。預(yù)熱寬度為焊縫中心兩側(cè)各80 mm范圍內(nèi)，用接觸式測(cè)溫儀在距焊縫中心50 mm處對(duì)稱(chēng)測(cè)量。加熱采用電阻加熱器加熱。

（2）采用多層多道焊，打底焊道采用焊條電弧焊（簡(jiǎn)稱(chēng)為SMAW），厚度為4～5 mm，后續(xù)填充蓋面采用多層多道焊，焊接方法為藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為FCAW-G），每層焊縫厚度3～4 mm。焊接熱輸入控制在1.0～2.5kJ/mm。

（3）焊接參數(shù)如表3所示。為了保證焊接質(zhì)量，所有焊道的熱輸入都控制在1.0～2.5 kJ/mm。

4 檢驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 無(wú)損檢驗(yàn)

焊接完成48 h后進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，包括焊縫外觀檢驗(yàn)、磁粉檢驗(yàn)和超聲波檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

4.2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試樣采用機(jī)加工的方法進(jìn)行取樣，取樣尺寸參考AWS D1.1/D1.1M：2010。試樣在拉伸載荷下破斷，并應(yīng)測(cè)定最大荷載。橫截面的面積應(yīng)由寬度乘以厚度得到。拉伸強(qiáng)度應(yīng)為最大荷載除以橫截面積所得之商。結(jié)果表明，EH 420-Z35的拉伸強(qiáng)度的最小值為565 N/mm.2，大于AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最小值530 N/mm.2。EH 460-Z35的拉伸強(qiáng)度的最小值為570 N/mm.2，正好等于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最小值570 N/mm.2，拉伸試驗(yàn)測(cè)試合格。

4.2.2 彎曲試驗(yàn)

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲試樣參考AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)。其中試驗(yàn)壓頭直徑為50.8 mm，彎曲角度為180°。EH420-Z35鋼與EH460-Z35鋼彎曲試驗(yàn)結(jié)果均符合AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的彎曲試驗(yàn)合格判據(jù)，彎曲試驗(yàn)合格。

4.2.3 沖擊試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1/D1.1M：2010進(jìn)行夏比V型沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。焊接規(guī)格書(shū)沖擊試驗(yàn)最低值是50 J， 由圖2可知 EH420-Z35和EH460-Z35的沖擊試驗(yàn)值均合格。焊縫中心及焊縫根部中心的沖擊值較其他部位低，熔合線(xiàn)及FL+1 mm、FL+5 mm的沖擊值依次升高。焊縫中心沖擊值低的直接原因是存在于焊縫中的微觀氧化物夾雜的聚集及硫、磷等有害相的偏析等，其形態(tài)為多邊形微觀夾雜，形成沖擊試樣的裂紋源，尺寸較大的氧化物夾雜，可作為解理核心，引起試樣脆性斷裂。沖擊數(shù)值最低的位置出現(xiàn)在根部焊縫。該材料為大厚壁板，在中心板處會(huì)出現(xiàn)成分偏析，造成硫化物等雜質(zhì)較多，此外，該部位拘束很大，應(yīng)力較大，因此此處為沖擊最薄弱位置。

4.2.4 硬度試驗(yàn)

硬度試樣應(yīng)光潔并能清晰地顯示焊縫的輪廓。按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)[3]所規(guī)定的要求進(jìn)行硬度試驗(yàn)。結(jié)果表明，硬度數(shù)值主要在167～237 HV10之間，小于規(guī)格書(shū)要求的最大值350 HV10。說(shuō)明該焊接接頭韌性較好。

4.2.5 裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)

裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)（Crack Tip Opening Displacement，簡(jiǎn)稱(chēng)CTOD）按BS 7448 Part2[4]和DNV-OS-C401[5]執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，CTOD最小值為0.15 mm。由表可知，CTOD結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值。CTOD最小值出現(xiàn)在EH460-Z35側(cè)，最大值出現(xiàn)在EH420-Z35側(cè)。可見(jiàn)，強(qiáng)度越高，抗脆性斷裂能力越差。

4.2.6 疲勞擴(kuò)展速率和門(mén)檻值

疲勞裂紋擴(kuò)展速率按著GB/T 6398—2000[6]和ASTM E647-2000[7]的要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。EH460-Z35熱影響區(qū)、EH420-Z35熱影響區(qū)和焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率分別為2.05×10.-13（ΔK）.4.21， 2.24×10.-13（ΔK）.4.18和2.33×10.-12（ΔK）.3.44， EH460-Z35熱影響區(qū)、EH420-Z35熱影響區(qū)和焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值分別為8.734 MPa·m.1/2，8.608 MPa·m.1/2和5.966 MPa·m.1/2。根據(jù)BS7910標(biāo)準(zhǔn)[8]的要求，門(mén)檻值的最小值為2 MPa·m.1/2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的要求。endprint

5 結(jié)論

（1）根據(jù)AWS D1.1/D1.1M：2010標(biāo)準(zhǔn)成功地對(duì)EH420-Z35和EH460-Z35材料進(jìn)行了藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝開(kāi)發(fā)，各項(xiàng)結(jié)果均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊接接頭具有較好的強(qiáng)度、韌性和低溫沖擊性能，滿(mǎn)足海洋工程設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝的焊接接頭進(jìn)行斷裂韌性CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：-10 ℃服役條件下斷裂韌性CTOD試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足DNV-OS-C401標(biāo)準(zhǔn)大于0.15 mm的要求，表明該焊接接頭具有良好的抗裂性能。

（3）對(duì)藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝的焊接接頭進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值大于BS7910規(guī)定的最小值2 MPa·m.1/2。表明該焊接接頭抗疲勞性能優(yōu)良。

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