張繼軍 蔣巍 邵丹丹 龍光輝 何春華

摘要：風(fēng)電平臺(tái)升降系統(tǒng)常采用大厚度FH46低溫鋼，該材料焊接難度較大，低溫服役要求苛刻。通過焊接性分析和焊接工藝評(píng)定，制定了有效可行的工藝措施，包括焊接材料和焊接方法的選擇，焊接熱輸入、焊前預(yù)熱和焊后熱處理參數(shù)的制訂。結(jié)果證明，該工藝滿足勞氏船級(jí)社（LR）海工平臺(tái)規(guī)范要求，為該類低溫鋼焊接施工積累了實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電維護(hù)平臺(tái);低溫鋼;焊接工藝

中圖分類號(hào)：TG 44

Abstract： FH46 low temperature steel with large thickness is often used in lifting system of wind power maintenance platform. Through weldability analysis and welding procedure qualification， effective and feasible technological measures were formulated， including selection of welding consumables and welding processes， welding heat input， pre-welding and post-welding heat treatment parameters. The results proved that the welding procedure meets the requirements of LR marine platform specification and practical experiences were accumulated for welded structures of such kind of steel for cryogenic application.

Key words： wind power maintenance platform; low temperature steel; welding technology

0 前言

由于海上風(fēng)電維護(hù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全級(jí)別要求高，自升式平臺(tái)的樁腿、升降系統(tǒng)、固樁架等零部件多采用屈服強(qiáng)度為460～500 MPa、厚度達(dá)100 mm的FH46低溫鋼制造。FH46鋼為英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）高強(qiáng)淬火鋼，屈服強(qiáng)度460 MPa，其低溫韌性要求苛刻，焊接性較差，焊縫返修率偏高。依據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）海工平臺(tái)規(guī)范要求，海上風(fēng)電維護(hù)平臺(tái)的FH46低溫鋼焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)制訂合理的焊接工藝，以保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足各焊接構(gòu)件的使用性能。

1 FH46鋼焊接性分析

FH46是LR船級(jí)社牌號(hào)，為高強(qiáng)度低合金鋼類型，熱處理狀態(tài)為淬火和回火。母材實(shí)測(cè)化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。由于是低溫鋼，沖擊韌性指標(biāo)采用-60 ℃沖擊吸收能量。

碳當(dāng)量（CE）及裂紋敏感指數(shù)（Pcm）是衡量鋼材成分對(duì)淬硬組織冷裂紋敏感程度的重要指標(biāo)。

根據(jù)FH46低溫鋼的各元素含量和國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的CE和Pcm計(jì)算公式（1）和（2），計(jì)算得到CE = 0.46%和Pcm = 0.21%。

一般認(rèn)為，板厚小于20 mm、CE小于0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱。當(dāng)CE為0.4%～0.6%時(shí)，鋼材淬硬傾向明顯，容易產(chǎn)生裂紋，必須制定合理的焊接工藝。

FH46低溫鋼的含碳量低（僅為0.08%），但其合金元素種類多且含量較高，冷卻速度過快會(huì)導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)（HAZ）金屬淬火處理后將得到高強(qiáng)度、高韌性的低碳馬氏體+貝氏體組織，這有利于在常規(guī)電弧焊工藝下獲得與母材較接近的焊接接頭組織和力學(xué)性能。因此，在焊接FH46鋼板時(shí)需注意兩點(diǎn)：一是馬氏體組織轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度不宜過快，保證馬氏體有“自回火”過程，避免冷裂紋產(chǎn)生;二是保證在500～800 ℃降溫過程中，冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界速度[1]。這兩個(gè)問題是制定焊接工藝的關(guān)鍵。

可見，海上風(fēng)電維護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)件FH46低溫鋼焊接時(shí)，應(yīng)控制焊接熱輸入和預(yù)熱溫度，保證焊接接頭的冷卻速度合適，能獲得產(chǎn)生“自回火”效果的低碳馬氏體+貝氏體組織，保證焊接接頭的力學(xué)性能。同時(shí)，還可以配合焊后熱處理釋放焊接殘余應(yīng)力，預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)冷裂紋。

2 工藝方案的制定

2.1 焊接材料及焊接方法的選擇

焊接材料的選擇主要考慮與母材強(qiáng)度和韌性匹配，另外需考慮焊后熱處理要求。海上風(fēng)電維護(hù)平臺(tái)升降系統(tǒng)等焊接構(gòu)件，板材厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全焊透接頭多。從焊接方法和焊材形式來看，采用高強(qiáng)度鋼焊條有利于保證焊接接頭性能，但生產(chǎn)效率低，無法滿足生產(chǎn)進(jìn)度的要求。埋弧焊性能穩(wěn)定但不能進(jìn)行全位置焊接。綜合焊接構(gòu)件形式及材料特點(diǎn)決定采用CO2氣體保護(hù)焊，經(jīng)調(diào)研和實(shí)際測(cè)試，選擇國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲牌號(hào)為5Y46，其熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3和表4。從表3的熔敷金屬化學(xué)成分可知，C，Si，Mn等元素的含量均低于母材，但Ni元素含量為母材的3倍多，這有利于保證焊縫金屬的低溫力學(xué)性能。從表4的熔敷金屬力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，其強(qiáng)度和塑性與母材匹配良好，但韌性下降較多，主要是由于母材為軋制和熱處理狀態(tài)，而熔敷金屬為鑄態(tài)組織。

2.2 坡口設(shè)計(jì)

依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，升降系統(tǒng)的吊環(huán)部件主要由100 mm厚的FH46鋼板焊接而成，接頭形式為對(duì)接，按以往常規(guī)的設(shè)計(jì)，采取非對(duì)稱坡口，但焊接工作量大，變形較難控制。考慮到焊槍的可達(dá)性，從易于控制變形和減少焊接工作量考慮，坡口設(shè)計(jì)改為X型對(duì)稱坡口，裝配間隙控制在6～8 mm之間，坡口角度40°，焊接坡口示意圖如圖1所示。

2.3 焊接參數(shù)

根據(jù)前述控制FH46鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能需注意的兩個(gè)問題，為避免產(chǎn)生冷裂紋，焊接冷卻速度較慢為宜，為防止脆化卻要求冷卻速度較快為宜，因此應(yīng)該兼顧上述兩點(diǎn)確定冷卻速度范圍。其上限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混合組織，下限取決于不產(chǎn)生冷裂紋。為此，所選的焊接熱輸入應(yīng)該保證HAZ過熱區(qū)的冷卻速度在150～200 ℃/h范圍。但在焊接厚板時(shí)，即使采用了較大熱輸入，冷卻速度往往還是超過了它的上限，這就必須采取預(yù)熱手段控制冷卻速度降低到不出現(xiàn)裂紋的極限值。因此正確選擇焊接熱輸入和預(yù)熱規(guī)范是保證焊縫組織不出現(xiàn)裂紋和脆化的關(guān)鍵。

2.3.1 焊接熱輸入的確定

從保證不出現(xiàn)裂紋的角度出發(fā)，在滿足熱影響區(qū)韌性的條件下，熱輸入應(yīng)盡可能大一些。熱輸入過大，造成焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大，焊接接頭韌性下降，其抗裂性能降低。熱輸入過小，則冷卻速度快，易淬硬，其裂紋傾向增大。參照相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定熱輸入控制在12～25 kJ/cm較為適宜，保護(hù)氣體采用純度不小于99.9%的CO2，具體焊接參數(shù)見表5。

2.3.2 預(yù)熱和層間溫度

預(yù)熱的目的是為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，而對(duì)于改善焊接熱影響區(qū)性能意義不大;相反，從它對(duì)于800～500 ℃的冷卻速度的影響來看，對(duì)韌性可能有不利的影響，因此一般在焊接低碳鋼時(shí)都采用較低的預(yù)熱溫度。預(yù)熱主要希望能降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，通過馬氏體的自回火作用來提高抗裂性能。當(dāng)預(yù)熱溫度過高時(shí)，對(duì)于控制冷裂紋產(chǎn)生沒有效果，反而會(huì)使800～500 ℃的冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的脆化現(xiàn)象。參照AWS D1.1規(guī)范中附錄H《確定預(yù)熱溫度的替代方法指南》的推薦[2]，確定該種材料預(yù)熱和層間溫度范圍在110～180 ℃之間，從而可以避免層間溫度過高引起的不利影響，如韌性下降等。

2.4 焊后熱處理（PWHT）

通常情況下，進(jìn)行焊后熱處理能消除焊縫金屬中的氫，還可以消除焊接接頭的大部分殘余應(yīng)力，能有效提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但調(diào)質(zhì)鋼的焊后熱處理工藝不適當(dāng)，可能會(huì)有適得其反的效果，會(huì)降低焊縫和熱影響區(qū)的韌性。去應(yīng)力處理時(shí)的冷卻速度越低，韌性降低的程度越嚴(yán)重;這類鋼材還可能有再熱裂紋的傾向，一般不進(jìn)行熱處理。該材料的加熱溫度超過其回火溫度后，性能就會(huì)發(fā)生變化。但船級(jí)社規(guī)范強(qiáng)制要求該結(jié)構(gòu)需熱處理，因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性，焊后熱處理的溫度比鋼材的回火溫度低30 ℃，即焊后熱處理溫度為600 ℃，升溫速度控制在150 ℃/h，對(duì)其進(jìn)行600 ℃±20 ℃保溫4 h后以150 ℃/h速率降溫，至200 ℃出爐。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社海洋平臺(tái)規(guī)范《Rules and Regulations for the Classification of Offshore Units Part 2》（2016）的要求進(jìn)行焊接接頭試驗(yàn)分析，焊接工藝評(píng)定理化試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：焊接接頭成型及缺陷觀察分析、宏觀及微觀組織分析、橫向拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊韌性試驗(yàn)及硬度測(cè)試。圖2為焊接接頭宏觀形貌，圖3和圖4分別為接頭彎曲試樣和橫向拉伸試樣，測(cè)試結(jié)果見表6和表7。

從圖2的焊接接頭宏觀形貌來看，焊縫金屬與兩側(cè)母材熔合良好，無裂紋、咬邊等缺陷，上下多層多道焊縫界面清晰，表面有少量余高。圖3的側(cè)向彎曲試件焊縫金屬有明顯變形，試件棱邊無裂紋。圖4的拉伸試樣出現(xiàn)了明顯頸縮，變形集中在HAZ外的母材金屬中，全部斷裂在母材，焊接接頭強(qiáng)度較母材偏高。從表6的試驗(yàn)結(jié)果可以斷定，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均在規(guī)范要求的合格范圍內(nèi)。

根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果編制焊接工藝規(guī)程指導(dǎo)書，并在焊接生產(chǎn)中嚴(yán)格管理，取得了良好效果。

4 結(jié)論

（1）采用CO2氣體保護(hù)電弧焊，焊接100 mm厚的FH46鋼海上風(fēng)電維護(hù)平臺(tái)，通過合理的設(shè)計(jì)和工藝，可以獲得滿足勞氏船級(jí)社（LR）海工平臺(tái)規(guī)范要求的焊接接頭，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

（2）設(shè)計(jì)對(duì)稱X形窄坡口，控制焊接熱輸入在15～25 kJ/cm之間，適合于大厚度FH46鋼的焊接。預(yù)熱和層間溫度控制在110～180 ℃之間，可以有效控制焊接接頭韌性下降的現(xiàn)象。

（3）焊后熱處理的溫度比鋼材的回火溫度低30 ℃，即焊后熱處理溫度為600 ℃，升溫速度控制在150 ℃/h，對(duì)其進(jìn)行600 ℃±20 ℃保溫4 h后以150 ℃/h速率降溫，至200 ℃出爐，可以有效地保證焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性。

參考文獻(xiàn)

[1] 周振豐. 焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2001.

[2]?ASME 鍋爐及壓力容器委員會(huì)材料分委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范（國(guó)際性規(guī)范）Ⅱ材料C篇[S].北京：中國(guó)石化出版社，2017.