季圣國(guó) 魏 亮
上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司
海工領(lǐng)域浮式起重船臂架回轉(zhuǎn)下支撐圓筒體主體結(jié)構(gòu)材料為FH69,是造船行業(yè)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)中最高韌性等級(jí)690級(jí)別高強(qiáng)鋼材料,其特點(diǎn)是不僅強(qiáng)度等級(jí)高,而且具有-60℃超低溫的優(yōu)良沖擊韌性要求。此類材料焊接工藝制定難度大,需要確定合理的焊接材料及焊接工藝,確保達(dá)到力學(xué)性能要求,獲得良好的接頭性能。
該回轉(zhuǎn)下支撐圓筒體結(jié)構(gòu)材料主要為FH69和EH69,其中板厚≥60 mm材料基本為FH69,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及制作要求極高,焊接要求多為全熔透CJP焊縫及≥30 mm超大焊腳角焊縫。針對(duì)此種690級(jí)別高強(qiáng)鋼材料,合理的工藝措施是保證焊接質(zhì)量和預(yù)防高強(qiáng)鋼焊接裂紋的關(guān)鍵(見(jiàn)圖1)。
圖1 回轉(zhuǎn)下支撐圓筒體
根據(jù)英國(guó)LR制作標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于FH69材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求[1],F(xiàn)H69化學(xué)成分見(jiàn)表1,力學(xué)性能見(jiàn)表2。
表1 FH69化學(xué)成分表/(Wt%)
表2 FH69力學(xué)性能表
FH69調(diào)質(zhì)鋼用作高強(qiáng)鋼的焊接結(jié)構(gòu),在合金成分上已考慮到焊接性的要求,其含碳量限制得較低,要求在0.18%以下。此類鋼是通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理獲得強(qiáng)化,焊后在熱影響區(qū)上除發(fā)生脆化外,還會(huì)有軟化,所以焊接過(guò)程中的冷裂紋控制和熱影響區(qū)脆化和軟化是主要問(wèn)題。
根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式:
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5
+(Ni+Cu)/15(%)
由表1可計(jì)算得出FH69的碳當(dāng)量Ceq≈0.608%。
隨著碳當(dāng)量的增加,鋼材的焊接性會(huì)變差,一般當(dāng)碳當(dāng)量小于0.4%時(shí),焊前不需要預(yù)熱(板厚太大時(shí)除外)。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.4%~0.6%時(shí),冷裂紋的敏感性將增大,焊接時(shí)需要采取預(yù)熱、后熱及用低氫型焊接材料施焊等一系列工藝措施。
2.3.1 接頭形式
建議:長(zhǎng)期不活動(dòng)將增加肺炎、胰島素抵抗、肌肉虛弱的風(fēng)險(xiǎn)。鼓勵(lì)患者術(shù)后第1天開始下床活動(dòng)并完成每日制定的活動(dòng)目標(biāo),如術(shù)后第1天下床活動(dòng)1~2 h,至出院時(shí)逐日增加活動(dòng)量。
焊接工藝評(píng)定按照LR規(guī)范要求,選用規(guī)格為60 mm×260 mm×650 mm的鋼板用于焊條電弧焊焊接,選用規(guī)格為60 mm×260 mm×1 000 mm的鋼板用于埋弧焊焊接。為了實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目所有板厚的全覆蓋,試驗(yàn)采用T=60 mm的FH69材料試板,采用X型坡口形式焊接,焊接工藝要求見(jiàn)表3。
表3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)細(xì)節(jié)
2.3.2 焊接方法
根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)件的制作工藝和制作狀態(tài),盡可能覆蓋較多類型焊接方法進(jìn)行施工,并且考慮到本項(xiàng)目超低溫高強(qiáng)鋼焊接性能、項(xiàng)目LR焊材認(rèn)證特殊要求、現(xiàn)場(chǎng)施工等多方面復(fù)雜情況,綜合考慮可操作性及焊接效率,選用手工焊條電弧焊和埋弧焊焊接方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接制作。
2.3.3 焊接材料
FH69為調(diào)質(zhì)鋼,考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工情況,在滿足技術(shù)要求條件下應(yīng)避免進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理,故選擇焊接材料時(shí)要求焊縫金屬在焊態(tài)下具有接近母材的力學(xué)性能。首先考慮在保證強(qiáng)度基礎(chǔ)上,具備-60℃超低溫下良好的沖擊韌性,并且能夠避免冷裂傾向。焊前按照要求進(jìn)行烘干,并且根據(jù)項(xiàng)目要求,必須具備英國(guó)LR資質(zhì)認(rèn)證,對(duì)不同國(guó)內(nèi)外品牌符合認(rèn)證要求的焊材性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,確定最終選材。
2.3.4 預(yù)熱溫度
FH69的合金元素較多,由于當(dāng)碳當(dāng)量大于0.45%時(shí),焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向增大,容易產(chǎn)生冷裂紋,為了防止FH69冷裂,焊前需采取必要的預(yù)熱措施來(lái)保證焊縫性能。預(yù)熱的主要目的是降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度,通過(guò)馬氏體的“自回火”作用來(lái)提高抗裂性能,預(yù)熱溫度一般小于200℃,若預(yù)熱溫度過(guò)高,會(huì)使冷卻速度過(guò)于緩慢,出現(xiàn)脆性混合組織而脆化[2]。
對(duì)于多層多道焊而言,后焊道對(duì)前焊道起退火作用,前焊道對(duì)后焊道起預(yù)熱作用。除預(yù)熱外還需注意控制道間溫度不能過(guò)高,防止焊縫及周邊組織在高溫環(huán)境下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),而導(dǎo)致焊接接頭晶粒粗化嚴(yán)重,塑性、韌性指標(biāo)降低;同時(shí)道間溫度也不能低于最低預(yù)熱溫度,防止焊縫冷卻速度太快形成淬硬組織和影響焊縫內(nèi)擴(kuò)散氫的逸出。
2.3.6 焊接電流電壓
焊接電流、電壓和焊接速度是焊接熱輸入的影響因素,焊條電弧焊應(yīng)盡量選用小線能量進(jìn)行焊接,結(jié)合預(yù)熱與道間溫度控制等措施,避免焊縫中產(chǎn)生淬硬組織,減少淬硬傾向。因不同品牌廠家焊劑成分配比不同,埋弧焊需參照廠家推薦最佳焊接參數(shù)進(jìn)行焊材性能試驗(yàn)。
2.3.7 后熱
焊接完成后需立刻進(jìn)行后熱處理,以防止延遲裂紋的產(chǎn)生,提高焊縫的綜合性能。
本試驗(yàn)采用英國(guó)LR船級(jí)社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)評(píng)定,對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲、硬度等力學(xué)性能測(cè)試。圖2為L(zhǎng)R力學(xué)試驗(yàn)取樣圖,表4為力學(xué)性能合格標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 LR力學(xué)試驗(yàn)取樣圖
表4 試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)
經(jīng)沖擊試驗(yàn),最終確定的工藝參數(shù)焊接完成的試板中,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)焊縫表面焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm、根部焊縫中心多個(gè)取樣位置進(jìn)行10 mm×10 mm規(guī)格-60℃夏比V型沖擊試驗(yàn),最終沖擊結(jié)果見(jiàn)圖3,無(wú)試驗(yàn)失敗組別,沖擊功均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn),滿足沖擊性能要求。
圖3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)拉伸試驗(yàn),最終確定的工藝參數(shù)焊接完成的試板中,各個(gè)取樣位置的橫向板狀拉伸的拉伸性能結(jié)果見(jiàn)圖4。其中SMAW拉伸試驗(yàn)斷裂位置在母材,SAW拉伸試驗(yàn)斷裂位置在焊縫,抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值≥770 MPa,各個(gè)拉伸值均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn),滿足拉伸性能要求。
圖4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果
彎曲試驗(yàn)中,彎頭直徑D選擇6 t大小彎頭,彎曲180°,冷彎后試樣上下表面焊縫及熱影響區(qū)經(jīng)外觀檢查合格,無(wú)可見(jiàn)缺陷,滿足冷彎試驗(yàn)要求。
對(duì)焊縫切片進(jìn)行宏觀腐蝕試驗(yàn),切片試樣焊縫金屬中相鄰各層之間和焊縫金屬和母材之間完全融合,焊縫細(xì)節(jié)符合規(guī)定的要求,無(wú)咬邊、夾渣、裂紋等缺陷,宏觀腐蝕試驗(yàn)合格。酸洗后,分別對(duì)焊后FH69的焊接接頭的母材、熱影響區(qū)、焊縫等區(qū)域進(jìn)行HV10維氏硬度測(cè)試。經(jīng)檢測(cè),手工焊SMAW方法的母材(264~283HV10)、熱影響區(qū)(283~333HV10)及焊縫中心區(qū)域(309~322HV10),埋弧焊SAW方法的母材(285~309HV10)、熱影響區(qū)(285~336HV10)及焊縫中心區(qū)域(299~315HV10),硬度結(jié)果均滿足最大布氏硬度值≤420HV的硬度要求。
通過(guò)試驗(yàn)多種焊接工藝,分析試驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論:焊接過(guò)程需要做好溫度控制和各項(xiàng)焊接參數(shù)控制,保證焊縫的強(qiáng)度和沖擊性能;厚板FH69對(duì)接,手工焊焊接熱輸入為1.0~1.82 KJ/mm,埋弧焊熱輸入為1.9~2.56 KJ/mm,預(yù)熱溫度150℃,層間溫度保持150~200℃。