焊接熱輸入量對E36高強度鋼接頭金相組織及機械性能的影響

施洪慧

（領新（南通）重工有限公司，江蘇南通 226017）

0 引言

開發和利用海洋是全球發展的需要，而海工裝備制造業中，工作環境由常規海況向惡劣海況及極區嚴寒環境發展。因此海洋工程裝備比較多地使用高強度和超高強度結構鋼，這些材料無論是對強度還是低溫沖擊性能都要求非常高。焊接過程中的諸多因素都會對接頭的性能產生影響。研究表明焊接熱輸入量的大小對材料的焊接接頭機械性能影響很大，文中以E36結構鋼為對象，研究不同焊接熱輸入量下的微觀金相組織及機械性能的變化，獲得合適的焊接參數來指導實際E36材料運用于海工產品的焊接生產。

1 試驗方法

對于高強度海工材料的焊接，遵循相近原則，母材采用20mm厚的E36正火試板，焊接填充材料使用φ1.2mm直徑的E501T-1L結構鋼藥芯焊絲，母材和焊材的化學成分機械性能比對分別如表1和表2[1,2]所示。采用 100%CO2氣體保護藥芯焊絲焊接（FCAW）。為了取得最佳結果，選取了通常使用相對較大焊接熱輸入量的立對接的焊接位置。具體試樣尺寸為：20mm×500mm×180mm，X型坡口，坡口角度為60°，間隙0mm~1mm，鈍邊1mm~2mm（圖1）。設計了2組焊接參數分別進行試驗（表3），該參數除了焊接速度不同外，其余參數均相同。

表1 E36結構鋼與E501T-1L藥芯焊絲化學成分(%)

表2 E36結構鋼與E501T-1L機械性能

表3 兩組FCAW焊接試樣的焊接工藝參數

表4 E36結構鋼焊接接頭機械性能試驗方法及試樣數量

表5 兩組試樣焊接區域化學成分分析(%)

表6 兩組試樣機械性能數據

對焊接試樣按照分別進行化學成分分析和機械性能試驗，機械性能試驗方法、具體試樣數量及方法如表4所示。

2 試驗結果

圖1 焊接試板詳細尺寸

2.1 焊接區域化學成分分析結果

結果如表5所示。參照GB712-2000船體用結構鋼和GB/T10045-2001碳鋼藥芯焊絲中相應材質的化學成分，可見兩組焊接接頭試樣的化學成分均沒有超出標準規定的范圍，均達標合格。

2.2 對焊接接頭的機械性能試驗結果

機械性能試驗結果如表6所示。

圖2中，白色基體為鐵素體，灰黑色條、塊狀均為細片狀珠光體，金相組織未見異常。圖3中，基體為板條狀低碳馬氏體，黑色小點狀為碳化物，碳化物在晶界上分布，并呈封閉網狀。

圖2 1#試樣焊縫中心組織（倍率：500）

圖3 2#試樣焊縫中心組織（倍率：1000）

從試驗結果可以看出，1#組的無論是化學成分還是機械性能均能滿足規范要求，判定為合格。而2#組別的試驗，雖然化學成分及部分機械性能試驗結果合格，但是沖擊值非常低，判定為不合格[3]。

3 分析討論

因為兩組焊接試樣除了焊接速度不同，其他參數均一致，2#組焊接時的熱輸入量為1.54kJ/mm~1.81kJ/mm，而 1號組的熱輸入量為5.54kJ/mm~5.92kJ/mm。所謂熱輸入量，即單位長度焊縫輸入的能量：E=U·I·焊接時間×6/(焊縫長度×100)。根據IACS國際船級聯合會標準[4]規定，熱輸入量要低于5kJ/mm，否則會對焊接接頭帶來很大的質量隱患。很明顯這是由于焊接速度不同產生的熱輸入量的不同，使得焊接接頭的組織發生了改變從而導致沖擊值降低。

本試驗母材E36和焊材E501T-1L的含碳量均小于0.77%，從Fe-Fe3C相圖可以看出，當自912℃冷至727℃時，均會從奧氏體中沿晶界析出滲碳體。由于2#試樣焊接速度過慢，使得焊接區域的金相組織在 912℃至 727℃區間停留時間過長，從而析出了大量的碳化物，許多碳化物沿著晶界集聚并形成了封閉的網狀結構，使得沖擊性能急劇下降。

4 結論

1）高強度鋼E36焊接時需要控制好焊接參數，不論哪個參數改變，總體上都要控制好熱輸入量不超過5kJ/mm。

2）高強度鋼E36焊接過程中，焊接速度過慢會使得焊縫組織在自液態向固態的轉換過程中，長時間處于高溫區域（912~727℃℃），析出大量的碳化物，嚴重的會使得析出的碳化物在晶界形成封閉的網狀結構，使得焊接接頭的沖擊韌性急劇下降。

[1] GB712-2000, 船體用結構鋼[S]. 2000.

[2] GB/T10045-2001, 碳鋼藥芯焊絲[S]. 2001.

[3] DNV. Offshore Standard: Fabrication and Testing of Offshore Structures DNV-OS-C401[S]. 2013.

[4] IACS. 國際船級社聯合會(IACS)規范材料和焊接(W28)[S]. 2006.