DH36船用鋼板-20℃下CTOD工藝開發及應用

■ 汪彬，袁建松，張劍利，賀龍威，范瀝元，蔡新榮

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海洋工程組塊和導管架是一種典型的大型焊接結構，由于其工作環境嚴酷、結構形式復雜、應力集中程度高，加之焊接缺陷及接頭組織性能不均勻性的影響，在外載荷的作用下很容易產生脆性破壞。尤其是當板厚增加時，焊接接頭的殘余應力對結構的影響更加明顯。因此一般的標準與項目規格書中均對厚板要求進行焊后熱處理，以降低焊接殘余應力。

近年來，隨著研究的不斷深入，越來越多的標準與規格書規定，當在焊態下焊接接頭的CTOD性能合格時，可以免去焊后熱處理工序。基于此，免除熱處理的CTOD焊接工藝在越來越多的工程項目中得到應用，采用CTOD工藝對降低建造成本與工期有非常大的意義。但是，對于渤海的某些平臺來說，設計溫度達到了-15℃甚至更低，這就對CTOD工藝提出了更高的要求。

1. 概述

渤海某鉆井平臺項目中對板厚超過50mm的焊接接頭要求進行焊后熱處理，但同時規定如果焊接接頭的CTOD測試能夠滿足要求，則可以免除焊后熱處理。項目主材料為GB 712 DH36，設計溫度-18.5℃。

溫度是影響材料韌性的最重要的因素，材料在低溫下很容易發生脆斷。國內外對CTOD焊接工藝均有研究，但對于低溫CTOD，尤其是對DH36鋼板在-20℃以下的CTOD性能的研究尚不多見，而CTOD性能隨著溫度的降低越來越低，越來越難達到合格值。DH36的材料能保證韌性的沖擊溫度只有-20℃，因此在更低的溫度下要保證CTOD性能，對工藝提出了更高的要求。

2. 試驗

焊接工藝是保證接頭性能的重要因素，一般材料在經過焊接的熱循環之后性能都會有所下降。要保證整個焊接接頭的性能都能滿足要求，焊接工藝必需從各方面都嚴格控制。

本文在國內外的研究基礎上，結合項目的特點，對項目中大量使用的80mm的鋼板進行了CTOD焊接工藝開發。選用的母材分別來自湖南湘潭鋼廠，母材材質為DH36鋼板。焊材采用日本神鋼的DW—A55L藥芯焊絲，采用FCAW—G藥芯焊絲氣體保護焊工藝，坡口設計為K形雙面焊接坡口，背面需要清根處理。焊接完成后，進行無損檢測，然后進行常規力學性能測試以及CTOD測試，為保有部分設計余量，CTOD測試的溫度為-20℃。

（1）母材及坡口準備 本試驗選用的母材來自工程項目，厚度80mm，牌號為GB712 DH36，供貨狀態為正火。材料的化學成分及力學性能如表1和表2所示。

試板長度為1000mm，寬度500mm。坡口采用K形雙面坡口,角度為45°（見圖1）。焊接試驗分別在2G和3G位置進行，以驗證最大熱輸入和最小熱輸入對接頭CTOD性能的影響。

（2）焊材 焊材采用高強匹配，選用日本神鋼生產的藥芯焊絲，為低氫材料，焊絲直徑1.2mm，焊絲的力學性能如表3所示。

（3）設備與工藝 試驗采用FCAW—G 藥芯焊絲氣體保護焊工藝，保護氣體為Ar+CO2混合氣。焊接設備為唐山松下生產的型號為YD—500ER的數字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源。輸出電流為60～500A，輸出電壓為17～41V。

CTOD試驗對焊縫以及熱影響區性能要求嚴格，除材料本身因素外，焊接電流、電弧電壓、熱輸入、最大層間溫度和最小預熱溫度對性能均有影響。通過對母材與焊材的性能分析，結合焊接冶金學的基本原理，及以往焊接工藝的研究經驗，選取合適的焊接熱輸入、優化焊接參數，嚴格控制預熱溫度與層間溫度，使焊接接頭的性能達到最優。具體焊接參數如表4所示。

圖1 坡口示意

（4）焊接要點 焊接接頭要接受嚴格的CTOD測試，測試溫度在-20℃，條件十分嚴苛，為保證焊縫接頭的性能質量，在焊接過程中除了嚴格遵守工藝要求以外，還需要注意以下細節要點：①焊接速度較快，每層焊道較薄，凝固速度快，容易產生氣孔和夾渣缺陷，在施工中應當加以注意。②控制好焊槍角度，控制焊絲干伸長為15～20mm，采用短弧擺動，最大擺動寬度不超過15mm。③每層焊道的厚度不易超過4mm，每層焊道采用鋼絲刷或砂輪機清理干凈，對有飛濺、卷邊及表面熔合不好的焊道及時用砂輪機打磨消除，以防止影響下一層焊接，引起夾渣缺陷。④當一面焊縫填充6道之后采用碳弧氣刨清根，焊接另一面。氣刨過程中應避免造成氣刨溝槽深淺不平，選用較小一點的電流進行氣刨操作，避免刨槽偏離焊縫中心。氣刨坡口要適當增大。氣刨完成后用砂輪機打磨光亮。⑤兩面盡量對稱焊接，防止一面填充過多，產生拉應力過大影響焊接質量。⑥焊接蓋面時焊接電流電壓不易過大，以防止發生咬邊。⑦母材預熱溫度要求至少110℃，最大層間溫度200℃。

3. 試驗結果與討論

焊接完成后，對試板進行外觀、MT、UT檢測，均符合標準要求。然后按照AWS D1.1進行減截面拉伸、側向彎曲、橫向沖擊、宏觀、硬度等性能測試，按照BS7448 對焊縫和熱影響區進行CTOD測試，各項指標測試合格。

（1）常規力學性能試驗 按照標準的要求，常規的力學性能試驗包括拉伸、彎曲、沖擊、宏觀硬度。拉伸試驗在1000kN微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載速率10mm/min。最終斷裂在母材位置，強度520MPa，結果合格。

側彎試驗在300kN微機控制電子萬能試驗機上完成，彎曲完成后的試樣如圖2所示，無可見的裂紋，結果合格。

圖3是宏觀形貌，熔合良好，無缺陷，硬度值如表5所示，最大硬度282HV10，符合標準要求。

表3 填充焊絲力學性能

表4 焊接參數

沖擊試驗結果如表6所示，可以看出在熱影響區位置沖擊值有所降低，但也都能滿足標準規定的最小單值27J，最小平均值36J的要求。

（2）CTOD試驗 CTOD試驗步驟主要分為機加工試件、開設疲勞裂紋、加載壓斷，測量計算，有效性判斷等5步。首先按照要求從焊完的試板上一共取6件500mm×80mm×80mm的矩形試件，其中3件在熱影響區預制疲勞裂紋，另外3件在焊縫的位置預制疲勞裂紋，然后對試件降溫，保證溫差不超過±2℃。在-20℃的環境下，在萬能試驗機上將試件進行壓斷，加載速率在0.5～1mm/min之間，失穩斷裂后在顯微鏡下測量試件的裂紋長度，然后按照標準進行CTOD值的計算以及有效性判定。具體結果如表7所示。 CTOD試件的斷口形貌如圖4所示。

試驗結果表明，試樣均為有效試樣，在-20℃的試驗溫度下，CTOD值均＞0.15mm，符合標準的要求。工藝評定合格，證明了焊接接頭在-20℃的服役環境下具備良好的斷裂韌性，可以免除焊后熱處理。

表5 焊縫接頭硬度值 （HV10）

表6 沖擊試驗結果

表7 熱影響區和焊縫CTOD值

圖2 彎曲試驗完成后的試樣

圖3 宏觀形貌

圖4 CTOD試件的斷口形貌

4. 結語

GB712 DH36的材料，采用藥芯氣體保護焊工藝，選擇合適的工藝參數，其焊接接頭可以通過-20℃ 下CTOD試驗的測試。

CTOD工藝試驗結果表明，CTOD工藝具備更強的適應性，該溫度條件下CTOD工藝的成功開發，不僅減少了工程項目中的施工工序，降低了施工人員工作強度，同時節省了大量的費用，縮短了工期，在海洋工程鋼結構焊接中必將得到越來越廣泛的應用。