EH36 鋼藥芯焊絲電弧焊接接頭沖擊及抗冷裂性能研究*

蘇沫林， 韓永典， 趙 雷， 徐連勇， 郭慧娟

（1. 天津大學材料科學與工程學院， 天津 300350；2. 天津大學天津市現代連接技術重點實驗室， 天津 300350）

0 前 言

隨著我國經濟的飛速發展， 對天然氣石油等能源需求日益增加， 然而海上石油工程雖會創造良好效益， 但消耗極大， 維護成本高， 在此工程中海洋平臺起著重要作用。 海洋平臺一般可分為三種類型， 即固定式、 半固定式以及活動式[1-3]。 其中在固定式海洋平臺中， 導管架型結構是其較為重要部分， 且具有較為特殊的焊接結構管節點。 而焊接工藝， 包括坡口大小及其角度都與焊接缺陷息息相關， 在高應力集中情況下容易誘導焊接冷裂形成， 降低海洋平臺壽命， 甚至會造成巨大經濟損失及人員傷亡。 剛性拘束裂紋試驗（rigid restraint crack test,RRC）， 是由日本大阪大學提出， 其原理是焊接冷卻過程中在接頭自身收縮而引起的應力的條件下， 被拘束的長度保持不變以進行焊接接頭承受外部拘束條件的模擬， 該試驗可以比較直觀體現接頭受力狀態， 結果較為準確[4]。 目前關于RRC 試驗的研究較少， 尤其是涉及海洋船用鋼材料。 EH36 鋼是一種船用鋼， 在海洋工程中應用較廣， 但也存在冷裂現象， 尤其是管節點冷裂紋的滯后性會引起巨大危害[5-8]。 因此， 本研究通過RRC 試驗， 在充分考慮EH36鋼的部分性能， 如碳當量、 焊接接頭的拘束狀態等條件下確定不同焊材下的冷裂敏感性， 進而制備具有良好沖擊性能、 抗冷裂性能的焊接接頭。

1 試驗方案及原理

1.1 試驗材料及方法

本試驗采用EH36 鋼作為焊接母材， 其化學成分見表1。 EH36 鋼的屈服強度為380 MPa，抗拉強度為540 MPa， 伸長率為32%， -40 ℃沖擊功為287 J。 對接焊焊板尺寸為1 100 mm×300 mm×50 mm， 試板焊接坡口形狀及尺寸如圖1 所示。

表1 EH36 鋼化學成分%

圖1 試板焊接坡口尺寸示意圖

根據工程實際情況， 選取了國產GFL-71Ni 焊絲和進口DW-A55L 焊絲進行對接焊試驗， 后經過RRC 試驗得到不同焊絲條件下的EH36 鋼焊接接頭， 焊絲成分及性能分別見表2及表3。

表2 GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L焊絲化學成分

表3 GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L 焊絲力學性能

1.2 焊接參數及步驟

試驗采用FCAW-G 焊接工藝， 使用兩種焊絲試驗時保持熱輸入范圍與預熱溫度相同。 預熱采用Miller PREHEAT 35 型感應加熱設備， 達到預熱溫度保溫60 s 后進行焊接。 焊前準備感應預熱裝置并設置預熱溫度， 具體焊接工藝參數見表4。

表4 FCAW-G 焊接工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫化學成分

GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L 焊絲焊接接頭焊縫化學成分見表5。 結果表明， 由于母材中含量較高的C 與合金元素在焊接高溫下向焊縫區的擴散以及保護氣體參與相關冶金反應， 導致焊縫中C 與合金含量增加。 整體而言， 與DW-A55L 焊絲焊接接頭焊縫相比， GFL-71Ni焊絲焊接接頭焊縫中的C、 Ni 含量較少， 但Si、 Mn 含量較高， 這與二者的焊絲成分保持一致。

表5 兩種焊絲焊接接頭焊縫成分

2.2 擴散氫含量

對GFL-71N 焊絲及DW-A55L 焊絲焊接接頭分別進行擴散氫含量的測定。 試驗方法采用氣相色譜法， 擴散氫試驗的試樣尺寸及試驗步驟按GB/T 3965—2012 標準進行， 試驗結果見表6。

表6 兩種焊絲焊接接頭擴散氫含量測試結果

從表6 可以看出， GFL-71NI 焊絲及DWA55L 焊絲接頭擴散氫含量均值分別為4.2 mL/100g及3.0 mL/100g。 焊接接頭的擴散氫含量對焊接接頭的冷裂紋敏感性影響重大， 焊接接頭發生延遲開裂往往是氫造成的。 20 世紀40 年代，研究者曾提出有關氫致延遲裂紋原理， 并探究了各種開裂機理， 但還是氫的應力擴散機理較為適合[9]。 該理論認為， 金屬材料內部的微缺陷， 如位錯、 晶格缺陷等潛在地提供裂紋源，并且在應力下導致三向應力區存在于微觀缺陷前沿， 使氫向該處擴散、 聚集。 而當氫濃度達到一定數量時會產生較大應力而阻礙位錯移動， 使其變脆， 隨著應力增加形成缺陷而產生裂紋。 圖2 所示為氫致裂紋的擴展過程， 試樣在受力過程中， 在裂紋敏感部位形成應力集中區， 氫會向該區域擴散從而增加應力， 而當該區域中氫濃度達到裂紋臨界值時， 導致裂紋產生并擴展。 隨后氫繼續向新的三向應力區擴散引起新的起裂， 最終形成宏觀裂紋。 然而在GFL-71Ni 焊絲及DW-A55L 焊絲接頭表面并未檢測出裂紋， 表明兩種接頭具有良好的抗冷裂性能。

圖2 氫致裂紋的擴展過程示意圖

根據焊接接頭測試結果可得到其對應的冷裂紋敏感系數[10-11]為

[H]——擴散氫含量；

Rcr——臨界拘束度，Rcr=ET/Lcr， 其中E 為EH36 鋼彈性模量， T 為板材厚度， Lcr為拘束距離。

經計算， GFL-71Ni 及DW-A55L 焊絲接頭冷裂敏感系數Pw分別為0.345 及0.326， 表明DW-A55L 焊絲的抗冷裂性能較好。

2.3 沖擊性能

焊接接頭的沖擊性能也是評判焊縫性能的指標之一， 因此對兩種焊絲接頭進行沖擊試驗。 試驗采取的是一道焊縫對接焊。 由于本研究中的焊縫高度為4～5 mm， 因此不能制備10 mm×10 mm×55 mm 的標準試樣， 根據實際接頭大小制備10 mm×2.5 mm×55 mm 沖擊試樣， V 形缺口。 同時， 為研究接頭不同位置的沖擊性能， 在焊縫和熔合線+1 mm 處取樣， 取樣位置如圖3 所示。

根據AWS D1.1—2015 標準， 對沖擊試樣進行-40 ℃的沖擊性能測試， 每個位置取3 個試樣， 測試后取平均值， 試驗結果如圖4 所示。結果表明， 兩種焊絲接頭焊縫的沖擊功分別為19.7 J 和20.5 J， 均比熔合線+1 mm 處沖擊功低； 而GFL-71Ni 焊絲接頭熔合線+1 mm 處的沖擊功比DW-A55L 焊絲略高， 二者的沖擊功分別為36.4±1.6 J 和31.9±3.4 J。

圖3 沖擊試樣取樣位置及尺寸示意圖

圖4 兩種焊絲焊接接頭沖擊試驗結果

圖5 和圖6 分別為GFL-71Ni 焊絲及DWA55L 焊絲焊接接頭沖擊斷口SEM 形貌， 通過圖5 （a） 及圖6 （a） 可以看出， 兩種焊絲焊接接頭焊縫處的沖擊斷口形貌相似， 存在大量細小韌窩， 呈現典型的韌性斷口形貌； 通過圖5 （b）和圖6 （b） 可以看出， 兩種焊絲焊接接頭熔合線+1 mm 處的沖擊斷口中韌窩的寬度和深度均較焊縫處大。 相比而言， GFL-71Ni 焊絲焊接接頭熔合線+1 mm 處的沖擊斷口中韌窩的寬度和深度稍大。

圖5 GFL-71Ni 焊絲焊接接頭沖擊斷口形貌

圖6 DW-A55L 焊絲焊接接頭沖擊斷口形貌

3 結 論

（1） 采用GFL-71Ni 和DW-A55L 兩種焊絲的EH36 鋼焊接接頭焊縫的沖擊功分別為19.7 J和20.5 J ， 均比熔合線+1 mm 處的沖擊功低。GFL-71Ni 焊絲接頭熔合線+1 mm 處的沖擊功比DW-A55L 焊絲稍高， 二者的沖擊功分別為36.4±1.6 J 和31.9±3.4 J。 且經過48 h 剛性拘束焊接試驗， 兩種接頭在表面均未產生裂紋， 表明接頭具有良好的抗冷裂性。

（2） 經過計算得到的GFL-71Ni 焊絲接頭的冷裂紋敏感系數及擴散氫含量均高于DW-A55L焊絲接頭， 表明DW-A55L 焊絲焊接接頭的抗冷裂性能優于GFL-71Ni 焊絲焊接接頭。