海洋工程用F460Z高強鋼 大熱輸入埋弧焊接頭性能研究

曾鵬 易杰 周全 羅楊 沈小淳

摘要：采用CHW-S3AB型焊絲匹配CHF102型燒結焊劑，在50 kJ/cm大熱輸入下進行埋弧自動焊焊接F460Z鋼，研究F460Z鋼焊接接頭力學性能、金相組織和斷口形貌。結果表明：當焊接電流為750 A、焊接電壓為39 V、焊接速度為33.3 cm/min、預熱溫度為180 ℃時，可獲得最優焊接接頭，其抗拉強度為583 MPa，焊縫、熔合線和熱影響區-60 ℃沖擊吸收能量分別為55 J、62 J和71 J，焊縫組織主要由針狀鐵素體組成，焊接接頭各項指標均滿足標準要求，為大熱輸入埋弧焊在海洋工程領域的應用提供了理論和試驗依據。

關鍵詞：海洋工程;大熱輸入;F460Z;埋弧焊;低溫韌性

中圖分類號：TG445? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0083-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.13

0? ? 前言

海洋工程裝備主要用于海上油氣的鉆探及相關配套產品開發，是國家十三五規劃的重點布局之一，具有高技術、高投入、高附加值和高風險等特點，對產品的可靠性和安全性要求很高，其所采用的鋼種必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等特性[1-3]。

F460Z是南京鋼鐵有限公司為海洋工程用鋼開發和生產的重要產品，該鋼種通過微合金化、提高純凈度和控扎控冷技術（TMCP），獲得了強度高、低溫韌性好等綜合性能，在海洋平臺建造中得到了大量使用[4]。

由于海洋平臺大量使用中厚板鋼結構，采用埋弧焊接方法，尤其是大熱輸入埋弧焊能極大地提高工作效率，降低勞動強度。然而大熱輸入焊接時，傳統低合金高強鋼焊縫和熱影響區粗晶區低溫韌性較差，主要原因是原奧氏體晶粒的嚴重長大[5-10]。解決途徑為添加Ni元素促進針狀鐵素體的形成，以及利用鋼中微量元素Ti、B等形成的夾雜物抑制高溫下奧氏體的迅速粗化，促進晶內針狀鐵素體的形成來分割原奧氏體晶粒[10-15]。

文中采用與F460Z母材匹配的焊絲進行大熱輸入（50 kJ/cm）埋弧焊接，采取低碳及氧化物冶金技術改善焊縫組織以提高焊縫金屬的性能。焊后分析接頭組織和力學性能特點，以期為海洋工程用F460Z高強鋼大熱輸入埋弧焊的廣泛應用提供理論和試驗依據。

1 試驗材料與方法

試驗所采用的F460Z母材板厚為31.8 mm，化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

試驗所采用的焊接材料為CHW-S3AB型焊絲（規格φ4.0 mm）和CHF102型燒結焊劑，焊絲和焊劑的化學成分及熔敷金屬性能如表3～表5所示。

焊接試板尺寸為31.8 mm×150 mm×350 mm，接頭形式如圖1所示。在保證焊接熱輸入為50 kJ/cm的前提下，適當調整焊接電流、焊接速度和預熱溫度，焊接試驗工藝參數如表6所示。

按中國船級社《材料與焊接規范2017》對焊后的試板進行取樣，試驗。焊接接頭力學性能要求如表7所示。

2 試驗結果與分析

2.1 F460Z鋼焊接接頭力學性能

6種不同焊接工藝條件下焊接接頭抗拉強度如圖2所示。

由圖2可知，在50 kJ/cm熱輸入下，F460Z鋼埋弧焊焊接接頭的抗拉強度為580～593 MPa，達到母材的96%以上，且全部斷于母材，6種工藝條件下得到的抗拉強度均能滿足中國船級社《材料與焊接規范2017》的要求。

隨著預熱溫度由120 ℃升至180 ℃，相同焊接電流下接頭的抗拉強度均有小幅下降。這是因為預熱溫度的升高使得焊縫高溫停留時間長，冷卻速度變慢。預熱溫度相同時，隨著焊接電流的增大，焊接接頭抗拉強度也呈現出輕微的下降趨勢。

不同焊接工藝條件下焊接接頭-60 ℃沖擊吸收能量如圖3所示。

由表5、表6和圖3可知：（1）當預熱溫度相同時，焊接接頭各區的沖擊吸收能量變化趨勢相近，工藝1、2、3預熱溫度為120 ℃，工藝4、5、6預熱溫度為180 ℃;（2）焊接接頭-60 ℃沖擊韌性最薄弱區域為焊縫區，其沖擊吸收能量為各區最小值，預熱溫度為180 ℃時，焊縫區沖擊吸收能量為46～55 J，均滿足標準要求。當預熱溫度降至120 ℃，焊縫區沖擊吸收能量迅速下降，僅為27～30 J，未達到標準要求;（3）熔合線區域的沖擊吸收能量均合格，隨著預熱溫度的升高而增大。熔合線外2 mm區域沖擊吸收能量均合格，預熱溫度為120 ℃條件下的數值遠高于180 ℃。熔合線外5 mm區域沖擊韌性良好，沖擊吸收能量均大于200 J。

綜上分析可知，預熱溫度是影響焊接接頭低溫韌性的關鍵因素。隨著預熱溫度從180 ℃降至120 ℃，焊縫與熔合線區域的低溫韌性均下降。

這是因為：熱輸入相同時，預熱溫度的高低影響冷卻時間t8/5，而冷卻時間的長短直接影響焊縫金屬及過熱區的韌性。按照理論公式計算出預熱溫度為120 ℃和180 ℃時的冷卻時間，t8/5分別為38 s和45 s，隨著冷卻時間的變長，焊縫低溫韌性得到了改善，但使得熱影響區過熱區范圍增大，所以在熔合線外2 mm區域的，1、2、3號工藝沖擊吸收能量（120 ℃預熱溫度）遠大于4、5、6號工藝（180 ℃預熱溫度）。這是因為預熱溫度為120 ℃時，熔合線外2 mm區域已經為性能優良的熱影響區正火區，而預熱溫度為180 ℃時，該區域還處于熱影響區過熱區。

對F460Z焊接接頭取樣進行180°側彎試驗，彎曲完成后表面未出現裂紋和其他焊接缺陷，試驗結果全部合格。對F460Z焊接接頭取樣進行硬度試驗，焊縫宏觀形貌和硬度測試點分布如圖4a、4b所示，各區硬度值呈無規則分布，2號接頭和5號接頭的硬度值分別如圖4c、4d所示，均在170～260 HV10之間，滿足標準要求，未發現馬氏體等淬硬組織。

2.2 F460Z鋼焊接接頭金相組織

焊縫金屬的韌性好壞，主要取決于顯微組織。由接頭強度和低溫韌性數據分析可知，在相同熱輸入條件下，電流和焊接速度的不同匹配對接頭性能影響不明顯，而預熱溫度是影響接頭低溫韌性的關鍵因素。文中選取不同預熱溫度條件下的2號和5號工藝參數焊接接頭，通過光學顯微鏡觀察其焊縫金相組織，如圖5所示。

可以看出，F460Z焊縫金相組織為白色先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，并沿柱狀晶界分布，少量側板條鐵素體沿先共析鐵素體向晶內延伸，晶內為細小致密的針狀鐵素體組織。影響低溫韌性的因素主要有兩個：一是組織類型，二是晶粒尺寸。圖5a中，先共析鐵素體和側板條鐵素體所占比例為30%～40%，其余為針狀鐵素體。圖5b中，先共析鐵素體和側板條鐵素體的數量較少，僅為薄薄的一層，晶內針狀鐵素體數量增多，占80%左右。

為進一步觀察和測量焊縫組織形貌和尺寸，利用掃描電鏡對組織進行2 000倍放大觀察，如圖6所示。針狀鐵素體細小致密，約為3～10 μm，且以大角度晶界散雜分布，取向自由度大，能夠較好地抑制裂紋擴展，故針狀鐵素體的韌性較高。而先共析鐵素體和側板條鐵素體對裂紋的抵抗力較低，韌性較差。比較圖6a、6b可發現，5號工藝參數下，焊縫中針狀鐵素體的尺寸更為細小。所以5號焊縫的低溫沖擊韌性也更優。為進一步探究此現象的產生原因，對圖6a、6b中針狀鐵素體的核心進行EDS光譜測量，結果如圖6c、6d所示。在圖6c中，主要是Fe和Mn元素，而在圖6d中除了Fe和Mn元素外發現少量Ni元素。影響晶粒大小的主要因素為形核率和生長溫度，預熱溫度180 ℃下5號焊縫針狀鐵素體反而更細小，其原因可能為：此時的冷卻速度t8/5更利于焊接材料中的Ni和其他微量元素發揮韌化作用，抑制原奧氏體晶界上先析鐵素體的生長，從而促進晶內針狀鐵素體的形核。因此，在宏觀上體現出良好的低溫韌性，-60 ℃低溫沖擊吸收能量為55 J，符合CCS 《材料與焊接規范2017》對焊縫沖擊性能的要求。

熱影響區粗晶區靠近熔合線，原母材組織完全消失，在熱循環作用下重新奧氏體化，容易成為焊接接頭中的薄弱區域。2號和5號工藝參數焊接接頭熱影響區粗晶區的金相組織如圖7所示。可以看出，組織均由沿晶界析出的先共析鐵素體、晶內針狀鐵素體，以及少量貝氏體組成。2號接頭由于預熱溫度低，原始奧氏體晶粒略小于5號接頭，低溫沖擊韌性更好。

2.3 F460Z鋼焊縫斷口形貌

在掃描電鏡下觀察2號和5號工藝參數下的焊縫沖擊試樣斷口，如圖8所示。2號焊縫沖擊斷口放射區占絕大部分，如圖8a、8b所示，為準解理花樣，河流短而平。5號焊縫沖擊斷口如如圖8c、8d所示，放射區河流長而起伏，在“ 山峰 ”處有小韌窩，宏觀上顯示出較好的韌性。

3 結論

（1）在50 kJ/cm大熱輸入條件下，F460Z埋弧焊接頭抗拉強度、彎曲性能、硬度性能均能滿足要求。當預熱溫度為180 ℃時，焊接接頭各區-60 ℃沖擊吸收能量滿足要求，當預熱溫度為120 ℃時，焊縫區-60 ℃沖擊吸收能量不合格，其他各區滿足要求。

（2）在50 kJ/cm大熱輸入條件下，焊縫區組織為白色的先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，沿柱狀晶界分布，少量側板條鐵素體沿先共析鐵素體向晶內延伸，晶內為細小致密的針狀鐵素體組織。

（3）預熱溫度會影響焊縫的低溫韌性，當預熱溫度為180℃時，晶內針狀鐵素體所占比例為80%，且尺寸更細小，體現出良好的低溫韌性。

（4）50 kJ/cm大熱輸入埋弧焊工藝方法可應用于海洋工程用F460Z高強鋼厚板對接焊中，需要注意的是將預熱溫度及道間溫度控制在180 ℃左右。推薦焊接工藝參數為：焊接電流750 A，焊接電壓39 V，焊接速度33.3 cm/min。

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