高強鋼超低溫焊接工藝研究

季圣國 魏 亮

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

海工領域浮式起重船臂架回轉下支撐圓筒體主體結構材料為FH69，是造船行業船級社標準中最高韌性等級690級別高強鋼材料，其特點是不僅強度等級高，而且具有-60℃超低溫的優良沖擊韌性要求。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，確保達到力學性能要求，獲得良好的接頭性能。

2 試驗材料及方法

該回轉下支撐圓筒體結構材料主要為FH69和EH69，其中板厚≥60 mm材料基本為FH69，結構強度及制作要求極高，焊接要求多為全熔透CJP焊縫及≥30 mm超大焊腳角焊縫。針對此種690級別高強鋼材料，合理的工藝措施是保證焊接質量和預防高強鋼焊接裂紋的關鍵(見圖1)。

圖1 回轉下支撐圓筒體

2.1 試驗母材化學成分和力學性能

根據英國LR制作標準中對于FH69材料的化學成分及力學性能要求[1]，FH69化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 FH69化學成分表/(Wt%)

表2 FH69力學性能表

2.2 焊接性分析

FH69調質鋼用作高強鋼的焊接結構，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。此類鋼是通過調質熱處理獲得強化，焊后在熱影響區上除發生脆化外，還會有軟化，所以焊接過程中的冷裂紋控制和熱影響區脆化和軟化是主要問題。

根據國際焊接協會推薦的碳當量計算公式：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5

+(Ni+Cu)/15(%)

由表1可計算得出FH69的碳當量Ceq≈0.608%。

隨著碳當量的增加，鋼材的焊接性會變差，一般當碳當量小于0.4%時，焊前不需要預熱(板厚太大時除外)。當碳當量大于0.4%～0.6%時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需要采取預熱、后熱及用低氫型焊接材料施焊等一系列工藝措施。

2.3 試驗條件

2.3.1 接頭形式

建議：長期不活動將增加肺炎、胰島素抵抗、肌肉虛弱的風險。鼓勵患者術后第1天開始下床活動并完成每日制定的活動目標，如術后第1天下床活動1～2 h，至出院時逐日增加活動量。

焊接工藝評定按照LR規范要求，選用規格為60 mm×260 mm×650 mm的鋼板用于焊條電弧焊焊接，選用規格為60 mm×260 mm×1 000 mm的鋼板用于埋弧焊焊接。為了實現本項目所有板厚的全覆蓋，試驗采用T=60 mm的FH69材料試板，采用X型坡口形式焊接，焊接工藝要求見表3。

表3 焊接工藝評定試驗細節

2.3.2 焊接方法

根據產品構件的制作工藝和制作狀態，盡可能覆蓋較多類型焊接方法進行施工，并且考慮到本項目超低溫高強鋼焊接性能、項目LR焊材認證特殊要求、現場施工等多方面復雜情況，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行現場焊接制作。

2.3.3 焊接材料

FH69為調質鋼，考慮到現場施工情況，在滿足技術要求條件下應避免進行焊后消應力熱處理，故選擇焊接材料時要求焊縫金屬在焊態下具有接近母材的力學性能。首先考慮在保證強度基礎上，具備-60℃超低溫下良好的沖擊韌性，并且能夠避免冷裂傾向。焊前按照要求進行烘干，并且根據項目要求，必須具備英國LR資質認證，對不同國內外品牌符合認證要求的焊材性能進行試驗研究，確定最終選材。

2.3.4 預熱溫度

FH69的合金元素較多，由于當碳當量大于0.45%時，焊接熱影響區的淬硬傾向增大，容易產生冷裂紋，為了防止FH69冷裂，焊前需采取必要的預熱措施來保證焊縫性能。預熱的主要目的是降低馬氏體轉變時的冷卻速度，通過馬氏體的“自回火”作用來提高抗裂性能，預熱溫度一般小于200℃，若預熱溫度過高，會使冷卻速度過于緩慢，出現脆性混合組織而脆化[2]。

對于多層多道焊而言，后焊道對前焊道起退火作用，前焊道對后焊道起預熱作用。除預熱外還需注意控制道間溫度不能過高，防止焊縫及周邊組織在高溫環境下停留時間過長，而導致焊接接頭晶粒粗化嚴重，塑性、韌性指標降低；同時道間溫度也不能低于最低預熱溫度，防止焊縫冷卻速度太快形成淬硬組織和影響焊縫內擴散氫的逸出。

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，焊條電弧焊應盡量選用小線能量進行焊接，結合預熱與道間溫度控制等措施，避免焊縫中產生淬硬組織，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進行焊材性能試驗。

2.3.7 后熱

焊接完成后需立刻進行后熱處理，以防止延遲裂紋的產生，提高焊縫的綜合性能。

3 力學性能分析

本試驗采用英國LR船級社規范標準進行力學試驗評定，對焊接試樣進行拉伸、沖擊、彎曲、硬度等力學性能測試。圖2為LR力學試驗取樣圖，表4為力學性能合格標準。

圖2 LR力學試驗取樣圖

表4 試驗合格標準

3.1 沖擊試驗

經沖擊試驗，最終確定的工藝參數焊接完成的試板中，通過對試驗焊縫表面焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm、根部焊縫中心多個取樣位置進行10 mm×10 mm規格-60℃夏比V型沖擊試驗，最終沖擊結果見圖3，無試驗失敗組別，沖擊功均達到合格標準，滿足沖擊性能要求。

圖3 沖擊試驗結果

3.2 拉伸試驗

經拉伸試驗，最終確定的工藝參數焊接完成的試板中，各個取樣位置的橫向板狀拉伸的拉伸性能結果見圖4。其中SMAW拉伸試驗斷裂位置在母材，SAW拉伸試驗斷裂位置在焊縫，抗拉強度實測值≥770 MPa，各個拉伸值均達到合格標準，滿足拉伸性能要求。

圖4 拉伸試驗結果

3.3 彎曲試驗

彎曲試驗中，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經外觀檢查合格，無可見缺陷，滿足冷彎試驗要求。

3.4 宏觀及硬度

對焊縫切片進行宏觀腐蝕試驗，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，焊縫細節符合規定的要求，無咬邊、夾渣、裂紋等缺陷，宏觀腐蝕試驗合格。酸洗后，分別對焊后FH69的焊接接頭的母材、熱影響區、焊縫等區域進行HV10維氏硬度測試。經檢測，手工焊SMAW方法的母材(264～283HV10)、熱影響區(283～333HV10)及焊縫中心區域(309～322HV10)，埋弧焊SAW方法的母材(285～309HV10)、熱影響區(285～336HV10)及焊縫中心區域(299～315HV10)，硬度結果均滿足最大布氏硬度值≤420HV的硬度要求。

4 結語

通過試驗多種焊接工藝，分析試驗結果可得以下結論：焊接過程需要做好溫度控制和各項焊接參數控制，保證焊縫的強度和沖擊性能；厚板FH69對接，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，預熱溫度150℃，層間溫度保持150～200℃。