海洋平臺(tái)樁腿EQ51+EQ70異種鋼FCAW焊接工藝研究

張濤，梁雅琳，魏麗芹

1.煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司 山東煙臺(tái) 264012

2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300072

1 序言

隨著海洋資源開發(fā)急劇增加，海洋平臺(tái)作為重要的海工裝備，其需求也日益增加。海洋平臺(tái)要在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等惡劣的海洋環(huán)境中服役，對焊接質(zhì)量要求非常嚴(yán)格[1-3]。為了減輕海洋工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，同時(shí)又增加結(jié)構(gòu)整體的安全性，因此采用材料的強(qiáng)度級(jí)別越來越高，板材厚度也不斷增加[4，5]。

EQ51和EQ70超高強(qiáng)鋼以其足夠的強(qiáng)度、低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和一定的伸長率在海工方面獲得廣泛應(yīng)用，尤其是在海洋平臺(tái)的一些重要結(jié)構(gòu)，如樁腿、懸臂梁、升降機(jī)構(gòu)等[3，5，6]。鑒于海洋平臺(tái)為大型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)備，焊接部位多，因此焊接性能優(yōu)劣直接影響到海洋平臺(tái)的安全和可靠性[7]。大厚板EQ51與EQ70異種鋼焊接更容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，為此，制定合理的焊接工藝，確保焊接質(zhì)量，對于海洋平臺(tái)服役安全性具有至關(guān)重要的作用。因此，本文主要研究了EQ51與EQ70異種鋼對接藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）焊接工藝和力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

根據(jù)海工平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，母材為65mm厚的EQ51和EQ70超高強(qiáng)鋼，焊接材料選用5YQ500 SA H5，焊絲直徑為1.2mm。焊接試板坡口為K形，焊接方法為FCAW，保護(hù)氣體為CO2，焊接試驗(yàn)采用多層多道雙面焊接方式，焊接位置為橫焊（2G）。

焊接試板的力學(xué)試驗(yàn)：分別對焊縫中心、熔合線附近粗晶熱影響區(qū)（FL+0.4mm）及細(xì)晶熱影響區(qū)（FL+2.0mm）取樣進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為－40℃，試樣尺寸為55mm×10mm×10mm，每個(gè)位置取3個(gè)試樣進(jìn)行測試。通過顯微維氏硬度計(jì)測量了焊接接頭的硬度分布，試驗(yàn)載荷為98N，加載時(shí)間為15s。彎曲試驗(yàn)采用側(cè)彎試樣，彎曲角度180°，測試4個(gè)試樣。同時(shí)，采用5%的硝酸酒精溶液浸蝕焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)。

3 焊接工藝要求

（1）母材焊接性分析 母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）的碳當(dāng)量公式，計(jì)算母材EQ70和EQ51高強(qiáng)鋼板的碳當(dāng)量分別為0.450%和0.434%，而當(dāng)CE=0.4%～0.6%時(shí)，焊接性稍差，因此母材EQ70和EQ51超高強(qiáng)鋼具有一定的冷裂紋敏感性，焊前需適當(dāng)預(yù)熱。此外，由于材料強(qiáng)度高，所以焊接熱影響區(qū)，特別是粗晶區(qū)存在韌性下降的傾向[2]。

（2）焊接材料選用 考慮到母材熔合比的影響、抗裂性及低溫韌性的要求，選用低氫焊接材料，且焊接材料中還需有一定量的Ni元素，這有利于焊縫金屬中形成針狀鐵素體，保證良好的低溫沖擊性能和塑性[8]。焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 母材與焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材與焊接材料的力學(xué)性能

（3）預(yù)熱溫度 由于母材厚度大、強(qiáng)度高，所以預(yù)熱溫度要求≥150℃。

（4）層間溫度 考慮到焊接熱循環(huán)的影響，尤其是K形坡口直邊熱影響區(qū)易出現(xiàn)組織粗化現(xiàn)象，層間溫度控制在150～185℃。

（5）焊接參數(shù) 為保證焊接接頭的力學(xué)性能，焊接熱輸入不宜過高或過低，以防止出現(xiàn)組織粗大或者脆性組織，具體FCAW焊接參數(shù)見表3。

表3 FCAW焊接參數(shù)

（6）坡口形式 采用雙面焊接，根據(jù)焊接接頭形式和尺寸制定合理的焊道排布。坡口形狀、尺寸及焊道分布如圖1所示。

圖1 K形坡口及焊道排布

（7）焊后消氫處理 由于板厚較大，焊絲為藥芯焊絲，故為了防止擴(kuò)散氫導(dǎo)致焊后出現(xiàn)氫致裂紋，焊后需進(jìn)行消氫處理，即在200℃保溫4h。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 硬度試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭硬度檢測結(jié)果如圖2所示，熔合線附近粗晶熱影響區(qū)（FL+0.4mm）的硬度值明顯高于其他區(qū)域，其中EQ70超高強(qiáng)鋼一側(cè)粗晶區(qū)硬度的平均值（314±21）HV10稍高于EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)粗晶區(qū)硬度的平均值（300±11）HV10，焊縫硬度的平均值為（231±15） HV10。EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)細(xì)晶熱影響區(qū)（FL+2mm）和母材的硬度的平均值分別為（246±10）HV10和（227±5）HV10。EQ70超高強(qiáng)鋼一側(cè)細(xì)晶熱影響區(qū)和母材硬度的平均值分別為（275±36）HV10和（266±7）HV10。焊接接頭各區(qū)域的硬度均低于420HV10，滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 焊接接頭硬度檢測結(jié)果

4.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，焊縫兩側(cè)熔合線附近粗晶熱影響區(qū)（FL+0.4mm）的沖擊吸收能量相對較低，其中EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)熔合線粗晶熱影響區(qū)的沖擊吸收能量最低，平均值為49J。EQ70超高強(qiáng)鋼一側(cè)熔合線粗晶熱影響區(qū)的沖擊吸收能量為110J，相對來說，沖擊性能良好。兩側(cè)細(xì)晶熱影響區(qū)（FL+2.0mm）的沖擊性能最好。EQ51和EQ70超高強(qiáng)鋼側(cè)的細(xì)晶熱影響區(qū)沖擊吸收能量的平均值分別為178J和212J，焊縫沖擊吸收能量的平均值為125J。盡管EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊吸收能量相對較低，但是在－40℃下的沖擊吸收能量均＞27J，因此，焊接接頭不同區(qū)域的低溫沖擊吸收能量均滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求(－40℃沖擊吸收能量平均值為45J，最小值為32J），沖擊試驗(yàn)結(jié)果合格。對EQ51+EQ70異種鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果，從坡口形式分析，EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)坡口為直邊，在多層多道焊過程中，粗晶區(qū)溫度較高，高溫停留時(shí)間長，在冷卻過程中極易出現(xiàn)粗大的上貝氏體組織，導(dǎo)致EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)粗晶區(qū)沖擊性能下降；在EQ70超高強(qiáng)鋼一側(cè)，坡口為斜邊，缺口位置落在粗晶區(qū)的范圍有限，低溫沖擊性能相對較好。因此，在焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入和層間溫度，防止坡口直邊EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)的粗晶區(qū)溫度過高、高溫停留時(shí)間過長而導(dǎo)致出現(xiàn)粗大組織。熱影響區(qū)（FL+2mm）位置為細(xì)晶區(qū)，由于晶粒細(xì)小，有利于獲得良好的強(qiáng)度和韌性，因此EQ51和EQ70超高強(qiáng)鋼兩側(cè)熱影響區(qū)（FL+2mm）位置的低溫沖擊吸收能量均較高。

表4 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

針對EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭，取2個(gè)接頭拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為704MPa、707MPa，斷裂位置均在母材EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度為610～770MPa要求。從表2母材和焊接材料的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析可知，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于母材，因此拉伸斷裂位置均在母材一側(cè)；同時(shí)，母材EQ51超高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度低于EQ70超高強(qiáng)鋼，最終兩組拉伸試樣均在EQ51超高強(qiáng)鋼一側(cè)斷裂。

表5 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭取4個(gè)側(cè)彎試樣，彎曲至180°，焊接接頭均未出現(xiàn)裂紋和其他缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明，EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭具有良好的抗冷彎性能，滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求，具體試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4.5 低倍金相及缺陷檢查

截取EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭的剖面，經(jīng)粗磨、精磨、拋光后，用5%的硝酸酒精溶液浸蝕，剖面宏觀金相如圖3所示。宏觀金相結(jié)果表明，EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭多層多道焊縫，各個(gè)位置成形良好，未見未熔合、夾渣、裂紋及氣孔等缺陷，焊接接頭熔合良好，試驗(yàn)結(jié)果合格。

圖3 焊接接頭剖面宏觀金相

5 結(jié)束語

1）通過選用合適的焊接材料，制定合理的FCAW焊接參數(shù)，海洋平臺(tái)樁腿大厚板EQ51+EQ70異種鋼焊接接頭熔合良好，無裂紋、未熔合等缺陷，焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果均合格，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程應(yīng)用要求。

2）海洋平臺(tái)樁腿大厚板EQ51+EQ70異種鋼K形坡口焊接接頭，－40℃低溫沖擊吸收能量均＞49J，滿足設(shè)計(jì)要求；其中EQ51超高強(qiáng)鋼側(cè)（K形坡口直邊）粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊吸收能量相對較低，主要是由于K形坡口直邊側(cè)在多層多道焊過程中，粗晶區(qū)溫度相對較高、高溫停留時(shí)間長，因此極易出現(xiàn)粗大的貝氏體組織。

3）對于大厚板EQ51+EQ70異種鋼K形坡口焊接接頭，K形坡口直邊側(cè)為最薄弱環(huán)節(jié)，在多層多道焊接過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度和熱輸入，以防止K形坡口直邊側(cè)因出現(xiàn)粗大組織而導(dǎo)致韌性下降。