海洋工程用S355NL低溫厚鋼板焊接試驗研究

白曉科，孫愛麗，王旭

蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司 山東煙臺 265607

1 序言

海洋工程包括海上油氣開發工程和海上風電工程等，由于海洋結構常年處于嚴酷的海上環境中，要經受海浪、風暴、潮流、地震和寒冷流冰等的侵襲，因此海洋工程對鋼材和其焊接質量具有嚴苛的要求，通常要求鋼材具有較高的強度、耐低溫韌性、良好的焊接性和Z向性能等。依據某歐洲浮式海上風電平臺項目技術規范，要求整體按照EN 1090-2：2018《鋼結構和鋁結構的施工——第2部分：鋼結構技術要求》進行建造和驗收。該項目采用的低溫厚鋼板為S355NL，是按照歐洲鋼鐵標準EN 10025-3：2004《結構鋼的熱軋產品——第3部分：正火/正火軋制可焊接的細晶粒結構鋼的技術供貨條件》生產的正火鋼板，是屈服強度為355MPa級別的高強度高韌性鋼材，可以應用于－50℃的低溫工況。目前，在海洋工程中多采用船級社鋼板（如ABS EH36N等），少有采用此鋼種的工程案例。

本文按照ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規程及評定-焊接工藝評定試驗——第1部分：鋼的電弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的電弧焊》進行焊接工藝評定試驗，選用了藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW）和埋弧焊（SAW）這兩種焊接方法，FCAW的焊接位置為橫焊和立焊，分別驗證不同熱輸入時的焊接接頭性能。鑒于海洋工程的重要性和嚴苛性，通常要求對50mm以上的厚板焊接進行焊后消除應力熱處理（PWHT）或通過CTOD試驗來確保性能符合要求。但是由于海洋工程的結構尺寸很大，進行焊后整體熱處理比較困難，而局部熱處理又容易造成尺寸變形，因此CTOD試驗是海洋工程中評價斷裂韌性的重要途徑，也是需要解決的技術難點。

2 低溫鋼S355NL的焊接性分析

2.1 鋼板化學成分

對板厚70mm的S355NL鋼板進行化學成分分析，wP＝0.010%，wS＝0.0017%，其他合金元素含量見表1。藥芯焊絲選用京群GFR-81K2（型號為ISO 17632 A-T46 1.5NiPC11），SAW焊接材料選用伯樂TUnion SA Ni1＋UVC418TT-M（型號為ISO14171-AS506FBSZ2Ni1），這兩種焊接材料熔敷金屬的化學成分見表1。

表1 鋼材和焊接材料熔敷金屬的化學成分及碳當量 （%）

2.2 鋼板力學性能

依據EN 10025-3：2004，對70mm厚S355NL鋼板力學性能的要求及藥芯焊絲和埋弧焊焊接材料熔敷金屬力學性能的技術要求見表2[1]。由表2可知，擬選用焊接材料的強度和韌性等均能夠滿足S355NL鋼板的要求。

表2 鋼材和焊接材料熔敷金屬的力學性能

2.3 預熱和層間溫度

從表1可看出，鋼材的CEV值已經超過0.40%，具備一定的淬硬傾向。特別是對于厚板焊接，當預熱溫度較低時，由于冷卻速度較快，容易在內應力作用下產生冷裂紋，因此可通過硬度試驗進行焊接接頭顯微組織的冷裂紋敏感性度量，按照ISO 15614-1：2017的要求，對于S355NL鋼的焊接接頭，允許的最高硬度值為380HV10。為制定合理的預熱溫度并能夠通過焊接工藝評定試驗，可按照EN 1011-2：2001《焊接——金屬材料的焊接建議——第2部分：鐵素體鋼的電弧焊》附錄C中的方法B進行預熱溫度計算。兩種焊接材料的擴散氫含量均為H5級別的低氫焊接材料，焊接熱輸入按照標準條款1.4中范圍的最小值，計算得出板厚為70mm的S355NL鋼的最低預熱溫度為115℃[2]。為確保工藝評定試驗可以順利通過，將焊接試板的預熱溫度設定為最低130℃。

當層間溫度過高時，由于接頭降溫緩慢，因此會造成熱影響區組織晶粒粗大，導致其低溫沖擊韌度下降。考慮到CTOD試驗對韌性要求的嚴苛性，以及以往的試驗經驗，將最大層間溫度設定為200℃。特別需要注意的是，在試板的焊接過程中，每道焊縫的層間溫度，都應不低于要求的最小預熱溫度。

2.4 焊接熱輸入

焊接熱輸入的大小會影響熔池的冷卻速度，較小的焊接熱輸入可能會造成淬硬組織的產生，進而造成硬度升高和沖擊韌度下降。焊接過程中熱輸入提高，碳化物和氮化物顆粒溶解并失去其作為晶粒長大抑制劑功效的可能性就越大，在熱影響區粗晶粒區域的沖擊韌度降低[3]。

綜合考慮后，將試板的FCAW焊接熱輸入設定為0.6～2.0kJ/mm，SAW焊接熱輸入設定為1.3～2.5kJ/mm。需要注意的是：由于EN 1011-1：2009《焊接——金屬材料的焊接建議——第1部分：電弧焊通用指南》規定，每種焊接方法有不同的有效熱輸入系數，其中FCAW的有效熱輸入系數為0.8，SAW的有效熱輸入系數為1.0，本文中熱輸入值均已乘以有效熱輸入系數[4]。

2.5 焊接性分析

S355NL屬于低溫結構鋼，其碳當量相對較高，而且厚度較大。因此，在焊接時應選用具有CTOD評價且與母材強度級別相當的焊接材料，必須在焊前進行預熱，嚴格控制焊接熱輸入，并保持層間溫度不低于預熱溫度，以控制冷卻速度，才能保證焊接接頭質量符合標準規范和使用要求。

3 焊接工藝評定試驗

3.1 試驗方案

為驗證焊接接頭在不同焊接熱輸入下的力學性能均能夠滿足質量要求，結合擬定的產品焊接方法和工藝，決定采用FCAW工藝焊接立焊和橫焊試板各1塊，分別對應高、低熱輸入，采用SAW工藝焊接平焊試板1塊。由于按照ISO 15653：2018《金屬材料——焊縫準靜態斷裂韌性測定的試驗方法》的要求，焊縫和熱影響區均需要進行CTOD試驗，因此所有試板均為K形坡口，在背面清根打磨后焊接[5]。其中，對于FCAW立焊和SAW試板，應額外增加CTOD試驗。試板的厚度為70mm，母材覆蓋厚度為35～84mm（覆蓋范圍的最大值來自于業主規格書要求）。

3.2 試板焊接參數

焊前將試板整體使用電加熱預熱至130℃，焊接過程中將層間溫度控制在200℃以內。在試板焊接前，先進行焊接參數的調試，預估焊接熱輸入情況后再正式焊接試板。焊接工藝試驗的焊接參數見表3，FCAW橫焊的熱輸入為0.72～1.48kJ/mm，FCAW立焊的熱輸入為1.24～1.79kJ/mm，SAW平焊的熱輸入為1.68～2.40kJ/mm。

表3 焊接工藝試驗的焊接參數

3.3 檢測方法和試驗結果

按照ISO 15614-1：2017的要求，在對焊接接頭進行超聲波和磁粉檢測合格后，進行力學性能檢測。檢測內容包括：拉伸試驗、側彎試驗、低溫沖擊試驗、宏觀金相、硬度試驗和CTOD試驗，具體試驗結果見表4、表5[6]。CTOD試驗如圖1所示。

圖1 焊接工藝評定CTOD試驗

表4 焊接工藝試驗的檢測結果

表5 焊接工藝試驗的CTOD值[5]

由表4、表5可知，接頭拉伸、彎曲、－50℃沖擊試驗和接頭硬度試驗結果均滿足ISO 15614-1：2017的要求，SAW平焊的根部焊縫金屬和表面熱影響區－50℃沖擊韌度儲備量不大。SAW平焊的熱影響區CTOD值儲備量不大。與FCAW相比，使用SAW時焊接熱輸入更大，表現在低溫沖擊試驗值和CTOD試驗值均接近試驗驗收值的下限。因此，在焊接產品時應更加嚴格地控制焊接熱輸入，建議將預熱和層間溫度控制在130～200℃，控制FCAW的熱輸入為1.0～1.4kJ/mm，SAW的熱輸入為1.7～2.2kJ/mm，以保證產品的焊接接頭質量。

接頭宏觀斷面如圖2所示。圖2顯示出了各試板的焊道和層次，接頭熔合良好，無焊接缺陷。將經過CTOD試驗后的試樣打開后，用顯微鏡對原始裂紋長度進行測量計算，結果均滿足標準要求，試樣的斷口形貌如圖3、圖4所示。

圖2 焊接試板的接頭斷面宏觀金相

圖3 FCAW立焊的CTOD試樣斷口形貌

圖4 SAW平焊的CTOD試樣斷口形貌

4 焊接質量控制

4.1 預熱和層間溫度的控制

由于鋼板厚度較大，所以為保證鋼材預熱溫度的均勻性，在進行焊接工藝評定試板和產品焊接過程中均應優先使用電加熱進行焊前預熱，若有局部短焊縫的焊接，則可采用火焰加熱預熱，應注意層間溫度不得低于預熱溫度的要求（見圖5）。應在加熱面的背面測定預熱溫度，優先使用接觸式測溫儀以獲得準確的溫度值，測溫點位置為距離待焊部位至少75mm處。當采用正面加熱時，應先移開加熱源，待母材溫度均勻化后再進行溫度測定（根據母材厚度確定，按照2min/25mm來確定溫度均勻化時間）。層間溫度的測定位置應在焊前立即測定焊縫金屬或者鄰近的母材[7]。

圖5 建造過程中預熱和層間溫度的控制

4.2 焊接熱輸入的監控

施焊前使用電流鉗測定試焊的焊接電流和電弧電壓，確認焊接參數在焊接工藝指導書的規定范圍后，再進行產品的焊接作業。焊接過程中應加強工藝紀律的巡檢，以確保焊接工藝能夠被有效執行。

5 結束語

1）當采用FCAW和SAW工藝焊接S355NL鋼厚板時，應控制預熱溫度、層間溫度和焊接熱輸入，才能保證力學性能試驗和CTOD試驗均符合規范要求。

2）與FCAW相比，SAW的焊接熱輸入更大，表現在低溫沖擊試驗值和CTOD試驗值裕量均不大。因此，在焊接產品時應更加嚴格地控制焊接熱輸入，避免因過大的熱輸入而導致焊接接頭韌度下降的風險，以保證產品的焊接接頭質量。

3）由于每家鋼材和焊接材料廠的冶煉配方和軋制工藝不同，因此當焊接工藝評定要求CTOD試驗時，試板母材的供貨狀態和焊接材料的生產廠家應與產品相同，不得更換鋼材和焊接材料生產廠家。