焊接热输入量对E36高强度钢接头金相组织及机械性能的影响

2014-02-07施洪慧

船舶标准化工程师 2014年3期

施洪慧

（领新（南通）重工有限公司，江苏南通 226017）

0 引言

开发和利用海洋是全球发展的需要，而海工装备制造业中，工作环境由常规海况向恶劣海况及极区严寒环境发展。因此海洋工程装备比较多地使用高强度和超高强度结构钢，这些材料无论是对强度还是低温冲击性能都要求非常高。焊接过程中的诸多因素都会对接头的性能产生影响。研究表明焊接热输入量的大小对材料的焊接接头机械性能影响很大，文中以E36结构钢为对象，研究不同焊接热输入量下的微观金相组织及机械性能的变化，获得合适的焊接参数来指导实际E36材料运用于海工产品的焊接生产。

1 试验方法

对于高强度海工材料的焊接，遵循相近原则，母材采用20mm厚的E36正火试板，焊接填充材料使用φ1.2mm直径的E501T-1L结构钢药芯焊丝，母材和焊材的化学成分机械性能比对分别如表1和表2[1,2]所示。采用 100%CO2气体保护药芯焊丝焊接（FCAW）。为了取得最佳结果，选取了通常使用相对较大焊接热输入量的立对接的焊接位置。具体试样尺寸为：20mm×500mm×180mm，X型坡口，坡口角度为60°，间隙0mm~1mm，钝边1mm~2mm（图1）。设计了2组焊接参数分别进行试验（表3），该参数除了焊接速度不同外，其余参数均相同。

表1 E36结构钢与E501T-1L药芯焊丝化学成分(%)

表2 E36结构钢与E501T-1L机械性能

表3 两组FCAW焊接试样的焊接工艺参数

表4 E36结构钢焊接接头机械性能试验方法及试样数量

表5 两组试样焊接区域化学成分分析(%)

表6 两组试样机械性能数据

对焊接试样按照分别进行化学成分分析和机械性能试验，机械性能试验方法、具体试样数量及方法如表4所示。

2 试验结果

图1 焊接试板详细尺寸

2.1 焊接区域化学成分分析结果

结果如表5所示。参照GB712-2000船体用结构钢和GB/T10045-2001碳钢药芯焊丝中相应材质的化学成分，可见两组焊接接头试样的化学成分均没有超出标准规定的范围，均达标合格。

2.2 对焊接接头的机械性能试验结果

机械性能试验结果如表6所示。

图2中，白色基体为铁素体，灰黑色条、块状均为细片状珠光体，金相组织未见异常。图3中，基体为板条状低碳马氏体，黑色小点状为碳化物，碳化物在晶界上分布，并呈封闭网状。

图2 1#试样焊缝中心组织（倍率：500）

图3 2#试样焊缝中心组织（倍率：1000）

从试验结果可以看出，1#组的无论是化学成分还是机械性能均能满足规范要求，判定为合格。而2#组别的试验，虽然化学成分及部分机械性能试验结果合格，但是冲击值非常低，判定为不合格[3]。

3 分析讨论

因为两组焊接试样除了焊接速度不同，其他参数均一致，2#组焊接时的热输入量为1.54kJ/mm~1.81kJ/mm，而 1号组的热输入量为5.54kJ/mm~5.92kJ/mm。所谓热输入量，即单位长度焊缝输入的能量：E=U·I·焊接时间×6/(焊缝长度×100)。根据IACS国际船级联合会标准[4]规定，热输入量要低于5kJ/mm，否则会对焊接接头带来很大的质量隐患。很明显这是由于焊接速度不同产生的热输入量的不同，使得焊接接头的组织发生了改变从而导致冲击值降低。

本试验母材E36和焊材E501T-1L的含碳量均小于0.77%，从Fe-Fe3C相图可以看出，当自912℃冷至727℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体。由于2#试样焊接速度过慢，使得焊接区域的金相组织在 912℃至 727℃区间停留时间过长，从而析出了大量的碳化物，许多碳化物沿着晶界集聚并形成了封闭的网状结构，使得冲击性能急剧下降。