F460Z高强钢埋弧焊接工艺概述

赵泓

摘 要：文章通過实验来验证F460Z高强钢埋弧焊接工艺在海洋工程上的应用可行性，并且对海洋平台用钢的焊接工艺进行概述。

关键词：海洋平台用钢；焊机；工艺概述

序言

目前我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差，这限制了我国自主开采海洋资源的能力，使我国能源发展受到了制约。目前国内，强度级别高的海洋平台用钢，还是主要依赖进口。

海洋工程用F460Z海洋平台用钢，具有强度高、低温韧性好等特点，打破国外对国内高强度级别海洋平台用钢的垄断地位。因此，F460Z的开发及其配套焊接技术的研究具有重要的战略意义。本文通过大量试验，对F460Z埋弧焊焊接工艺进行了研究。

1 试验材料与方法

本文采用F460Z母材板厚为31.8mm，埋弧焊焊接材料为上海大西洋焊材生产的CHW-S3A型焊丝，焊丝规格φ4.0mm，和CHF102型烧结焊剂。

F460Z高强钢采用埋弧自动焊焊接，根据母材化学成分，计算出碳当量Ceq=0.42，所以可不预热。焊接试板尺寸为31.8×150×350，开Y型坡口，坡口角度为60°。在装配焊接之前先用酒精对坡口内的油污进行清洗，装配间隙为1-2mm，采用对称焊接的方法进行焊接，保证试板平直。

为了研究不同焊接热输入和道间温度对F460Z高强钢焊接接头的影响，本文拟定的F460Z试验焊接工艺参数。按中国船级社材料与焊接规范2009标准对焊接后的试板进行取样，试验。

2 试验结果与分析

2.1 不同焊接工艺对F460Z钢焊接接头抗拉强度的影响

F460Z钢埋弧焊焊接接头的抗拉强度为575-595MPa之间，且全部断在母材，在强度方面6种工艺条件下得到的抗拉强度均能满足中国船级社材料与焊接规范2009对F460Z焊接接头的要求。分析数据可知，焊接热输入量和道间温度是影响接头抗拉强度的主要因素。

随着焊接热输入量的增大，焊接接头抗拉强度呈线性降低，这是因为较大的焊接热输入量使得焊后组织变得粗大。在15KJ焊接热输入、150℃道间温度条件下，接头抗拉强度达到最大值593MPa。

随着多层多道焊道间温度由150℃升高到200℃，相同热输入情况下焊接接头抗拉强度均下降。这是因为，道间温度的升高使得焊缝冷却速度变慢，锰的强化作用减弱。

2.2 不同焊接工艺对F460Z钢焊接接头各区域冲击功的影响

F460Z钢埋弧焊焊接接头的-60℃冲击韧性最薄弱区域为焊缝区，焊缝金属的冲击功为各区的最小，其次为熔合线。熔合线外2mm和5mm区域的热影响区冲击功较高，这可能是因为热影响区相变结晶区的粗晶区较窄。

道间温度为150摄氏度时，小热输入条件下（15KJ），焊接接头各区域的冲击功均处于较好的水平，焊缝金属冲击功平均值达到66J，熔合区冲击功达到96J。当焊接热输入增大，达到30KJ时，焊缝和熔合区冲击韧性迅速下降，分别为39J和51J。这是因为较大的热输入使得原奥氏体晶粒粗大，冷却以后得到粗大的焊缝组织，降低了焊缝和熔合区的韧性。50KJ大热输入焊接时，原奥氏体晶粒变得更为粗大，此时的t8/5仅为35s，冷却后焊缝组织为粗大的一次柱状晶和大量的侧板条铁素体，晶内针状铁素体也变得粗大，接头头冲击性能大大降低，仅为28J，低于中国船级社材料与焊接规范2009对F460Z焊接接头-60℃冲击功最小值31J的要求。此时焊接热影响区的范围也变宽，特别是粗晶区范围，熔合区冲击功仅为41J。从以上分析可知，当多层多道焊道间温度为150℃时，F460Z钢焊接接头冲击韧性随着焊接热输入量的增大而变差。

道间温度为200摄氏度时，小热输入条件下（15KJ），焊接接头各区域的冲击功均处于较好的水平，焊缝金属冲击功平均值达到90J，熔合区冲击功达到87J。熔合线外2mm和5mm冲击功均为300J的水平。当焊接热输入增大，达到30KJ时，焊缝和熔合区冲击韧性反而得到了提高，分别为130J和209J。这可能是因为此种条件下的焊缝冷却速度为最佳（t8/5为27s）。因为较快的冷却速度容易得到淬硬组织，较慢的冷却速度使得晶粒变得粗大，都会降低焊接接头的韧性。50KJ大热输入焊接时，焊缝区和熔合区冲击功迅速降低，分别为46J和53J，但均满足中国船级社材料与焊接规范2009对F460Z焊接接头-60℃冲击功最小值31J的要求。但此时焊接热影响区的范围变得更宽，特别是粗晶区范围，熔合线外2mm冲击功仅为55J，大大低于其他焊接工艺条件下得到的这个区域的冲击功。这是因为在50KJ热输入200℃道间温度条件下，高温停留时间长，冷却时间较长（t8/5为45.7s），使得热影响区粗晶区范围变大。从以上分析可知，当多层多道焊道间温度为200℃时，F460Z钢焊接接头冲击韧性随着焊接热输入量的增大而先升高后降低，当焊接热输入为30KJ时，接头冲击韧性最优。

从试验数据可知，相同焊接热输入条件下，随着多层多道焊的道间温度从150℃升高到200℃，F460Z钢焊接接头的冲击韧性得到提高。这是因为，随着道间温度的升高，焊缝中柱状晶区减少，重结晶区增加，尽管道间温度200℃时的晶粒尺寸较大，却仍能表现出良好的韧性。但是，如果道间温度再升高，晶粒尺寸进一步长大，将有可能导致焊缝韧性迅速下降。

3 结束语

3.1 随着焊接热输入量的增大，F460Z焊接接头抗拉强度呈线性降低。随着多层多道焊道间温度由150℃升高到200℃，焊接接头抗拉强度均下降。在15KJ焊接热输入、150℃道间温度条件下，接头抗拉强度达到最大值593MPa。

3.2 当多层多道焊道间温度为150℃时，F460Z钢焊接接头冲击韧性随着焊接热输入量的增大而变差。当多层多道焊道间温度为200℃时，F460Z钢焊接接头冲击韧性随着焊接热输入量的增大而先升高后降低，当焊接热输入为30KJ时，接头冲击韧性最优。

3.3 相同焊接热输入条件下，随着多层多道焊的道间温度从150℃升高到200℃，F460Z钢焊接接头的冲击韧性得到提高。

3.4 综上分析，结合海洋工程工作环境对F460Z高韧性、高强度的要求，推荐F460Z钢焊接工艺为600A电流，30V电压，36mm/min焊速，200℃道间温度。

参考文献

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[2]黄欣秋，张海军.含钛可焊接海洋结构用钢[J].宽厚板，2003，9（3）：38-43.