海洋平台用特厚板大线能量焊接接头力学性能研究
2018-12-13陈亚魁吴君明王红鸿
李 丽 ，陈亚魁 ，吴君明 ，蔡 焕 ，田 浩 ，王红鸿
（1.南京钢铁集团有限公司 研究院，江苏 南京 210000；2.武汉科技大学，湖北 武汉 430000）
0 前言
随着我国海洋战略的实施，以及人类开发利用深海时代的到来，对高性能海洋平台用钢的需求量将不断增加，海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢铁企业重点研发和生产的产品[1-3]。海洋平台服役期一般为20～40年，比普通船舶高约50%，由于海洋平台处于深水、浪涌、低温等多重复杂而苛刻的服役环境，平台建造所采用的钢板需要具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好可焊性和可加工性等综合性能[3-4]。海洋平台用钢铁材料级别从355～690 MPa，最大厚度可达259 mm。EH36及以下级别平台用钢基本实现国产化，占平台用钢量的90%，但是大厚度（50 mm以上）钢板的焊接仍是一个巨大的挑战。
为提高生产效率，大厚度海洋平台需要大线能量焊接工艺进行建造[1-5]。目前常用的大线能量焊接工艺有气电立焊、多丝埋弧焊等，许多研究关注可用于大线能量焊接的钢铁材料的焊接性，即对焊接热影响区组织及力学性能展开了大量研究[6-10]。在工程实践中，焊接工艺的研究较少。其次，大线能量焊接的焊缝金属也是焊接接头中力学性能较为薄弱的部位。厚度为21 mm的船板，采用多丝埋弧焊可一道次完成，已有成熟的焊接工艺。但是对于50 mm及以上的厚板，采用大线能量多丝埋弧焊工艺，目前尚未有相关研究的报道。
本项目对特厚板的焊接工艺展开研究，对在实际大线能量焊接下的焊接接头的力学性能进行检测，旨在为实际工程应用提供可靠的工艺参数及力学性能参考。
1 试验材料及方法
试验母材为海洋平台用钢E36W，厚度分别为50 mm、80 mm。坡口形式为 X 型，单侧角度 22°～30°。采用两丝、三丝、四丝埋弧焊焊接方法，焊接工艺参数如表1～表3所示。50mm板厚和80mm板厚双丝、三丝、四丝埋弧焊焊接接头分别编号为50-2、50-3、50-4、80-2、80-3、80-4。根据焊接电流、电弧电压及焊接速度，两丝、三丝、四丝埋弧焊的焊接热输入分别为95 kJ/cm、119 kJ/cm、182 kJ/cm。焊接材料为日本进口，焊丝Y-DL，直径4.8 mm和6.4 mm，其化学成分如表4所示，焊剂为NSH-55ER。焊接接头进行室温拉伸试验、-40℃焊接热影响区和焊缝金属的冲击韧性试验，焊接热影响区的缺口位置取在熔合线（FL）、FL+2，焊缝金属缺口位置取在焊缝金属中心位置。
2 试验结果与分析
2.1 焊接接头拉伸试验结果
多丝埋弧焊焊接接头拉伸实验结果如图1所示。50mm、80mm厚板经过二丝、三丝、四丝埋弧焊接后，焊接接头的抗拉强度分别为542 MPa、545 MPa、552 MPa、545 MPa、532 MPa、531 MPa，均达到 E36海洋平台用钢的强度要求。
2.2 焊接接头低温冲击试验结果
表1 双丝埋弧焊的焊接工艺参数Table 1 Parametersofdouble-wiresubmergedarcwelding
表2 三丝埋弧焊的焊接工艺参数Table 2 Parameters of three-wire submerged arc welding
表3 四丝埋弧焊的焊接工艺参数Table 3 Parameters of four-wire submerged arc welding
表4 Y-PL焊丝成分Table 4 Compostion of Y-PL weld wires %
图1 多丝埋弧焊焊接接头拉伸试验结果Fig.1 Tensile test result for welded joint after multi-wire submerged arc welding
多丝埋弧焊焊接接头-40℃冲击韧性如图2所示。50 mm板厚焊接接头在焊缝金属（WM）的冲击值为140～180J；80mm板厚接头在WM的冲击值为50～75 J，明显低于50 mm板厚。50 mm板厚焊接接头在熔合线（FL）的冲击值为150～200 J，80-2在FL 的冲击值为160J，80-3和80-4在FL的冲击值约为60J；50-2、50-3、80-2、80-3 在热影响区（FL+2）的冲击值均超过了200 J，而50-4、80-4的冲击值约为80 J。
对比以上冲击值可知，在相同焊接工艺下，50mm板厚焊接接头在WM和FL的冲击值均高于80 mm板厚焊接接头同位置的冲击值；其次，50-4、80-4在FL+2的冲击值最低。
图2 焊接接头在-40℃下的冲击值Fig.2 Impact test result of welded joint at-40℃
焊接接头50-3、80-3的焊缝金属组织如图3所示。50-3焊缝金属的主要组织是针状铁素体（AF）和少量的块状铁素体，柱状晶形貌不明显。80-3焊缝金属的主要组织是针状铁素体，有大片状的先共析铁素体（GBF）和侧板条铁素体分布在晶界，且柱状晶形貌明显。比较二者针状铁素体尺寸发现80-3中针状铁素体更为粗大。
各试样焊缝金属组织中各组成相比例分析结果如表5所示。由表5可知，造成80-3焊缝金属冲击数值下降的原因可能是先共析铁素体、侧板条铁素体含量高，针状铁素体含量下降；以及针状铁素体针叶粗大。
图3 焊缝金属的金相照片Fig.3 Microstructure of weld metal
表5 焊缝金属相组成比例Table 5 Phase composition in weld metal
焊接接头50-3、80-3在熔合线（FL）处的显微组织如图4所示。50-3在FL附近的组织晶粒细小，先共析铁素体含量低。80-3在FL附近的组织类晶粒粗大，大片状的先共析铁素体分布在晶界上。由此可见，大量的先共析铁素体以及晶粒粗大导致了80-3在FL冲击数值的下降。
焊接接头50-2、50-4在焊接热影响区（FL+2）的显微组织如图5所示。50-2在FL+2处的主要组织是铁素体和少量的珠光体组织，晶粒细小而且均匀。50-4在FL+2的组织主要是铁素体和贝氏体、以及少量的珠光体组织，铁素体晶粒尺寸不均匀。
图4 FL处的金相照片Fig.4 Microstructure of FL
图5 FL+2处的金相照片Fig.5 Microstructure of FL+2
对比50-2和50-4接头在FL+2处组织的差异可知，50-4接头中FL+2组织中铁素体晶粒尺寸不均匀可能是造成其冲击数值下降的主要原因。
3 结论
（1）E36W海洋工程用钢多丝埋弧焊焊接接头的拉伸强度为530～560 MPa；-40℃焊接接头冲击韧性高于47 J，冲击性能优良。多丝埋弧焊的焊接接头的力学性能满足海洋工程用钢性能要求。
（2）采用多丝埋弧焊E36W钢冲击性能较差的部位在焊缝金属，50mm板厚焊缝金属的冲击值为140～180 J，80 mm板厚焊缝金属的冲击值为50～75 J。
（3）在本试验中，50 mm和80 mm厚板焊接接头随着焊接丝数的增加、线能量增大，接头组织中先共析铁素体含量增加、晶粒尺寸增大，从而降低了冲击韧性；对50mm和80mm厚板采用相同的焊接工艺，80 mm厚板焊接接头中形成了更多的先共析铁素体，晶粒尺寸更大，冲击韧性更低。
