海洋平台桩腿EQ51+EQ70异种钢FCAW焊接工艺研究
2022-02-27张涛梁雅琳魏丽芹
张涛,梁雅琳,魏丽芹
1.烟台中集来福士海洋工程有限公司 山东烟台 264012
2.天津职业技术师范大学 天津 300072
1 序言
随着海洋资源开发急剧增加,海洋平台作为重要的海工装备,其需求也日益增加。海洋平台要在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等恶劣的海洋环境中服役,对焊接质量要求非常严格[1-3]。为了减轻海洋工程结构的质量,同时又增加结构整体的安全性,因此采用材料的强度级别越来越高,板材厚度也不断增加[4,5]。
EQ51和EQ70超高强钢以其足够的强度、低的韧脆转变温度和一定的伸长率在海工方面获得广泛应用,尤其是在海洋平台的一些重要结构,如桩腿、悬臂梁、升降机构等[3,5,6]。鉴于海洋平台为大型焊接结构设备,焊接部位多,因此焊接性能优劣直接影响到海洋平台的安全和可靠性[7]。大厚板EQ51与EQ70异种钢焊接更容易出现质量问题,为此,制定合理的焊接工艺,确保焊接质量,对于海洋平台服役安全性具有至关重要的作用。因此,本文主要研究了EQ51与EQ70异种钢对接药芯焊丝气体保护焊(FCAW)焊接工艺和力学性能。
2 试验材料及方法
根据海工平台设计要求,母材为65mm厚的EQ51和EQ70超高强钢,焊接材料选用5YQ500 SA H5,焊丝直径为1.2mm。焊接试板坡口为K形,焊接方法为FCAW,保护气体为CO2,焊接试验采用多层多道双面焊接方式,焊接位置为横焊(2G)。
焊接试板的力学试验:分别对焊缝中心、熔合线附近粗晶热影响区(FL+0.4mm)及细晶热影响区(FL+2.0mm)取样进行夏比V型缺口冲击试验,试验温度为-40℃,试样尺寸为55mm×10mm×10mm,每个位置取3个试样进行测试。通过显微维氏硬度计测量了焊接接头的硬度分布,试验载荷为98N,加载时间为15s。弯曲试验采用侧弯试样,弯曲角度180°,测试4个试样。同时,采用5%的硝酸酒精溶液浸蚀焊接接头进行宏观金相检验。
3 焊接工艺要求
(1)母材焊接性分析 母材的化学成分和力学性能分别见表1、表2。根据国际焊接学会(IIW)的碳当量公式,计算母材EQ70和EQ51高强钢板的碳当量分别为0.450%和0.434%,而当CE=0.4%~0.6%时,焊接性稍差,因此母材EQ70和EQ51超高强钢具有一定的冷裂纹敏感性,焊前需适当预热。此外,由于材料强度高,所以焊接热影响区,特别是粗晶区存在韧性下降的倾向[2]。
(2)焊接材料选用 考虑到母材熔合比的影响、抗裂性及低温韧性的要求,选用低氢焊接材料,且焊接材料中还需有一定量的Ni元素,这有利于焊缝金属中形成针状铁素体,保证良好的低温冲击性能和塑性[8]。焊接材料的化学成分和力学性能分别见表1、表2。
表1 母材与焊接材料的化学成分(质量分数) (%)
表2 母材与焊接材料的力学性能
(3)预热温度 由于母材厚度大、强度高,所以预热温度要求≥150℃。
(4)层间温度 考虑到焊接热循环的影响,尤其是K形坡口直边热影响区易出现组织粗化现象,层间温度控制在150~185℃。
(5)焊接参数 为保证焊接接头的力学性能,焊接热输入不宜过高或过低,以防止出现组织粗大或者脆性组织,具体FCAW焊接参数见表3。
表3 FCAW焊接参数
(6)坡口形式 采用双面焊接,根据焊接接头形式和尺寸制定合理的焊道排布。坡口形状、尺寸及焊道分布如图1所示。
图1 K形坡口及焊道排布
(7)焊后消氢处理 由于板厚较大,焊丝为药芯焊丝,故为了防止扩散氢导致焊后出现氢致裂纹,焊后需进行消氢处理,即在200℃保温4h。
4 试验结果分析
4.1 硬度试验结果
焊接接头硬度检测结果如图2所示,熔合线附近粗晶热影响区(FL+0.4mm)的硬度值明显高于其他区域,其中EQ70超高强钢一侧粗晶区硬度的平均值(314±21)HV10稍高于EQ51超高强钢一侧粗晶区硬度的平均值(300±11)HV10,焊缝硬度的平均值为(231±15) HV10。EQ51超高强钢一侧细晶热影响区(FL+2mm)和母材的硬度的平均值分别为(246±10)HV10和(227±5)HV10。EQ70超高强钢一侧细晶热影响区和母材硬度的平均值分别为(275±36)HV10和(266±7)HV10。焊接接头各区域的硬度均低于420HV10,满足设计和标准要求。
图2 焊接接头硬度检测结果
4.2 冲击试验结果
焊接接头冲击试验结果见表4。由表4可知,焊缝两侧熔合线附近粗晶热影响区(FL+0.4mm)的冲击吸收能量相对较低,其中EQ51超高强钢一侧熔合线粗晶热影响区的冲击吸收能量最低,平均值为49J。EQ70超高强钢一侧熔合线粗晶热影响区的冲击吸收能量为110J,相对来说,冲击性能良好。两侧细晶热影响区(FL+2.0mm)的冲击性能最好。EQ51和EQ70超高强钢侧的细晶热影响区冲击吸收能量的平均值分别为178J和212J,焊缝冲击吸收能量的平均值为125J。尽管EQ51超高强钢一侧粗晶热影响区的低温冲击吸收能量相对较低,但是在-40℃下的冲击吸收能量均>27J,因此,焊接接头不同区域的低温冲击吸收能量均满足设计和标准要求(-40℃冲击吸收能量平均值为45J,最小值为32J),冲击试验结果合格。对EQ51+EQ70异种钢冲击试验结果,从坡口形式分析,EQ51超高强钢一侧坡口为直边,在多层多道焊过程中,粗晶区温度较高,高温停留时间长,在冷却过程中极易出现粗大的上贝氏体组织,导致EQ51超高强钢一侧粗晶区冲击性能下降;在EQ70超高强钢一侧,坡口为斜边,缺口位置落在粗晶区的范围有限,低温冲击性能相对较好。因此,在焊接过程中必须严格控制焊接热输入和层间温度,防止坡口直边EQ51超高强钢一侧的粗晶区温度过高、高温停留时间过长而导致出现粗大组织。热影响区(FL+2mm)位置为细晶区,由于晶粒细小,有利于获得良好的强度和韧性,因此EQ51和EQ70超高强钢两侧热影响区(FL+2mm)位置的低温冲击吸收能量均较高。
表4 焊接接头冲击试验结果
4.3 拉伸试验结果
针对EQ51+EQ70异种钢焊接接头,取2个接头拉伸试样,试验结果见表5。从表5可以看出,焊接接头的抗拉强度分别为704MPa、707MPa,断裂位置均在母材EQ51超高强钢一侧,满足标准规定的抗拉强度为610~770MPa要求。从表2母材和焊接材料的抗拉强度数据分析可知,焊缝金属的抗拉强度远高于母材,因此拉伸断裂位置均在母材一侧;同时,母材EQ51超高强钢的抗拉强度低于EQ70超高强钢,最终两组拉伸试样均在EQ51超高强钢一侧断裂。
表5 焊接接头拉伸试验结果
4.4 弯曲试验结果
从EQ51+EQ70异种钢焊接接头取4个侧弯试样,弯曲至180°,焊接接头均未出现裂纹和其他缺陷。试验结果表明,EQ51+EQ70异种钢焊接接头具有良好的抗冷弯性能,满足实际工程应用要求,具体试验结果见表6。
表6 焊接接头弯曲试验结果
4.5 低倍金相及缺陷检查
截取EQ51+EQ70异种钢焊接接头的剖面,经粗磨、精磨、抛光后,用5%的硝酸酒精溶液浸蚀,剖面宏观金相如图3所示。宏观金相结果表明,EQ51+EQ70异种钢焊接接头多层多道焊缝,各个位置成形良好,未见未熔合、夹渣、裂纹及气孔等缺陷,焊接接头熔合良好,试验结果合格。
图3 焊接接头剖面宏观金相
5 结束语
1)通过选用合适的焊接材料,制定合理的FCAW焊接参数,海洋平台桩腿大厚板EQ51+EQ70异种钢焊接接头熔合良好,无裂纹、未熔合等缺陷,焊接接头力学性能测试结果均合格,满足设计标准和工程应用要求。
2)海洋平台桩腿大厚板EQ51+EQ70异种钢K形坡口焊接接头,-40℃低温冲击吸收能量均>49J,满足设计要求;其中EQ51超高强钢侧(K形坡口直边)粗晶热影响区的低温冲击吸收能量相对较低,主要是由于K形坡口直边侧在多层多道焊过程中,粗晶区温度相对较高、高温停留时间长,因此极易出现粗大的贝氏体组织。
3)对于大厚板EQ51+EQ70异种钢K形坡口焊接接头,K形坡口直边侧为最薄弱环节,在多层多道焊接过程中,应严格控制层间温度和热输入,以防止K形坡口直边侧因出现粗大组织而导致韧性下降。