国产高强级焊接材料在船舶领域的研究与应用

2024-02-15郭帆

金属加工(热加工) 2024年1期

郭帆

招商局重工（深圳）有限公司广东深圳 518000

1 序言

国内海洋工程的重要受力结构经常会用到大量的690级（屈服强度690MPa）超高强钢材，以往对于此种等级的钢材，因国产焊接材料质量不够成熟，我公司基本都使用进口焊接材料对其进行焊接，虽然质量得到了极大保证，但是进口焊接材料在实际应用中存在运输耗时较长、成本开支较大等弊端。

2020年，我公司起重船项目计划完工周期为11个月，具有建造周期紧、焊接难度大等特点。该船第一期为双L形臂架起重机，主要用于桥梁的箱梁吊装工作。L形臂架作为该船的重要受力结构，设计选用了大量的Q690MD及Q690ME超高强钢材，该钢材焊接淬硬倾向大，容易产生焊接冷裂纹，加上应力集中、焊缝中的缺陷、残余应力以及接头组织性能不均匀等因素的影响，在臂架工作时极易产生脆性破坏[1]，这是该船焊接的重点及难点。另外，由于新冠疫情的影响，若本项目按照以往工艺采购进口焊接材料，将无法保证焊接材料的如期到达，可能有延迟建造进度的风险，最终影响项目的按时交付。因此，在有限时间内获得优质焊缝，保时保质完成大量Q690级超高强钢的焊接工作，直接关系到该项目能否按时完工。

鉴于以上情况，我公司决定优先尝试国产690级焊接材料。在项目开工之前，根据焊接材料的船级社认证情况、模拟测试力学性能结果等条件，最终，从众多国产焊接材料厂家中择优挑选了京群牌的GFR-110K3药芯焊丝。而且，项目开工后，依据CCS《材料与焊接规范》、GB/T 1591—2018 《低合金高强度结构钢》等规范对该焊接材料进行了带有CCS船级社认证并签字盖章的焊接工艺评定，此次评定的试验结果证明，该国产焊接材料完全满足本项目的各项要求，为后期臂架的现场施工提供了有力支持。

本项目中臂架结构部分涉及到GFR-110K3药芯焊丝的焊接工艺评定共有4个，其中Q690MD横焊和立焊位置各一个，Q690ME横焊和立焊位置各一个。由于Q690MD与Q690ME两者低温冲击温度的不同，本文将针对冲击温度更低、评定难度更大的Q690ME进行分析，主要从焊接要点、工艺过程、试验结果等方面进行详细介绍。

2 焊前分析

Q690MD和Q690ME属于低合金高强度结构钢，顾名思义有两个特点：一是低合金，低合金钢是在碳素钢的基础上添加一定量的合金化元素而成，如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、V及Ti等，其合金元素总量一般为1.5%～5%[2]，这些合金元素既强化了铁素体基体，又能控制晶粒的长大，在保证高强度的同时又能有较好的低温韧性；二是高强度，因合金元素产生的固溶强化、细化晶粒等效果，其强度会高于碳含量相当的碳素钢。

从上述内容可看出，690级钢具有显明的特殊性，其不仅强度很高（屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa），而且合金元素成分较多，造成焊接性很差，其焊后接头易出现淬硬组织，使材料力学性能下降。此外，这种淬硬组织在拘束应力及氢的作用下，易导致氢致延迟裂纹，以及焊接热影响区软化、韧性下降等问题[3]。

另外，板材越厚，填充量就越大，焊道越多，焊接时很容易造成应力累积，一方面可能导致变形较大，另一方面应力过大也会加剧裂纹的产生。

3 母材

母材Q690M E钢规格为1000m m×200m m×40mm，供货状态为TMCP＋回火，工艺评定覆盖范围完全符合现场施工所需。其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 Q690ME钢化学成分（质量分数）（%）

表2 Q690ME钢力学性能

4 焊接材料

基于焊接等强匹配原则，焊接材料熔敷金属的抗拉强度要与母材抗拉强度相近或相等，GFR-110K3药芯焊丝化学成分及力学性能分别见表3、表4。

表3 药芯焊丝GFR-110K3化学成分（质量分数）（%）

表4 药芯焊丝GFR-110K3力学性能

从表4可看出，该焊丝熔敷金属的强度与冲击吸收能量完全匹配母材的要求。

由于690级钢焊接淬硬倾向较大，易产生焊接冷裂纹，而焊接冷裂纹的产生主要与以化学成分为基础的冶金组织、结构的应力状态及大小、焊接接头的氢含量有关，所以焊接时，需要控制焊缝的氢含量，而控制氢含量一般分为两个途径：一是防止焊丝受潮；二是控制焊丝自有的氢含量。GFR-110K3焊丝的CCS产品认证等级为5Y69SH5，其中H5代表其氢含量为超低级。

5 工艺流程

（1）坡口形式母材厚达40mm，因此设计双面V形坡口（也叫X形坡口）为宜，焊接时正反面交替焊接，可以有效防止变形量过大。

（2）焊前预热通过母材的化学成分，计算出碳当量CEV＝0.47%[4]，裂纹敏感指数Pcm＝0.21%。一般来说，在碳当量CEV＞0.41%或Pcm＞0.20%时，要考虑采用焊前预热措施。适当温度的预热能减少焊道与母材金属的温度差值，不仅降低了焊接内应力，还可减缓由焊接引起的局部激热和速冷，增加了焊缝中氢向外扩散的时间。

（3）层间温度层间温度保持在110～200℃。当焊接过程中层间温度超出200℃时，必须待试板冷却到合适温度后再进行焊接。

（4）焊接参数热输入对焊接影响区的抗裂性及韧性也有显著的影响，因此只有选定合理的焊接参数，才能焊接出优质焊缝，进而降低返修率，不仅节约人力物力成本，还能提高施工效率。施焊时不得间断焊接，应在保证层间温度的同时连续施焊完毕。以横焊位置为例，具体焊接参数见表5。

表5 横焊焊接参数

（5）焊后消氢焊后将试板用电加热片以及保温棉包好，进行200℃×2h的消氢处理，可以进一步减少扩散氢的残留，有效地避免氢致延迟裂纹的产生。

6 试验结果及分析

按照中国船级社标准，消氢处理48h后再对试件进行NDT检测（100%VT＋100%UT＋100%MT），结果外观良好，无咬边、余高超标、未熔合及未焊透等缺陷；焊缝内部无损检测也合格，无气孔、裂纹、夹渣及未熔合等焊接缺陷。

对试板进行机械加工，进一步验证其力学性能，包括拉伸、弯曲、冲击、宏观金相和硬度试验。

（1）拉伸试验横向拉伸试样尺寸为25mm×40mm，数量2件，试验结果全部合格（合格标准≥770MPa），见表6。拉伸试样断裂位置如图1所示。

图1 拉伸试样断裂位置

表6 拉伸试验结果

（2）弯曲试验取侧弯试样4 件，尺寸为10mm×40mm×240mm，弯曲直径60mm，弯曲角度180°，试验结果无裂纹，全部合格，如图2所示。

图2 弯曲试样

（3）冲击试验纵向冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm标准样，依据CCS《材料与焊接规范》和GB／T 1591—2018《低合金高强度结构钢》，冲击位置取表面焊缝中心、表面熔合线、表面熔合线＋2mm以及表面熔合线＋5mm，共4组，每组3个试样，合格标准为平均值≥31J，试验结果见表7。由表7可知，结果全部合格。