F460Z高強(qiáng)鋼埋弧焊接工藝概述

趙泓

摘 要：文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證F460Z高強(qiáng)鋼埋弧焊接工藝在海洋工程上的應(yīng)用可行性，并且對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的焊接工藝進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)用鋼；焊機(jī)；工藝概述

序言

目前我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼強(qiáng)度不高、規(guī)格不全、耐腐蝕性能較差，這限制了我國(guó)自主開(kāi)采海洋資源的能力，使我國(guó)能源發(fā)展受到了制約。目前國(guó)內(nèi)，強(qiáng)度級(jí)別高的海洋平臺(tái)用鋼，還是主要依賴進(jìn)口。

海洋工程用F460Z海洋平臺(tái)用鋼，具有強(qiáng)度高、低溫韌性好等特點(diǎn)，打破國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度級(jí)別海洋平臺(tái)用鋼的壟斷地位。因此，F(xiàn)460Z的開(kāi)發(fā)及其配套焊接技術(shù)的研究具有重要的戰(zhàn)略意義。本文通過(guò)大量試驗(yàn)，對(duì)F460Z埋弧焊焊接工藝進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文采用F460Z母材板厚為31.8mm，埋弧焊焊接材料為上海大西洋焊材生產(chǎn)的CHW-S3A型焊絲，焊絲規(guī)格φ4.0mm，和CHF102型燒結(jié)焊劑。

F460Z高強(qiáng)鋼采用埋弧自動(dòng)焊焊接，根據(jù)母材化學(xué)成分，計(jì)算出碳當(dāng)量Ceq=0.42，所以可不預(yù)熱。焊接試板尺寸為31.8×150×350，開(kāi)Y型坡口，坡口角度為60°。在裝配焊接之前先用酒精對(duì)坡口內(nèi)的油污進(jìn)行清洗，裝配間隙為1-2mm，采用對(duì)稱焊接的方法進(jìn)行焊接，保證試板平直。

為了研究不同焊接熱輸入和道間溫度對(duì)F460Z高強(qiáng)鋼焊接接頭的影響，本文擬定的F460Z試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)。按中國(guó)船級(jí)社材料與焊接規(guī)范2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接后的試板進(jìn)行取樣，試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同焊接工藝對(duì)F460Z鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響

F460Z鋼埋弧焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為575-595MPa之間，且全部斷在母材，在強(qiáng)度方面6種工藝條件下得到的抗拉強(qiáng)度均能滿足中國(guó)船級(jí)社材料與焊接規(guī)范2009對(duì)F460Z焊接接頭的要求。分析數(shù)據(jù)可知，焊接熱輸入量和道間溫度是影響接頭抗拉強(qiáng)度的主要因素。

隨著焊接熱輸入量的增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度呈線性降低，這是因?yàn)檩^大的焊接熱輸入量使得焊后組織變得粗大。在15KJ焊接熱輸入、150℃道間溫度條件下，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值593MPa。

隨著多層多道焊道間溫度由150℃升高到200℃，相同熱輸入情況下焊接接頭抗拉強(qiáng)度均下降。這是因?yàn)?，道間溫度的升高使得焊縫冷卻速度變慢，錳的強(qiáng)化作用減弱。

2.2 不同焊接工藝對(duì)F460Z鋼焊接接頭各區(qū)域沖擊功的影響

F460Z鋼埋弧焊焊接接頭的-60℃沖擊韌性最薄弱區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)，焊縫金屬的沖擊功為各區(qū)的最小，其次為熔合線。熔合線外2mm和5mm區(qū)域的熱影響區(qū)沖擊功較高，這可能是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)相變結(jié)晶區(qū)的粗晶區(qū)較窄。

道間溫度為150攝氏度時(shí)，小熱輸入條件下（15KJ），焊接接頭各區(qū)域的沖擊功均處于較好的水平，焊縫金屬?zèng)_擊功平均值達(dá)到66J，熔合區(qū)沖擊功達(dá)到96J。當(dāng)焊接熱輸入增大，達(dá)到30KJ時(shí)，焊縫和熔合區(qū)沖擊韌性迅速下降，分別為39J和51J。這是因?yàn)檩^大的熱輸入使得原奧氏體晶粒粗大，冷卻以后得到粗大的焊縫組織，降低了焊縫和熔合區(qū)的韌性。50KJ大熱輸入焊接時(shí)，原奧氏體晶粒變得更為粗大，此時(shí)的t8/5僅為35s，冷卻后焊縫組織為粗大的一次柱狀晶和大量的側(cè)板條鐵素體，晶內(nèi)針狀鐵素體也變得粗大，接頭頭沖擊性能大大降低，僅為28J，低于中國(guó)船級(jí)社材料與焊接規(guī)范2009對(duì)F460Z焊接接頭-60℃沖擊功最小值31J的要求。此時(shí)焊接熱影響區(qū)的范圍也變寬，特別是粗晶區(qū)范圍，熔合區(qū)沖擊功僅為41J。從以上分析可知，當(dāng)多層多道焊道間溫度為150℃時(shí)，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭沖擊韌性隨著焊接熱輸入量的增大而變差。

道間溫度為200攝氏度時(shí)，小熱輸入條件下（15KJ），焊接接頭各區(qū)域的沖擊功均處于較好的水平，焊縫金屬?zèng)_擊功平均值達(dá)到90J，熔合區(qū)沖擊功達(dá)到87J。熔合線外2mm和5mm沖擊功均為300J的水平。當(dāng)焊接熱輸入增大，達(dá)到30KJ時(shí)，焊縫和熔合區(qū)沖擊韌性反而得到了提高，分別為130J和209J。這可能是因?yàn)榇朔N條件下的焊縫冷卻速度為最佳（t8/5為27s）。因?yàn)檩^快的冷卻速度容易得到淬硬組織，較慢的冷卻速度使得晶粒變得粗大，都會(huì)降低焊接接頭的韌性。50KJ大熱輸入焊接時(shí)，焊縫區(qū)和熔合區(qū)沖擊功迅速降低，分別為46J和53J，但均滿足中國(guó)船級(jí)社材料與焊接規(guī)范2009對(duì)F460Z焊接接頭-60℃沖擊功最小值31J的要求。但此時(shí)焊接熱影響區(qū)的范圍變得更寬，特別是粗晶區(qū)范圍，熔合線外2mm沖擊功僅為55J，大大低于其他焊接工藝條件下得到的這個(gè)區(qū)域的沖擊功。這是因?yàn)樵?0KJ熱輸入200℃道間溫度條件下，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，冷卻時(shí)間較長(zhǎng)（t8/5為45.7s），使得熱影響區(qū)粗晶區(qū)范圍變大。從以上分析可知，當(dāng)多層多道焊道間溫度為200℃時(shí)，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭沖擊韌性隨著焊接熱輸入量的增大而先升高后降低，當(dāng)焊接熱輸入為30KJ時(shí)，接頭沖擊韌性最優(yōu)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同焊接熱輸入條件下，隨著多層多道焊的道間溫度從150℃升高到200℃，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭的沖擊韌性得到提高。這是因?yàn)?，隨著道間溫度的升高，焊縫中柱狀晶區(qū)減少，重結(jié)晶區(qū)增加，盡管道間溫度200℃時(shí)的晶粒尺寸較大，卻仍能表現(xiàn)出良好的韌性。但是，如果道間溫度再升高，晶粒尺寸進(jìn)一步長(zhǎng)大，將有可能導(dǎo)致焊縫韌性迅速下降。

3 結(jié)束語(yǔ)

3.1 隨著焊接熱輸入量的增大，F(xiàn)460Z焊接接頭抗拉強(qiáng)度呈線性降低。隨著多層多道焊道間溫度由150℃升高到200℃，焊接接頭抗拉強(qiáng)度均下降。在15KJ焊接熱輸入、150℃道間溫度條件下，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值593MPa。

3.2 當(dāng)多層多道焊道間溫度為150℃時(shí)，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭沖擊韌性隨著焊接熱輸入量的增大而變差。當(dāng)多層多道焊道間溫度為200℃時(shí)，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭沖擊韌性隨著焊接熱輸入量的增大而先升高后降低，當(dāng)焊接熱輸入為30KJ時(shí)，接頭沖擊韌性最優(yōu)。

3.3 相同焊接熱輸入條件下，隨著多層多道焊的道間溫度從150℃升高到200℃，F(xiàn)460Z鋼焊接接頭的沖擊韌性得到提高。

3.4 綜上分析，結(jié)合海洋工程工作環(huán)境對(duì)F460Z高韌性、高強(qiáng)度的要求，推薦F460Z鋼焊接工藝為600A電流，30V電壓，36mm/min焊速，200℃道間溫度。

參考文獻(xiàn)

[1]李潤(rùn)培，謝永和，舒志.深海平臺(tái)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2003，18（3）：1-5.

[2]黃欣秋，張海軍.含鈦可焊接海洋結(jié)構(gòu)用鋼[J].寬厚板，2003，9（3）：38-43.