熱輸入對E36鋼SAW焊縫組織及韌性的影響

隋志強，齊彥昌，肖紅軍，王軍麗，朱青松

（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明 650000；2.鋼鐵研究總院焊接所，北京 100081）

熱輸入對E36鋼SAW焊縫組織及韌性的影響

隋志強1，2，齊彥昌2，肖紅軍2，王軍麗1，朱青松1

（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明 650000；2.鋼鐵研究總院焊接所，北京 100081）

為提高建造海洋采油平臺的效率、減少生產(chǎn)周期，進而為實際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持，采用3種不同熱輸入對海洋采油平臺用E36鋼進行埋弧焊焊接，通過光學顯微鏡（OM）、透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）和電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）對焊縫微觀組織及夾雜物形貌進行了觀察，研究了不同熱輸入對焊縫組織及韌性的影響，并分析了不同熱輸入對焊縫夾雜物尺寸分布和成分的影響.結(jié)果表明：熱輸入為50 kJ/cm時，焊縫金屬韌性較好；隨著焊接熱輸入的增加，焊縫的沖擊韌性降低，但仍能滿足性能指標，焊縫金屬中夾雜物成分相差較大，有效夾雜物數(shù)量減少，焊縫金屬中大角度晶界比例減少；對于E36鋼，熱輸入為160 kJ/cm時不僅能使韌性符合要求還能提高生產(chǎn)效率.

E36鋼；埋弧焊；大熱輸入；韌性；夾雜物

進入21世紀，海洋石油工業(yè)不斷高速增長，已成為關(guān)乎國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱［1］.隨著我國海洋石油工業(yè)不斷向深水領(lǐng)域延伸，大型海洋鋼結(jié)構(gòu)（如導管架）不斷增多，鋼材的壁厚也不斷增大，而目前國內(nèi)市場上的常規(guī)中厚板，為保證焊接接頭組織的強度和韌性，其在焊接時只能采取小熱輸入（≤40 kJ/cm）進行多層多道次焊接，這種焊接工藝生產(chǎn)效率很低，生產(chǎn)成本也相對較高，難以滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展所要求的低成本、高效率和減量化制造等要求［2］.加之海洋采油平臺的焊接受環(huán)境影響很大，建造周期長，因此，如何在充分保證所建造平臺綜合性能的前提下提高生產(chǎn)效率成為建造過程中亟待解決的技術(shù)問題.

為適應海洋采油平臺高效化的建造需求，尋找一種既能滿足性能標準又能提高生產(chǎn)效率的工藝方法，對海洋工程用鋼提出了50～200 kJ/cm的大熱輸入焊接要求，從而減少了海洋工程用鋼的焊接道次，大大縮短了焊接時間.

本文對海洋工程用E36鋼進行試驗研究，采用熱輸入為50、100和160 kJ/cm的埋弧焊焊接，并測試其低溫韌性，觀察金相微觀組織，對材料的性能進行分析.

1 試 驗

1.1 材料

試驗中所用鋼板為用于海洋采油平臺導管架的E36鋼，板厚50 mm，熱連軋態(tài)供貨.焊接材料選用Φ4.0 mmER50-G埋弧焊絲和GM-55D燒結(jié)焊劑，以上試驗用鋼板和焊接材料均由鋼鐵研究總院供貨.焊劑在使用前需在350～400℃下烘焙1.5～2.0 h，焊接前應清除焊接區(qū)域的鐵銹、油污和水分等雜質(zhì).鋼板和焊絲的主要化學成分見表1，焊縫金屬的沖擊韌性試驗依參考文獻［3］進行.

表1 E36鋼和ER50-G焊絲的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 試驗方法

試驗試板尺寸為500 mm×180 mm×50 mm，開V型坡口.焊接設(shè)備采用SAWS1250X2型埋弧焊機.對1#、2#和3#試板分別采用50、100、160 kJ/cm熱輸入焊接工藝.表2給出了具體的各試板焊接工藝參數(shù)，熱輸入值按公式E=η·U·I/V確定.

表2 各焊接試板的工藝參數(shù)

沖擊試樣參照GB/T 229—2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》標準，在距離后焊面的下方2 mm處選取試樣，將焊后的焊縫金屬加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，“V”型缺口，每組取5個平行試樣.在JBN-300B型沖擊試驗機上進行沖擊韌性試驗，試驗溫度為-20℃，并記錄各試樣的沖擊吸收功KV-20℃.用Zeiss 40MAT數(shù)字金相顯微鏡對焊縫進行微觀組織觀察，用HITACHI S-4300掃描電子顯微鏡進行沖擊斷口微觀形貌觀察，用HITACHI H-800透射電子顯微鏡進行焊縫微觀組織觀察，利用FEI Quanta650熱場發(fā)射掃描電鏡中集成的電子背散射衍射（EBSD）系統(tǒng)（Oxford Nordlys F+）對焊縫金屬顯微組織特征進行觀察，掃描尺寸為100 μm× 100 μm，掃描步長0.1 μm.

2 結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

E36鋼不同熱輸入的焊縫金屬沖擊試驗結(jié)果見表3.由表3可知：小熱輸入的焊縫金屬具有較高的沖擊韌性，隨著熱輸入的增大，沖擊韌性隨之降低，但仍能滿足指標要求（≥34 J）；且當熱輸入為160 kJ/cm時，焊縫金屬韌性仍有很大工程余量，可滿足工程高效化生產(chǎn)的要求.

表3 焊縫金屬力學性能

2.2 微觀組織分析

焊縫金屬的力學性能與其組織結(jié)構(gòu)是密不可分的，對這3種熱輸入的焊縫金屬用金相電鏡進行微觀組織觀察，用photoshop CS 8.01軟件對針狀鐵素體與條塊狀先共析鐵素體面積進行統(tǒng)計. 3種熱輸入下焊縫的金相組織形貌和其針狀鐵素體與條塊狀先共析鐵素體面積分布情況如圖1和表4所示.

由表4可知，隨著焊接熱輸入的增大，焊縫內(nèi)針狀鐵素體面積所占比例逐漸減少，條塊狀先共析鐵素體面積所占比例隨之增多.3種熱輸入下，針狀鐵素體面積占比分別為74.4%、56.5%、36.3%.曲占元［4］對這些焊縫組織進行了物相分析，認為焊縫金屬中針狀鐵素體和先共析鐵素體組織的構(gòu)成比例對焊縫金屬的韌性有重要影響，當焊縫金屬中針狀鐵素體組織的含量提高時，其韌性上升，當焊縫金屬中先共析鐵素體組織的含量增多，則韌性下降.有一些學者認為［5-6］，這是由于針狀鐵素體與先共析鐵素體具有不同的斷裂特征造成的.當裂紋穿過針狀鐵素體時，所產(chǎn)生的塑性形變會減弱裂紋前端的應力集中，在該處裂紋的擴展呈波浪起伏狀，對應斷口的斷裂特征為韌窩斷裂，故沖擊韌性較高.當鐵素體為塊狀時，在發(fā)生形變的過程中因與鄰近組織的協(xié)調(diào)性差，易在晶界處萌生裂紋，發(fā)生解理斷裂，所對應的斷口會形成解理臺階，其斷口單元的尺寸與顯微組織中相應的塊狀先共析鐵素體尺寸基本相當，所以其抵抗裂紋擴展的能力比針狀鐵素體組織的低.隨著焊接熱輸入增大，焊縫金屬中針狀鐵素體含量減少，較高溫度下組織晶粒會逐漸粗化，降低了其抵抗裂紋萌生和擴展的能力，導致沖擊韌性降低.

圖1 焊縫金屬微觀組織

圖2為焊縫金屬電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）的分析結(jié)果，灰色實線表示晶粒取向差大于15°的大角度晶界.由圖2可知，隨著熱輸入的增大，焊縫金屬中大角度晶界比例逐漸減少.這是因為熱輸入為50和100 kJ/cm的焊縫中出現(xiàn)了大量的針狀鐵素體，大角度晶界存在于針狀鐵素體各晶粒之間.有研究表明，大角度晶界能有效阻止裂紋的擴展，改善低溫韌性［7］.

表4 焊縫組織結(jié)構(gòu)分布

圖2 焊縫金屬中的大角度晶界分布（≥15°）

圖3為焊縫金屬微觀組織形貌，可以看出，直徑約為0.5 μm的夾雜物充當了針狀鐵素體形核中心.有研究表明［8-9］，針狀鐵素體的位錯密度較高，由于位錯的存在、運動和重新排布，促使其內(nèi)部形成對裂紋擴展起阻礙作用的位錯亞結(jié)構(gòu)，故針狀鐵素體在低溫環(huán)境下表現(xiàn)出較高的韌性.

圖3 透射電鏡下焊縫金屬的顯微組織

2.3 夾雜物分析

為進一步分析不同熱輸入下焊縫低溫沖擊韌性差異的原因，研究夾雜物的尺寸分布對針狀鐵素體形核的影響，采用LeicaMEF-4M光學金相顯微鏡對焊縫金屬中夾雜物進行觀察，并通過SISC IAS8.0金相分析軟件對焊縫金屬夾雜物的數(shù)量和分布情況進行了統(tǒng)計.圖4為焊縫金屬夾雜物的尺寸分布情況，可知，3種熱輸入下焊縫金屬夾雜物尺寸均呈現(xiàn)近似對數(shù)正態(tài)分布，3種焊縫金屬中直徑為0.2～0.6 μm的夾雜物占多數(shù).己有研究表明［10］，針狀鐵素體的形核質(zhì)點以直徑0.4～2.0 μm內(nèi)的非金屬夾雜物為主.通過統(tǒng)計，3種熱輸入下焊縫中夾雜物尺寸在0.4～2.0 μm內(nèi)的比例分別為55.26%、40.97%和31.56%，可見，隨著熱輸入的增大針狀鐵素體形核幾率下降.熱輸入為50 kJ/cm的焊縫中存在大量尺寸適合針狀鐵素體形核的夾雜物，故焊縫區(qū)出現(xiàn)大量針狀鐵素體.如圖5所示，在焊縫金屬中發(fā)現(xiàn)存在大量類球狀的復合型非金屬夾雜物.每組焊縫金屬中隨機選取5個夾雜物作為平行試樣，表5對3種熱輸入的焊縫金屬夾雜物進行能譜分析并對其元素成分進行統(tǒng)計取平均值，結(jié)果表明，3種焊縫夾雜物主要由TiO、MnO、SiO2、Al2O3組成，而且隨著焊接熱輸入的增大，Al2O3含量大大增加，TiO、MnO和SiO2含量減少. 3種熱輸入下焊縫中Al的質(zhì)量分數(shù)分別為12.85%、14.76%和43.71%，O的質(zhì)量分數(shù)分別為8.56%、8.52%和14.03%，Ti的質(zhì)量分數(shù)分別為16.18%、13.00%和1.71%.

已有研究表明［11］，鋁是比鈦強的脫氧劑且具有高熔點的特點，因此通常認為氧化鋁先形成，之后過剩的氧會與鈦結(jié)合生成氧化鈦.Gregg等［12］和張國棟［13］通過熱物理模擬實驗證實了純的Al2O3并不能促進針狀鐵素體的形核.但當Al2O3和MnO以質(zhì)量比1∶1混合時，可以誘發(fā)針狀鐵素體形核.有研究表明［14］，TiO在｛100｝//｛100｝晶面＜100＞//＜100＞晶向與針狀鐵素體具有較小的錯排度（3.0%），TiO具有相對較小的熱膨脹系數(shù)，能夠有效促進針狀鐵素體形核.TiO具有很強的親和力，TiO的微小晶粒在焊縫中呈彌散分布［15］，可細化晶粒，大幅度提高焊縫韌性.

綜上所述，3種熱輸入下焊縫中形成TiO和Al2O3·MnO的數(shù)量隨著熱輸入的增大而減少，焊縫夾雜物對針狀鐵素體形核影響也隨之減小，即3種熱輸入焊縫中針狀鐵素體所占比例逐漸減少，沖擊韌性也隨之降低.

圖4 夾雜物尺寸分布情況

圖5 夾雜物形貌

表5 夾雜物化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

3 結(jié) 論

1）熱輸入不同時焊縫金屬的金相組織發(fā)生變化，進而影響焊縫金屬的韌性.隨著熱輸入的增大，沖擊韌性隨之降低，但仍遠高于指標要求.

2）隨著熱輸入的增大，焊縫金屬中有效夾雜物的數(shù)量減少、尺寸增大，并且夾雜物的成分發(fā)生變化.

3）隨著熱輸入的增大，焊縫金屬中大角度晶界比例逐漸減少.大角度晶界存在于針狀鐵素體各晶包之間，可阻止裂紋擴展改善低溫韌性.

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（編輯 程利冬）

Effects of large heat input on microstructure and toughness of E36 steel weld metals with submerged arc welding

SUI Zhiqiang1，2，QI Yanchang2，XIAO Hongjun2，WANG Junli1，ZHU Qingsong1

（1.School of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China；2.Institute of Welding Technology，Central Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

E36 steel for offshore drilling platform was welded with submerged arc welding（SAW）in three different heat inputs，aiming to improve the efficiency of constructing offshore drilling platform and to reduce production cycle，and thus to provide data support for practical production.The microstructures of weld metals and the morphology of inclusions were analyzed by means of OM，TEM，SEM and EBSD.The effects of heat input on the microstructure and impact toughness of the weld metals and the size，distribution，compositions of inclusions were investigated.The results show that the impact toughness of weld metal is the best with heat input of 50 kJ/cm.With the increase of welding heat input，the impact toughness of weld metals decreases yet it still can satisfy the performance index，and the compositions of inclusions in weld metal vary widely，and the number of valid inclusions reduce，the proportion of large angle grain boundary in weld metal reduce.When the heat input is 160 kJ/cm，the welding process not only can make toughness meet the requirement also can improve the production efficiency.

E36 steel；submerged arc welding；large heat input；toughness；inclusion

TG441.3

A

1005-0299（2015）06-0007-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150602

2015-01-04.

工信部高技術(shù)船舶科研項目自籌項目.

隋志強（1988—），男，碩士研究生.

隋志強，E-mail：suizhiqiang1988@126.com.