基于埋弧焊的EQ 51海工鋼接頭組織調(diào)控研究

張 楠，張 熹，許 靜，楊建煒

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京100043；2.北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心，北京100043）

基于埋弧焊的EQ 51海工鋼接頭組織調(diào)控研究

張 楠1，2，張 熹1，許 靜1，楊建煒1

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京100043；2.北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心，北京100043）

通過(guò)常規(guī)力學(xué)檢測(cè)獲得高效焊接條件下EQ51海工鋼的焊接力學(xué)性能。利用掃描電鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）等方法分析焊縫（HF）、再熱粗晶區(qū)（CGHAZ）、臨界再熱粗晶區(qū)（ICGHAZ）和不完全重結(jié)晶區(qū)（SCGHAZ）四個(gè)位置的組織形貌及亞結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：母材C-Mn含量偏高及焊接熔合比是造成焊縫位置韌性偏低的原因；通過(guò)降C-Mn、降Ni、提Mo的遞進(jìn)式母材成分設(shè)計(jì)進(jìn)行組織調(diào)控，有效抑制了熱影響區(qū)組織中M/A的析出，將熔合線平均沖擊功從14 J提高到62 J，滿足大于33 J的焊接要求。

焊接；再熱粗晶區(qū)；臨界再熱粗晶區(qū)；不完全重結(jié)晶區(qū)；大角度晶界

0 前言

自升式海上鉆井平臺(tái)作為大型焊接鋼結(jié)構(gòu)，具有建造及運(yùn)營(yíng)成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于近海油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)[1-2]。鑒于我國(guó)當(dāng)前對(duì)能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的迫切需要，海洋平臺(tái)用鋼板除具備高強(qiáng)度、抗疲勞及耐海水腐蝕等性能外，還要兼?zhèn)浜褚?guī)格、高韌性及可焊性的特征，如：JFE成功開(kāi)發(fā)了F級(jí)、厚度140 mm、屈服強(qiáng)度700 MPa的高鎳平臺(tái)用鋼，在-60℃時(shí)沖擊吸收功超過(guò)300 J[3]；潘鑫等人[4-5]對(duì)EQ47及EQ56海工鋼的多層多道焊進(jìn)行焊接性評(píng)價(jià)，從焊接工藝控制角度提出保障接頭韌性的方法。

近年來(lái)，在自升式平臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)程中，為降低平臺(tái)自重，兼顧有效承載能力，薄規(guī)格高強(qiáng)度海工鋼被廣泛應(yīng)用在平臺(tái)甲板的建造中。考慮到薄板高效焊接冷卻條件有別于中厚板，為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝相對(duì)固化的高效焊接條件，避免焊接接頭發(fā)生低應(yīng)力脆斷，提高海洋平臺(tái)的服役安全性，本研究以12 mm厚EQ51海工鋼為對(duì)象，通過(guò)板材合金成分調(diào)控，整體提高了焊接接頭韌性儲(chǔ)備，為海工鋼產(chǎn)品的個(gè)性化需求提供保障。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板為調(diào)質(zhì)態(tài)EQ51，組織為多邊形鐵素體（PF）+貝氏體（B），屈服強(qiáng)度大于550 MPa，抗拉強(qiáng)度大于610 MPa。焊接材料采用瑞典ESAB生產(chǎn)的直徑φ4.0 mm、牌號(hào)為OK Autrod 12.34埋弧焊絲和OK Flux 10.62焊劑，母材、焊縫及焊絲熔敷金屬化學(xué)成分及沖擊韌性見(jiàn)表1。焊接試驗(yàn)采用I型坡口對(duì)接，焊前無(wú)預(yù)熱，焊劑在350℃下烘干2 h，焊接熱輸入約20 kJ/cm，具體焊接參數(shù)為：電壓33 V，電流650 A，焊速650 mm/min。接頭形貌見(jiàn)圖1。

圖1 接頭形貌示意Fig.1 Schematic of welding joint

1.2 試驗(yàn)方法

在ZBC2752型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成拉伸和沖擊試驗(yàn)，缺口方向垂直于焊接方向，分別在焊縫中心（WM）、熔合線（FL）和FL+2 mm位置；試樣經(jīng)磨制、拋光、5%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕后，利用JSM7001F型掃描電鏡（SEM）完成顯微組織觀察；采用Struers半自動(dòng)電解拋光設(shè)備對(duì)預(yù)拋光試樣進(jìn)行電解拋光，利用EBSD對(duì)傾斜70°的試樣進(jìn)行面掃描，并使用HKL分析軟件評(píng)價(jià)bcc基體取向、大角度晶界分布以及殘留fcc相；選用DIL402C型熱膨脹儀對(duì)焊縫金屬進(jìn)行熱膨脹分析。

表1化學(xué)成分及沖擊吸收功Table 1 Chemical compositions and impact energy

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接力學(xué)性能

熔敷金屬及匹配不同板材焊后的力學(xué)性能如表2所示。結(jié)合圖1沖擊位置可知，EQ51母材采用現(xiàn)場(chǎng)工藝施焊后，焊縫中心及熔合線沖擊吸收功出現(xiàn)低于33 J的標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)三輪對(duì)比鋼成分調(diào)整，焊后FL位置的沖擊韌性得到梯次化改善。

表2 焊接力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of welding

由于FL沖擊位置相對(duì)特殊，重點(diǎn)考察焊縫（位置1，HF）、再熱粗晶區(qū)（位置2-1）、臨界再熱粗晶區(qū)（位置2-2）和不完全重結(jié)晶區(qū)（位置3）四個(gè)位置。

2.2 焊縫組織表征

焊縫組織形貌如圖2所示，焊絲熔敷金屬可得到全針狀鐵素體（AF）組織；而匹配EQ51板材得到的焊縫中心組織卻為韌性較差的羽毛狀上貝氏體；通過(guò)成分調(diào)整，對(duì)比鋼1得到的焊縫組織再次呈現(xiàn)AF。

圖2 位置1形貌Fig.2 Microstructure of position 1

在近年的鋼鐵材料強(qiáng)韌化研究中，不斷有學(xué)者采用斷裂理論中的“晶體學(xué)包”（crystallographic packet）概念恰當(dāng)?shù)乇碚髁伺c韌性密切相關(guān)的有效晶界[6-7]，研究認(rèn)為：有效晶界在取向差趨于15°時(shí)達(dá)到最大值并保持不變，大角度晶界（≥15°）可有效改變裂紋擴(kuò)展的方向，抑制裂紋擴(kuò)展。圖3和圖4分別為工業(yè)EQ51試板和對(duì)比鋼1在相同焊接條件下焊縫位置的EBSD表征，圖中黑色標(biāo)記點(diǎn)為fcc相，Kikuch襯度圖中的大角度晶界用黑色線勾勒。

圖3 EQ51焊縫位置EBSD照片F(xiàn)ig.3 Weld joint EBSD pictures of EQ51

圖4 對(duì)比鋼1的焊縫位置EBSD照片F(xiàn)ig.4 Weld joint EBSD pictures of tested steel 1

由圖3可知，工業(yè)EQ51焊縫組織未得到AF組織，大角晶界多集中在原奧氏體晶界處，且晶粒取向多樣性較弱，可見(jiàn)明顯條狀fcc相；相比之下，對(duì)比鋼1的焊縫組織為全AF組織，細(xì)小的AF間呈現(xiàn)明顯的取向差異，并形成大角度晶界，fcc相以點(diǎn)/塊狀為主。文獻(xiàn)[8]表明，形貌各異的M/A島對(duì)組織起到了強(qiáng)化效果，但同時(shí)破壞了基體的連續(xù)性，相比點(diǎn)狀和塊狀M/A島而言，長(zhǎng)條狀M/A島周圍多會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的晶格畸變，進(jìn)而引起應(yīng)力集中，影響材料的斷裂韌性。此外，焊接熔合比對(duì)焊縫組織的稀釋不可忽略。由表2可知，工業(yè)EQ51母材成分中C、Mn、Ni的含量明顯高于全熔敷金屬，說(shuō)明EQ51焊縫金屬受到母材的稀釋作用，在焊接自然冷卻條件下組織轉(zhuǎn)變溫度降低（見(jiàn)圖5），難以得到針狀鐵素體組織。

圖5 降溫過(guò)程熱膨脹曲線Fig.5 Curve of heat expansion during cooling process

2.3 再熱粗晶區(qū)組織表征

工業(yè)EQ51與對(duì)比鋼1的再熱粗晶區(qū)形貌見(jiàn)圖6。原粗晶區(qū)組織被二次熱循環(huán)加熱到1 100℃～1 300℃，形成更為粗大的奧氏體晶粒，并在隨后的冷卻條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榉较蛐詷O強(qiáng)的板條狀貝氏體，片條間的M/A組織呈長(zhǎng)條狀。由于M/A與基體存在非共格關(guān)系，其周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中，多成為裂紋的起裂源。相比長(zhǎng)條狀M/A，對(duì)比鋼1由于C-Mn含量降低，M/A組織含量明顯減少，且短棒狀及點(diǎn)狀M/A周邊的應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較低，可改善韌性。

2.4 臨界再熱粗晶區(qū)組織表征

臨界再熱粗晶區(qū)形貌如圖7所示，工業(yè)EQ51該位置出現(xiàn)了方向性較強(qiáng)且更為粗化的條狀M/A。這通常是由二次熱循環(huán)以及隨后的熱循環(huán)產(chǎn)生較慢的冷卻速度導(dǎo)致的自然結(jié)果。經(jīng)分析：在這個(gè)很小的原始粗晶熱影響區(qū)M/A島區(qū)域中，碳的濃度甚至高達(dá)1%[8]，在二次熱循環(huán)作用下首先被重新奧氏體化，此后在長(zhǎng)度方向長(zhǎng)大并從周圍組織中獲得更多的碳。當(dāng)整個(gè)區(qū)域再次冷卻后，在其區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)碳的梯度分布，這意味著可以找到更為明顯的以馬氏體為核心的M/A組織。

圖6 位置2-1形貌Fig.6 Microstructure of position 2-1

2.5 不完全重結(jié)晶區(qū)組織表征

參照EQ51主要合金成分，分別通過(guò)降C-Mn、降Ni、提Mo的遞進(jìn)式思路設(shè)計(jì)3種成分對(duì)比鋼（見(jiàn)表1），焊后不完全重結(jié)晶區(qū)組織調(diào)控對(duì)比如圖8所示。工業(yè)EQ51粗晶熱影響區(qū)受到后續(xù)焊接熱循環(huán)的回火作用（溫度500℃～700℃），粗晶回火區(qū)呈現(xiàn)最為嚴(yán)重的鏈狀M/A組織；相比之下，對(duì)比鋼3在相對(duì)位置的鏈狀M/A組織不明顯，對(duì)比鋼1和對(duì)比鋼2的鏈狀M/A析出介于其間。

經(jīng)分析，除降低C-Mn含量可有效抑制粗晶區(qū)組織中M/A亞穩(wěn)相的二次析出外，進(jìn)一步降低Ni含量同樣起到改善作用，原因在于Ni作為奧氏體穩(wěn)定性元素，可將奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變溫度推向低點(diǎn)，有效抑制亞穩(wěn)相M/A的析出，這對(duì)于單次熱循環(huán)來(lái)講，有利于改善粗晶區(qū)韌性，但在多次熱循環(huán)條件下，亞穩(wěn)相M/A有足夠的時(shí)間和動(dòng)力來(lái)充分析出，這對(duì)于韌性的保障卻是有害的。試驗(yàn)鋼3是在試驗(yàn)鋼2的基礎(chǔ)上適當(dāng)添加Mo，除補(bǔ)充強(qiáng)度損失外，還利用提高回火穩(wěn)定性的特點(diǎn)，進(jìn)一步改善熔合線的沖擊韌性。結(jié)果表明：熔合線沖擊吸收功從工業(yè)EQ51焊態(tài)的均值14 J提高到62 J，使薄規(guī)格12 mm厚EQ51焊后-40℃穩(wěn)定大于33 J，滿足海工鋼高效焊接的要求。

圖7 位置2-2形貌Fig.7 Microstructure of position 2-2

圖8 位置2-2形貌Fig.8 Microstructure of position 2-2

3 結(jié)論

（1）母材C-Mn含量偏高和焊接熔合比的作用使焊縫無(wú)法獲得有利于韌性的針狀鐵素體組織，工業(yè)EQ51在所述焊接條件下焊縫及熔合線沖擊均值低于33 J。

（2）通過(guò)降低母材中C-Mn含量，除焊縫獲得針狀鐵素體組織外，還改善和降低了再熱粗晶區(qū)、臨界再熱粗晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)的M/A形貌和含量。

（3）降C-Mn、降Ni、提Mo的遞進(jìn)式成分優(yōu)化，通過(guò)組織調(diào)控有效抑制了不完全重結(jié)晶區(qū)鏈狀M/A的析出，將熔合線平均沖擊功從14 J提高到62 J，滿足大于33 J的焊接要求。

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Research on microstructure controlling of welded joint with offshore steel EQ51 based on SAW

ZHANG Nan1，2，ZHANG Xi1，XU Jing1，YANG Jianwei1
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；2.Beijing Engineering Research Center of Energy Steel，Beijing 100043，China）

The welding mechanical properties of high-efficiency welding on offshore steel EQ51 with thickness of 12 mm were investigated for improving the welding structure security in this paper.The microstructure and sub structure in four areas marked HF，CGHAZ，ICGHAZ and SCGHAZ were analyzed by SEM and EBSD.The results show that the higher component of C-Mn in base metal and penetration ratio are the primary causes which make the toughness decreased.Though graded composition design from decreasing C-Mn，decreasing Ni，to increasing Mo，the ideal microstructure is obtained，which makes the M/A precipitates depressed in HAZ.The average impact energy in fusion-line can be raised from 14 J to 62 J，which is sufficient the deadline of 33 J.

welding；CGHAZ；ICGHAZ；SCGHAZ；high angle boundary

TG455

A

1001－2303（2017）03－0017-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.03

獻(xiàn)

張楠，張熹，許靜，等.基于埋弧焊的EQ51海工鋼接頭組織調(diào)控研究[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：17-21，31.

2016-11-14

張 楠（1983—），男，河北香河人，國(guó)際焊接工程師，碩士，主要從事金屬材料焊接及界面行為研究。