船用高強(qiáng)鋼埋弧焊材焊接工藝

孫 強(qiáng)，秦 穎，黃江中，郝建宏，王洪亮，艾 偉

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

0 前言

埋弧焊是一種高效焊接方法，針對(duì)船用高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境要求，以AWS D1.1-2015《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，采用4種牌號(hào)埋弧焊材對(duì)32 mm壁厚的D36鋼板進(jìn)行埋弧焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。通過拉伸、彎曲、沖擊、硬度和宏觀金相檢測研究其焊接接頭力學(xué)性能，為船用高強(qiáng)鋼埋弧焊材料選擇提供參考。

1 焊接方法和焊接材料

試驗(yàn)材料為D36鋼板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能實(shí)測結(jié)果見表1、表2。試板尺寸1300mm×300 mm×32 mm?？紤]到生產(chǎn)效率、焊縫質(zhì)量和設(shè)備實(shí)際情況等，選擇埋弧焊進(jìn)行焊接。

D36是低碳鋼應(yīng)選用與母材相匹配的焊接材料，根據(jù)埋弧焊熱輸入量高的工藝特點(diǎn)選取合金成分略高于母材的焊絲并配中性焊劑且焊劑滿足快速焊，電弧燃燒穩(wěn)定、熔渣具有適宜的熔點(diǎn)、黏度和表面張力，焊道與焊道間以及焊道與母材間充分熔合，過渡平滑無明顯咬邊，脫渣容易，焊縫表面成形良好，焊接過程中產(chǎn)生的有害氣體較少。為獲得低溫韌性良好的焊接接頭，選擇低氫型焊絲及焊劑。本研究通過對(duì)比選取GWL-W14H&GXL-101、GWLW14H&GXL-101、H-14&S-707T、CHW-S3&CHF101四種牌號(hào)焊絲及焊劑。焊材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 Hastelloy C-276鎳基合金和ERNiCrMo-4焊絲化學(xué)成分%

表2 D36鋼的力學(xué)性能

2 焊接工藝試驗(yàn)

采用X型對(duì)稱坡口，埋弧焊接工裝合理，避免出現(xiàn)焊接變形、根部未熔合、未焊透及夾渣等焊接缺陷；焊前清理坡口，坡口內(nèi)部無金屬屑、毛刺、熔渣等，坡口周圍25 mm范圍無銹蝕、油污、氧化皮、水分等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤；埋弧焊采用堿性焊劑，嚴(yán)格烘干，保存在不低于260℃的保溫箱內(nèi)，隨取隨用；焊前預(yù)熱，將坡口兩側(cè)75～100 mm寬的區(qū)域加熱到65℃，層間溫度高于預(yù)熱溫度，但低于200℃。焊接過程中盡量減小拘束度，合理安排焊道次序，以降低焊接變形和殘余應(yīng)力。

埋弧焊工藝參數(shù)見表3。焊接坡口如圖1所示，采用平焊位置。

表3 焊條電弧焊和埋弧焊工藝參數(shù)

圖1 焊接坡口尺寸

從脫渣性、造渣和熔池保護(hù)情況兩方面對(duì)比4種埋弧焊材，GWL-W14H&GXL-101綜合表現(xiàn)較好；T Union SA EH12K&T-UV 618脫渣性較差；H-14&S-707T脫渣性稍差，焊渣內(nèi)表面保護(hù)熔池一側(cè)有2~5 mm的窩狀氣孔，由此造成金屬表面暗斑；CHW-S3&CHF101焊材脫渣性較好，但在金屬表面形成了1~2 mm的較小暗斑。

3 焊接工藝評(píng)定

按照AWS D1.1：2015標(biāo)準(zhǔn)要求，焊后進(jìn)行外觀、超聲波、磁粉及射線探傷檢測，結(jié)果全部合格。檢查焊縫外觀質(zhì)量，焊縫外形均勻美觀，無表面氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等缺陷。

按照AWS D1.1：2015標(biāo)準(zhǔn)劃線切割制取合適的力學(xué)性能試樣，分別進(jìn)行拉伸、彎曲及沖擊試驗(yàn)，進(jìn)行硬度和宏觀金相檢測。

3.1 拉伸試驗(yàn)

AWS D1.1：2015標(biāo)準(zhǔn)要求試樣焊縫的抗拉強(qiáng)度不小于母材的最小名義抗拉強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，試樣斷裂在母材位置，表明焊縫拉伸強(qiáng)度高于母材。試驗(yàn)結(jié)果表明，這4種埋弧焊材焊接的D36鋼接頭的拉伸性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫接頭性能合格。

3.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)執(zhí)行AWS D1.1：2015標(biāo)準(zhǔn)，沿厚度方向截取4個(gè)彎曲試樣進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)條件為壓頭直徑50 mm，彎曲角180°，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)執(zhí)行ASME SA370-12標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，D36鋼焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)－40℃沖擊韌性要求，單個(gè)沖擊功AkV≥27 J，平均吸收功AkV≥34 J，接頭性能合格。

3.4 硬度和宏觀試驗(yàn)

圖2 －40℃焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

硬度和宏觀試驗(yàn)執(zhí)行ASTM E384-11E1標(biāo)準(zhǔn)。試件的焊縫宏觀形貌如圖3所示。通過宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透、無裂紋等缺陷。宏觀試驗(yàn)后按圖4所示分別對(duì)接頭上、中、下表面進(jìn)行維氏硬度測量，結(jié)果如圖5所示。硬度檢測結(jié)果表明，D36鋼焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)硬度值均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 金相組織觀察

觀察各焊材根部焊縫金相顯微組織，如圖6所示，各試件組織以鐵素體（F）為主。

圖3 焊縫宏觀形貌

圖4 焊接接頭硬度測量點(diǎn)位置示意

其中鐵素體（F）分為條塊狀先共析鐵素體（QF）和細(xì)小的針狀鐵素體（AF）。本試驗(yàn)中各試件金相組織以條塊狀先共析鐵素體（QF）為主，伴有很少量的針狀鐵素體（AF）。條塊狀先共析鐵素體（QF）具有較好的強(qiáng)度和塑性，低屈強(qiáng)比，高應(yīng)變硬化能力。針狀鐵素體（AF）具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，連續(xù)的屈服行為和較高的形變強(qiáng)化能力。

圖5 D36鋼焊接接頭HV10硬度分布

圖6 焊縫中心金相組織

4 結(jié)論

通過對(duì)4種牌號(hào)焊材焊接D36鋼的焊接性分析，T Union SA EH12K&T-UV 618與H-14&S-707T脫渣性差易產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷，H-14&S-707T與CHW-S3&CHF101內(nèi)側(cè)有窩狀氣孔，排除操作烘干因素，焊劑純度差會(huì)導(dǎo)致此種情況發(fā)生，焊縫表面有暗斑，影響外觀質(zhì)量；無損檢測和力學(xué)性能檢測結(jié)果表明，焊接接頭性能均符合AWS D1.1：2015標(biāo)準(zhǔn)要求，相比較H-14&S-707T沖擊性能較差。

[1]AWSD1.1-D1.1M-2015Structuralweldingcode-steel[S].2015.

[2]ASME SA370-12[S].

[3]ASTM E384-11E1[S].

[4]AWS/ASME A5.01[S].

[5]AWS A5.17/ASTM SFA-5.17[S].

[6]EN ISO 14171-A[S].

[7]JIS Z3183[S].

[8]GB 712-2011[S].