DH36船用鋼板-20℃下CTOD工藝開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

■ 汪彬，袁建松，張劍利，賀龍威，范瀝元，蔡新榮

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海洋工程組塊和導(dǎo)管架是一種典型的大型焊接結(jié)構(gòu)，由于其工作環(huán)境嚴(yán)酷、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、應(yīng)力集中程度高，加之焊接缺陷及接頭組織性能不均勻性的影響，在外載荷的作用下很容易產(chǎn)生脆性破壞。尤其是當(dāng)板厚增加時(shí)，焊接接頭的殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更加明顯。因此一般的標(biāo)準(zhǔn)與項(xiàng)目規(guī)格書(shū)中均對(duì)厚板要求進(jìn)行焊后熱處理，以降低焊接殘余應(yīng)力。

近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格書(shū)規(guī)定，當(dāng)在焊態(tài)下焊接接頭的CTOD性能合格時(shí)，可以免去焊后熱處理工序。基于此，免除熱處理的CTOD焊接工藝在越來(lái)越多的工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，采用CTOD工藝對(duì)降低建造成本與工期有非常大的意義。但是，對(duì)于渤海的某些平臺(tái)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)溫度達(dá)到了-15℃甚至更低，這就對(duì)CTOD工藝提出了更高的要求。

1. 概述

渤海某鉆井平臺(tái)項(xiàng)目中對(duì)板厚超過(guò)50mm的焊接接頭要求進(jìn)行焊后熱處理，但同時(shí)規(guī)定如果焊接接頭的CTOD測(cè)試能夠滿足要求，則可以免除焊后熱處理。項(xiàng)目主材料為GB 712 DH36，設(shè)計(jì)溫度-18.5℃。

溫度是影響材料韌性的最重要的因素，材料在低溫下很容易發(fā)生脆斷。國(guó)內(nèi)外對(duì)CTOD焊接工藝均有研究，但對(duì)于低溫CTOD，尤其是對(duì)DH36鋼板在-20℃以下的CTOD性能的研究尚不多見(jiàn)，而CTOD性能隨著溫度的降低越來(lái)越低，越來(lái)越難達(dá)到合格值。DH36的材料能保證韌性的沖擊溫度只有-20℃，因此在更低的溫度下要保證CTOD性能，對(duì)工藝提出了更高的要求。

2. 試驗(yàn)

焊接工藝是保證接頭性能的重要因素，一般材料在經(jīng)過(guò)焊接的熱循環(huán)之后性能都會(huì)有所下降。要保證整個(gè)焊接接頭的性能都能滿足要求，焊接工藝必需從各方面都嚴(yán)格控制。

本文在國(guó)內(nèi)外的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目中大量使用的80mm的鋼板進(jìn)行了CTOD焊接工藝開(kāi)發(fā)。選用的母材分別來(lái)自湖南湘潭鋼廠，母材材質(zhì)為DH36鋼板。焊材采用日本神鋼的DW—A55L藥芯焊絲，采用FCAW—G藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝，坡口設(shè)計(jì)為K形雙面焊接坡口，背面需要清根處理。焊接完成后，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，然后進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試以及CTOD測(cè)試，為保有部分設(shè)計(jì)余量，CTOD測(cè)試的溫度為-20℃。

（1）母材及坡口準(zhǔn)備 本試驗(yàn)選用的母材來(lái)自工程項(xiàng)目，厚度80mm，牌號(hào)為GB712 DH36，供貨狀態(tài)為正火。材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。

試板長(zhǎng)度為1000mm，寬度500mm。坡口采用K形雙面坡口,角度為45°（見(jiàn)圖1）。焊接試驗(yàn)分別在2G和3G位置進(jìn)行，以驗(yàn)證最大熱輸入和最小熱輸入對(duì)接頭CTOD性能的影響。

（2）焊材 焊材采用高強(qiáng)匹配，選用日本神鋼生產(chǎn)的藥芯焊絲，為低氫材料，焊絲直徑1.2mm，焊絲的力學(xué)性能如表3所示。

（3）設(shè)備與工藝 試驗(yàn)采用FCAW—G 藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝，保護(hù)氣體為Ar+CO2混合氣。焊接設(shè)備為唐山松下生產(chǎn)的型號(hào)為YD—500ER的數(shù)字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源。輸出電流為60～500A，輸出電壓為17～41V。

CTOD試驗(yàn)對(duì)焊縫以及熱影響區(qū)性能要求嚴(yán)格，除材料本身因素外，焊接電流、電弧電壓、熱輸入、最大層間溫度和最小預(yù)熱溫度對(duì)性能均有影響。通過(guò)對(duì)母材與焊材的性能分析，結(jié)合焊接冶金學(xué)的基本原理，及以往焊接工藝的研究經(jīng)驗(yàn)，選取合適的焊接熱輸入、優(yōu)化焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度與層間溫度，使焊接接頭的性能達(dá)到最優(yōu)。具體焊接參數(shù)如表4所示。

圖1 坡口示意

（4）焊接要點(diǎn) 焊接接頭要接受嚴(yán)格的CTOD測(cè)試，測(cè)試溫度在-20℃，條件十分嚴(yán)苛，為保證焊縫接頭的性能質(zhì)量，在焊接過(guò)程中除了嚴(yán)格遵守工藝要求以外，還需要注意以下細(xì)節(jié)要點(diǎn)：①焊接速度較快，每層焊道較薄，凝固速度快，容易產(chǎn)生氣孔和夾渣缺陷，在施工中應(yīng)當(dāng)加以注意。②控制好焊槍角度，控制焊絲干伸長(zhǎng)為15～20mm，采用短弧擺動(dòng)，最大擺動(dòng)寬度不超過(guò)15mm。③每層焊道的厚度不易超過(guò)4mm，每層焊道采用鋼絲刷或砂輪機(jī)清理干凈，對(duì)有飛濺、卷邊及表面熔合不好的焊道及時(shí)用砂輪機(jī)打磨消除，以防止影響下一層焊接，引起夾渣缺陷。④當(dāng)一面焊縫填充6道之后采用碳弧氣刨清根，焊接另一面。氣刨過(guò)程中應(yīng)避免造成氣刨溝槽深淺不平，選用較小一點(diǎn)的電流進(jìn)行氣刨操作，避免刨槽偏離焊縫中心。氣刨坡口要適當(dāng)增大。氣刨完成后用砂輪機(jī)打磨光亮。⑤兩面盡量對(duì)稱焊接，防止一面填充過(guò)多，產(chǎn)生拉應(yīng)力過(guò)大影響焊接質(zhì)量。⑥焊接蓋面時(shí)焊接電流電壓不易過(guò)大，以防止發(fā)生咬邊。⑦母材預(yù)熱溫度要求至少110℃，最大層間溫度200℃。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

焊接完成后，對(duì)試板進(jìn)行外觀、MT、UT檢測(cè)，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。然后按照AWS D1.1進(jìn)行減截面拉伸、側(cè)向彎曲、橫向沖擊、宏觀、硬度等性能測(cè)試，按照BS7448 對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行CTOD測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試合格。

（1）常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn) 按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、沖擊、宏觀硬度。拉伸試驗(yàn)在1000kN微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率10mm/min。最終斷裂在母材位置，強(qiáng)度520MPa，結(jié)果合格。

側(cè)彎試驗(yàn)在300kN微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，彎曲完成后的試樣如圖2所示，無(wú)可見(jiàn)的裂紋，結(jié)果合格。

圖3是宏觀形貌，熔合良好，無(wú)缺陷，硬度值如表5所示，最大硬度282HV10，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 填充焊絲力學(xué)性能

表4 焊接參數(shù)

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，可以看出在熱影響區(qū)位置沖擊值有所降低，但也都能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小單值27J，最小平均值36J的要求。

（2）CTOD試驗(yàn) CTOD試驗(yàn)步驟主要分為機(jī)加工試件、開(kāi)設(shè)疲勞裂紋、加載壓斷，測(cè)量計(jì)算，有效性判斷等5步。首先按照要求從焊完的試板上一共取6件500mm×80mm×80mm的矩形試件，其中3件在熱影響區(qū)預(yù)制疲勞裂紋，另外3件在焊縫的位置預(yù)制疲勞裂紋，然后對(duì)試件降溫，保證溫差不超過(guò)±2℃。在-20℃的環(huán)境下，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上將試件進(jìn)行壓斷，加載速率在0.5～1mm/min之間，失穩(wěn)斷裂后在顯微鏡下測(cè)量試件的裂紋長(zhǎng)度，然后按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行CTOD值的計(jì)算以及有效性判定。具體結(jié)果如表7所示。 CTOD試件的斷口形貌如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣均為有效試樣，在-20℃的試驗(yàn)溫度下，CTOD值均＞0.15mm，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。工藝評(píng)定合格，證明了焊接接頭在-20℃的服役環(huán)境下具備良好的斷裂韌性，可以免除焊后熱處理。

表5 焊縫接頭硬度值 （HV10）

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 熱影響區(qū)和焊縫CTOD值

圖2 彎曲試驗(yàn)完成后的試樣

圖3 宏觀形貌

圖4 CTOD試件的斷口形貌

4. 結(jié)語(yǔ)

GB712 DH36的材料，采用藥芯氣體保護(hù)焊工藝，選擇合適的工藝參數(shù)，其焊接接頭可以通過(guò)-20℃ 下CTOD試驗(yàn)的測(cè)試。

CTOD工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，CTOD工藝具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，該溫度條件下CTOD工藝的成功開(kāi)發(fā)，不僅減少了工程項(xiàng)目中的施工工序，降低了施工人員工作強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)省了大量的費(fèi)用，縮短了工期，在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接中必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。