極地船用FH40低溫高強(qiáng)鋼焊接工藝

夏皓春，賀進(jìn)巍，鄧勝杰

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

隨著全球不可再生資源的過(guò)度開采和大規(guī)模減少，世界各國(guó)逐漸將目光投向具有豐富能源儲(chǔ)備的極地地區(qū)，并將極地資源勘探作為本國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球25%的未開發(fā)油氣儲(chǔ)量及約占世界總量9%的煤炭資源[1-2]分布在北極地區(qū)。另一方面，北極航線開發(fā)對(duì)于我國(guó)能源供應(yīng)和海上貿(mào)易安全具有重要戰(zhàn)略意義，可使上海以北港口至歐洲西部、北海、波羅的海等港口航程縮短25%～55%，運(yùn)輸成本大幅降低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義[3]。

為適應(yīng)極地-55 ℃超低氣溫條件下船舶運(yùn)行及破冰工況，船用FH40低溫高強(qiáng)鋼以其優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和耐低溫性能被選為新一代極地船舶用鋼。目前關(guān)于該材料的焊接工藝研究較少。選擇合適的焊接工藝，獲得良好的焊接接頭性能，是FH40低溫高強(qiáng)鋼焊接工藝研究的關(guān)鍵。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

船用FH40低溫高強(qiáng)鋼具有良好的韌性和較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，在低溫環(huán)境(-60 ℃)下具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性，可通過(guò)添加Ni、V和Mo等微量合金元素細(xì)化晶粒提高其低溫抗開裂能力，添加Cu和Cr等元素提高其抗大氣和海水腐蝕性能。針對(duì)目標(biāo)船型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，試驗(yàn)選取12 mm、20 mm和60 mm等3種厚度規(guī)格的FH40低溫高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接工藝研究。鋼板尺寸分別為12 mm×150 mm×700 mm、20 mm×150 mm×700 mm、60 mm×150 mm×700 mm，所選鋼材均通過(guò)中國(guó)船級(jí)社(CCS)認(rèn)證。

FH40低溫高強(qiáng)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。由表1可知：鋼材具有較高的純凈度，有害元素雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

針對(duì)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.07%～0.22%、抗拉強(qiáng)度為400～1 000 MPa的低合金高強(qiáng)鋼，CCS規(guī)范要求其碳當(dāng)量Ceq≤0.40%[4]。為衡量鋼材的可焊性，可采用冷裂紋敏感系數(shù)Pcm[4]代替Ceq，即

(1)

Pcm與國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量CEIIW的關(guān)系[5]為

(2)

經(jīng)計(jì)算，Pcm=0.18%，CEIIW=0.39%。這說(shuō)明FH40低溫高強(qiáng)鋼具有一定的淬硬傾向，在焊接大厚度和大拘束構(gòu)件時(shí)，焊材及焊接方法的選擇應(yīng)注意考慮板厚、冷速和熱輸入等因素的影響。

FH40低溫高強(qiáng)鋼力學(xué)性能如表2所示。由表2可知：3種板厚規(guī)格FH40低溫高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比均<80.0%，說(shuō)明其具有較好的塑性變形和延緩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的能力。

表2 力學(xué)性能

對(duì)FH40低溫高強(qiáng)鋼母材厚度方向隨機(jī)各取2個(gè)部位制備金相式樣并觀察其組織形貌，如圖1所示。由圖1可知：母材在板厚方向無(wú)明顯成分偏析現(xiàn)象，說(shuō)明母材組織較為均勻。焊材選擇依據(jù)FH40低溫高強(qiáng)鋼的母材特性及極地環(huán)境溫度等因素綜合考慮：焊條電弧焊(Shielded Metal Arc Welding，SMAW)采用符合AWS A5.5 E8018-C3H4R要求、直徑為3.2 mm的焊條；CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊(CO2Gas Shielded Flux-Cored Arc Welding，F(xiàn)CAW-CO2)選用符合AWS A5.36 E81T1-C1A8-K2-H4要求、直徑為1.2 mm的藥芯焊絲；埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)選用符合AWS A5.23 SFA-5.23:ENi1要求、直徑為4.0 mm的焊絲加F8A8-ENi1-Ni1焊劑。

圖1 不同板厚規(guī)格的組織形貌

1.2 焊接工藝

根據(jù)目標(biāo)船型的實(shí)際建造需要，研究項(xiàng)目涵蓋SMAW、FCAW-CO2和SAW等3種焊接工藝，焊接接頭形式包括對(duì)接接頭和角接接頭。FCAW-CO2對(duì)接接頭分別考核最小焊接線能量(橫焊位置，2G)和最大焊接線能量(立焊位置，3G)條件下的焊接接頭性能；SAW對(duì)接接頭考核平焊位置(1G)的焊接接頭性能；角接接頭考核自動(dòng)平角焊位置(Auto 2F)的焊接接頭性能。3種焊接工藝參數(shù)如表3～表5所示。

表3 SMAW焊接工藝參數(shù)

表4 FCAW-CO2對(duì)接及角接焊接工藝參數(shù)

表5 SAW對(duì)接焊接工藝參數(shù)

試板在焊接前，需要將坡口區(qū)域30 mm內(nèi)的油污及鐵銹清理、打磨干凈，12 mm和20 mm厚度的鋼板在焊接前需要去除表面及坡口區(qū)域內(nèi)的水汽，60 mm厚度的鋼板坡口兩側(cè)在焊接前需要預(yù)熱至100 ℃以上溫度。焊條及焊劑在使用前需要在300 ℃下烘干2 h。在焊接時(shí)電流類型均采用直流反接(Direct Current Electrode Positive,DCEP)，F(xiàn)CAW-CO2所用保護(hù)氣體純度>99.5%，氣體流量20～25 L/min，干伸長(zhǎng)15～20 mm。應(yīng)保證在焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性，防止電壓增大或減小導(dǎo)致的焊縫氣孔、飛濺或噴嘴堵塞情況出現(xiàn)。

焊后所有焊接接頭按照J(rèn)ISZ-2343—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行著色探傷并按JISZ-3014—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線探傷，以檢測(cè)焊縫表面和內(nèi)部質(zhì)量。焊接接頭的宏觀金相、硬度及力學(xué)性能測(cè)試均依據(jù)CCS規(guī)范的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面成型

不同焊接方法和焊接接頭形式的典型焊縫外觀形貌如圖2所示。宏觀檢驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫表面成型美觀，焊縫連續(xù)性較好，無(wú)表面氣孔、表面裂紋、未熔合和咬邊等缺陷。

圖2 不同焊接方法和焊接接頭形式的典型焊縫外觀形貌

2.2 無(wú)損探傷

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行著色探傷，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋、未熔合和表面氣孔等缺陷。射線檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫內(nèi)部無(wú)夾渣、裂紋和未熔合等缺陷，部分試樣存在少量氣孔，尺寸在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

2.3 宏觀金相組織觀察

圖3～圖5分別展示SMAW、FCAW-CO2、SAW等3種焊接工藝不同焊接位置及板厚的焊縫截面宏觀形貌。所有焊縫及熱影響區(qū)均未出現(xiàn)氣孔、裂紋和未熔合等缺陷，焊縫與母材熔合較好。

圖3 SMAW焊縫橫截面宏觀形貌

圖4 FCAW-CO2焊縫橫截面宏觀形貌

圖5 SAW焊縫橫截面宏觀形貌

2.4 力學(xué)性能

焊接接頭HV10硬度測(cè)試位置如圖6所示，分別測(cè)試焊接接頭母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的平均硬度及硬度分布。測(cè)試結(jié)果顯示：在SMAW焊接接頭中，母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度分別為169～188、170～267和191～231，硬度最高部位為熱影響區(qū)；在FCAW-CO2焊接接頭中，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度分別為172～280和182～285，硬度最高部位為熱影響區(qū)；在SAW焊接接頭中，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度分別為162～207和169～209，硬度最高部位為熱影響區(qū)；各焊接接頭區(qū)域硬度均符合CCS規(guī)范不超過(guò)350的要求。

圖6 焊接接頭HV10硬度測(cè)試位置示例

表6～表8分別為FH40低溫高強(qiáng)鋼SMAW、FCAW-CO2和SAW焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示：所有的焊接接頭在拉伸測(cè)試時(shí)均斷裂在母材位置，說(shuō)明3種焊接方法所得的焊縫和熱影響區(qū)強(qiáng)度均高于母材；焊接接頭抗拉強(qiáng)度為542～590 MPa，均符合CCS規(guī)范不低于530 MPa的要求；SMAW焊接接頭最低沖擊功為84 J，F(xiàn)CAW-CO2焊接接頭最低沖擊功為82 J，SAW焊接接頭最低沖擊功為58 J，均符合CCS規(guī)范不低于47 J的要求。側(cè)彎測(cè)試時(shí)試樣無(wú)裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，說(shuō)明焊接接頭具有良好的塑韌性。

表6 SMAW焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表7 FCAW-CO2焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表8 SAW焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)極地船用FH40低溫高強(qiáng)鋼開展焊接工藝試驗(yàn)，全面研究采用SMAW、FCAW-CO2和SAW等3種焊接方法在不同焊接位置和焊接接頭條件下的焊接工藝，分析所得焊接接頭的表面成型、金相組織和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：上述3種焊接工藝性良好，焊接接頭性能符合CCS規(guī)范要求，裕量充足，可滿足極地船用FH40低溫高強(qiáng)鋼的焊接要求，為目標(biāo)船型的實(shí)船建造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。