李 麗 ，陳亞魁 ，吳君明 ，蔡 煥 ，田 浩 ，王紅鴻

（1.南京鋼鐵集團有限公司 研究院，江蘇 南京 210000；2.武漢科技大學，湖北 武漢 430000）

0 前言

隨著我國海洋戰(zhàn)略的實施，以及人類開發(fā)利用深海時代的到來，對高性能海洋平臺用鋼的需求量將不斷增加，海洋平臺用鋼也將成為未來幾年國內鋼鐵企業(yè)重點研發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品[1-3]。海洋平臺服役期一般為20～40年，比普通船舶高約50%，由于海洋平臺處于深水、浪涌、低溫等多重復雜而苛刻的服役環(huán)境，平臺建造所采用的鋼板需要具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好可焊性和可加工性等綜合性能[3-4]。海洋平臺用鋼鐵材料級別從355～690 MPa，最大厚度可達259 mm。EH36及以下級別平臺用鋼基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，占平臺用鋼量的90%，但是大厚度（50 mm以上）鋼板的焊接仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為提高生產(chǎn)效率，大厚度海洋平臺需要大線能量焊接工藝進行建造[1-5]。目前常用的大線能量焊接工藝有氣電立焊、多絲埋弧焊等，許多研究關注可用于大線能量焊接的鋼鐵材料的焊接性，即對焊接熱影響區(qū)組織及力學性能展開了大量研究[6-10]。在工程實踐中，焊接工藝的研究較少。其次，大線能量焊接的焊縫金屬也是焊接接頭中力學性能較為薄弱的部位。厚度為21 mm的船板，采用多絲埋弧焊可一道次完成，已有成熟的焊接工藝。但是對于50 mm及以上的厚板，采用大線能量多絲埋弧焊工藝，目前尚未有相關研究的報道。

本項目對特厚板的焊接工藝展開研究，對在實際大線能量焊接下的焊接接頭的力學性能進行檢測，旨在為實際工程應用提供可靠的工藝參數(shù)及力學性能參考。

1 試驗材料及方法

試驗母材為海洋平臺用鋼E36W，厚度分別為50 mm、80 mm。坡口形式為 X 型，單側角度 22°～30°。采用兩絲、三絲、四絲埋弧焊焊接方法，焊接工藝參數(shù)如表1～表3所示。50mm板厚和80mm板厚雙絲、三絲、四絲埋弧焊焊接接頭分別編號為50-2、50-3、50-4、80-2、80-3、80-4。根據(jù)焊接電流、電弧電壓及焊接速度，兩絲、三絲、四絲埋弧焊的焊接熱輸入分別為95 kJ/cm、119 kJ/cm、182 kJ/cm。焊接材料為日本進口，焊絲Y-DL，直徑4.8 mm和6.4 mm，其化學成分如表4所示，焊劑為NSH-55ER。焊接接頭進行室溫拉伸試驗、-40℃焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬的沖擊韌性試驗，焊接熱影響區(qū)的缺口位置取在熔合線（FL）、FL+2，焊縫金屬缺口位置取在焊縫金屬中心位置。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭拉伸試驗結果

多絲埋弧焊焊接接頭拉伸實驗結果如圖1所示。50mm、80mm厚板經(jīng)過二絲、三絲、四絲埋弧焊接后，焊接接頭的抗拉強度分別為542 MPa、545 MPa、552 MPa、545 MPa、532 MPa、531 MPa，均達到 E36海洋平臺用鋼的強度要求。

2.2 焊接接頭低溫沖擊試驗結果

表1 雙絲埋弧焊的焊接工藝參數(shù)Table 1 Parametersofdouble-wiresubmergedarcwelding

表2 三絲埋弧焊的焊接工藝參數(shù)Table 2 Parameters of three-wire submerged arc welding

表3 四絲埋弧焊的焊接工藝參數(shù)Table 3 Parameters of four-wire submerged arc welding

表4 Y-PL焊絲成分Table 4 Compostion of Y-PL weld wires %

圖1 多絲埋弧焊焊接接頭拉伸試驗結果Fig.1 Tensile test result for welded joint after multi-wire submerged arc welding

多絲埋弧焊焊接接頭-40℃沖擊韌性如圖2所示。50 mm板厚焊接接頭在焊縫金屬（WM）的沖擊值為140～180J；80mm板厚接頭在WM的沖擊值為50～75 J，明顯低于50 mm板厚。50 mm板厚焊接接頭在熔合線（FL）的沖擊值為150～200 J，80-2在FL 的沖擊值為160J，80-3和80-4在FL的沖擊值約為60J；50-2、50-3、80-2、80-3 在熱影響區(qū)（FL+2）的沖擊值均超過了200 J，而50-4、80-4的沖擊值約為80 J。

對比以上沖擊值可知，在相同焊接工藝下，50mm板厚焊接接頭在WM和FL的沖擊值均高于80 mm板厚焊接接頭同位置的沖擊值；其次，50-4、80-4在FL+2的沖擊值最低。

圖2 焊接接頭在-40℃下的沖擊值Fig.2 Impact test result of welded joint at-40℃

焊接接頭50-3、80-3的焊縫金屬組織如圖3所示。50-3焊縫金屬的主要組織是針狀鐵素體（AF）和少量的塊狀鐵素體，柱狀晶形貌不明顯。80-3焊縫金屬的主要組織是針狀鐵素體，有大片狀的先共析鐵素體（GBF）和側板條鐵素體分布在晶界，且柱狀晶形貌明顯。比較二者針狀鐵素體尺寸發(fā)現(xiàn)80-3中針狀鐵素體更為粗大。

各試樣焊縫金屬組織中各組成相比例分析結果如表5所示。由表5可知，造成80-3焊縫金屬沖擊數(shù)值下降的原因可能是先共析鐵素體、側板條鐵素體含量高，針狀鐵素體含量下降；以及針狀鐵素體針葉粗大。

圖3 焊縫金屬的金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of weld metal

表5 焊縫金屬相組成比例Table 5 Phase composition in weld metal

焊接接頭50-3、80-3在熔合線（FL）處的顯微組織如圖4所示。50-3在FL附近的組織晶粒細小，先共析鐵素體含量低。80-3在FL附近的組織類晶粒粗大，大片狀的先共析鐵素體分布在晶界上。由此可見，大量的先共析鐵素體以及晶粒粗大導致了80-3在FL沖擊數(shù)值的下降。

焊接接頭50-2、50-4在焊接熱影響區(qū)（FL+2）的顯微組織如圖5所示。50-2在FL+2處的主要組織是鐵素體和少量的珠光體組織，晶粒細小而且均勻。50-4在FL+2的組織主要是鐵素體和貝氏體、以及少量的珠光體組織，鐵素體晶粒尺寸不均勻。

圖4 FL處的金相照片F(xiàn)ig.4 Microstructure of FL

圖5 FL+2處的金相照片F(xiàn)ig.5 Microstructure of FL+2

對比50-2和50-4接頭在FL+2處組織的差異可知，50-4接頭中FL+2組織中鐵素體晶粒尺寸不均勻可能是造成其沖擊數(shù)值下降的主要原因。

3 結論

（1）E36W海洋工程用鋼多絲埋弧焊焊接接頭的拉伸強度為530～560 MPa；-40℃焊接接頭沖擊韌性高于47 J，沖擊性能優(yōu)良。多絲埋弧焊的焊接接頭的力學性能滿足海洋工程用鋼性能要求。

（2）采用多絲埋弧焊E36W鋼沖擊性能較差的部位在焊縫金屬，50mm板厚焊縫金屬的沖擊值為140～180 J，80 mm板厚焊縫金屬的沖擊值為50～75 J。

（3）在本試驗中，50 mm和80 mm厚板焊接接頭隨著焊接絲數(shù)的增加、線能量增大，接頭組織中先共析鐵素體含量增加、晶粒尺寸增大，從而降低了沖擊韌性；對50mm和80mm厚板采用相同的焊接工藝，80 mm厚板焊接接頭中形成了更多的先共析鐵素體，晶粒尺寸更大，沖擊韌性更低。