大厚度高強度鋼E550焊接性能研究

聶加俊 ， 張振坤， 于 波

(1.蕪湖造船廠有限公司，安徽 蕪湖 241001;2.揚州市新大洋造船有限公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

隨著船舶和海洋結(jié)構(gòu)向大型化、輕量化發(fā)展，高強度、高韌性、易焊接、耐腐蝕船用板材的需求不斷增多[1-3],但在焊接過程中，船用高強度鋼板材容易出現(xiàn)裂紋和韌性較低問題。眾所周知，裂紋及韌性與焊接工藝有直接的關(guān)系，正確的工藝措施可以得到滿足要求的焊接接頭，為此，研究適合的焊接工藝對提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。本文以80 mm厚的高強度鋼E550板材為研究對象，通過預熱溫度、熱循環(huán)、線能量輸出工藝參數(shù)進行比較試驗，結(jié)合接頭力學性能及焊接接頭的金相組織進行分析，確定適合的工藝措施，為接頭質(zhì)量選擇提供保障。

1 試驗材料及方法

試驗鋼板為80 mm厚E550超高強海工鋼，采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)。該鋼板的化學成分及力學性能分別見表1、表2。母材組織為馬氏體回火組織。焊接方法采用船舶企業(yè)常用的氣體保護焊及埋弧自動焊進行工藝試驗。

表1 高強度鋼E550母材化學成分

表2 高強度鋼E550母材力學性能

2 斜Y裂紋敏感試驗

斜Y裂紋敏感性試驗是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗方法，用于考核對接接頭焊接熱影響區(qū)的根部裂紋情況。該試驗參考GB 4675.1—1984《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，采用大西洋CHW-60C氣體保護焊絲焊接拘束焊縫。

焊后48 h滲透著色檢驗表面裂紋，然后通過機械加工檢驗斷面裂紋情況。斷面裂紋取樣位置和檢驗面按照GB 4675.1—1984《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行。試樣經(jīng)過研磨拋光后，通過金相顯微鏡放大100倍檢驗斷面裂紋。檢驗結(jié)果見表3。

表3 斜Y裂紋敏感性試驗結(jié)果

斜Y坡口試驗結(jié)果表明：在室溫20 ℃下，預熱50 ℃，表面裂紋率、斷面裂紋率均為100%；在室溫20 ℃下，預熱提高到100 ℃，表面裂紋率、斷面裂紋率均為0，表明80 mm厚E550海工鋼在室溫20 ℃焊接，需要焊前預熱100 ℃以上便可以避免焊接冷裂紋的出現(xiàn)。

從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對高強度鋼E550預熱可以有效地防止裂紋的產(chǎn)生。因此，預熱溫度可以根據(jù)材料的碳當量和厚度進行選擇，一般認為預熱溫度為100～150 ℃。

3 焊接熱模擬試驗

利用Gleeble2000熱模擬試驗機進行焊接過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)的測定，設(shè)計了13種冷卻速率,熱模擬工藝參數(shù)見表4。熱模擬后通過金相觀察得到熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變與t8/5的關(guān)系。

表4 粗晶區(qū)組織與熱模擬工藝參數(shù)的關(guān)系

對80 mm厚E550海工鋼按照表4的焊接熱循環(huán)進行焊接熱模擬，并結(jié)合不同t8/5的金相組織，可確定粗晶區(qū)隨不同焊接熱循環(huán)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。E550粗晶區(qū)金相組織隨t8/5的變化規(guī)律見圖1。結(jié)合金相結(jié)果及硬度結(jié)果繪制了E550焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,見圖2。

結(jié)果顯示：粗晶區(qū)的組織隨著t8/5時間延長，貝氏體含量不斷提高，硬度不斷降低；從開始的全部馬氏體，到馬氏體和貝氏體占一定比例，而且貝氏體含量越來越高，直到全部是貝氏體。同時，由于高溫停留時間過長，晶粒也逐漸增大，如此接頭性能越來越差?？梢妕8/5對焊縫接頭組織有很大影響。

圖1 粗晶區(qū)組織變化規(guī)律

圖2 粗晶區(qū)變化規(guī)律

4 熱影響區(qū)最高硬度試驗

導致焊接裂紋產(chǎn)生的3個主要因素為淬硬組織、拘束應(yīng)力及氫。按照國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量(Ceq)公式計算，本鋼種的Ceq=0.52%，表明E550的淬硬傾向較明顯。

本試驗分別采用熱影響區(qū)最高硬度試驗對E550鋼板的焊接冷裂紋敏感性進行研究，為制定焊接工藝提供依據(jù)。

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗按照GB 4675.5—1984《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》進行，焊接工藝參數(shù)見表5。焊接過程采用直徑為1.2 mm的CHW-70C氣體保護焊絲，保護氣體為80%氬氣和20%二氧化碳混合氣體。由于該鋼種碳當量高且厚度達到80 mm，因此選擇了預熱50、100 ℃分別進行試驗，試板焊接結(jié)果12 h后加工成硬度試樣。試驗結(jié)果見表6。

表5 最高硬度焊接裂紋試驗焊接工藝參數(shù)

表6 CHW-70C最高硬度試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：隨著預熱溫度提高，硬度值反而下降，驗證了預熱對裂紋的產(chǎn)生有很好的預防作用。

5 焊接熱輸入對接頭組織性能的影響

為確定80 mm的海工高強度鋼E550焊接熱輸入對接頭性能的影響，現(xiàn)采用埋弧自動焊接方法進行焊接試驗，熱輸出分別28、50 kJ/cm；焊后對焊接接頭進行拉伸、冷彎及板厚1/4處、1/2處-40 ℃沖擊試驗，并分析和測量焊接接頭的金相組織和硬度。試板均采用對稱60°坡口，試板焊前預熱100 ℃，層間溫度控制在100～150 ℃。具體焊接工藝參數(shù)見表7。

表7 埋弧焊焊接工藝參數(shù)

焊接接頭力學性能結(jié)果見表8、表9。試驗結(jié)果表明：在2種焊接熱輸入下接頭性能均能滿足標準要求，而且小線能量輸出，各個位置的沖擊值要優(yōu)于大線能量輸出；雖然大線能量板厚1/2處熔合線附近沖擊功滿足要求，但富裕量不大，接近標準，表明高強度鋼E550在焊接熱輸入50 kJ/cm以上進行大線能量焊接，其接頭性能可能難以滿足規(guī)范要求。

表8 焊接接頭的沖擊性能

表9 焊接接頭的拉伸性能

焊接熱輸入50 kJ/cm下板厚1/2處熔合線附近沖擊功較差，對板厚1/2處焊接接頭金相組織進行觀察，見圖3。金相組織表明：焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)粗晶區(qū)為粗大的粒狀貝氏體組織[4]。當熔合線附近最高溫度可達1 400 ℃以上，氮化鈦(TiN)等阻止晶粒長大的第二相物質(zhì)發(fā)生溶解，起不到阻礙熔合線附近晶粒長大的作用，晶粒長大趨明顯，粗晶區(qū)奧氏體晶粒尺寸約為100 μm；粗晶區(qū)中馬氏體和奧氏體在大熱輸入下也發(fā)生粗化，從而導致焊接熱輸入為50 kJ/cm熔合線沖擊功顯著劣化。采用熱輸入為28 kJ/cm 時，有效的低線能量帶來的焊縫及熱影響區(qū)的晶粒粗大現(xiàn)象明顯減小，而且在第二相影響下，起到了細化作用[5]。所以在相同區(qū)域的沖擊值，較低線能量輸出明顯優(yōu)于高線能量輸出。

圖3 50 kJ/cm板厚1/2處焊接接頭金相照片

6 結(jié)語

針對大厚板高強度鋼E550，采用斜Y裂紋敏感性試驗、焊接熱模擬試驗、熱影響區(qū)最高硬度試驗以及焊接工藝優(yōu)化試驗分析了預熱溫度、t8/5、焊接熱輸入等工藝參數(shù)對接頭微觀組織和力學性能的影響。試驗結(jié)果表明：提高預熱溫度并控制焊接熱輸入和t8/5可以得到滿足要求的接頭。