海洋石油平臺用熱軋H型鋼FCAW焊接接頭組織與性能

邢 軍，吳保橋，張 建，夏 勐

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

海洋石油平臺長期受海浪沖擊和各種低溫沖擊載荷的作用，服役環(huán)境惡劣，因而要求其所使用的熱軋H型鋼具有強度高、韌性好的特點[1]、[3]。平臺施工大量采用焊接工藝，因而選擇合適的焊接工藝方法和保證焊接接頭的性能，尤其是低溫韌性，是海洋石油平臺安全可靠服役運行的關(guān)鍵因素[3]。藥芯焊絲氣體保護焊(FCAW)技術(shù)具有焊接飛濺小，保護效果好，焊接效率高，焊縫成型美觀，可進行水下濕法焊接操作等優(yōu)勢，在海洋石油平臺用H型鋼焊接方面受到日益廣泛的關(guān)注。[4]

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的海洋石油平臺用熱軋H型鋼為高韌性SM490YB熱軋H型鋼，其化學成分和力學性能見表1和表2。在SM490YB 熱軋H型鋼翼板上，采用火焰切割方式切割500 mm×250 mm×24 mm作為焊接試板。

表1 SM490YB熱軋H型鋼的熔煉成分(Wt. %)

試驗選擇直角邊和單V坡口試板對焊。根據(jù)EN10225-2009標準要求，坡口角度為40°，鈍邊尺寸2 mm，裝配間隙8 mm。采用FRONIUS TPS4000型數(shù)字脈沖氣體保護焊機，二氧化碳為保護氣體，采用多層多道焊工藝進行焊接。焊接電流170 A-210 A，焊接電壓26.5 V，焊接速度5 mm/s，層間溫度控制在150 ℃-200 ℃。焊材選用ESAB Dual Shield 81HS藥芯焊絲，其化學成分及力學性能見表3和表4。

表2 SM490YB熱軋H型鋼的力學性能

1.2 試驗方法

母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的焊接接頭試樣經(jīng)打磨拋光后，經(jīng)4%的硝酸酒精中腐蝕后，利用Olympus PME3光學顯微鏡和JEOL JSM-6490LV掃描電子顯微鏡觀察顯微組織。

表4 Dual Shield 81HS藥芯焊絲力學性能

按照EN10225-2009標準要求分別制備顯微硬度測試試樣，室溫拉伸試驗試樣和夏比擺錘沖擊試驗試樣。硬度測試在美國 Buehler Wilson VH3100全自動維氏硬度計上進行，載荷10 kg，加載時間15 s。焊接接頭硬度測量4個區(qū)域，分別標記為A、B、C、D，每個區(qū)域測量7點(1、2、3點在熔合線外測，沿熔合線方向分布；2、4、5、6、7點沿遠離熔合線向母材進行測量)，如圖1所示。

圖1 硬度測試位置示意圖

采用Zwick/Roell Z100試驗機進行焊接接頭室溫拉伸試驗。夏比系列沖擊試驗采用V型缺口，試驗溫度為-20 ℃。沖擊試樣垂直于焊縫，分別在熔合線向內(nèi)2 mm(FL-2 mm)、熔合線(FL)、熔合線向外2 mm(FL+2 mm)和熔合線向外5 mm(FL+5 mm)各取3個試樣，每個試樣分為上、下兩部分，以C、R表示。沖擊試驗后采用NANO SEM 430型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

由OM和SEM觀察結(jié)果可知，接頭組織由焊縫至母材，依次可分為焊縫區(qū)、粗晶區(qū)、細晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)四個區(qū)域。采用多層多道焊接工藝，后焊焊道對前一道焊縫有部分重熔和熱處理作用，圖2為焊縫區(qū)和焊縫重熔區(qū)顯微組織，由圖可見，焊縫區(qū)顯微組織主要由針狀鐵素體、先共析鐵素體以及少量的側(cè)板條鐵素體組成。奧氏體晶界完全被先共析鐵素體覆蓋，側(cè)板條鐵素體由奧氏體晶界向晶內(nèi)生長；晶內(nèi)為針狀鐵素體。多層多道焊經(jīng)過重熔后，焊縫區(qū)微觀組織幾乎沒有變化，晶粒相對細小，柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶組織。

圖2 FCAW焊縫區(qū)和焊縫重熔區(qū)的顯微組織

粗晶區(qū)經(jīng)過后焊焊道的熱循環(huán)，其微觀組織相應發(fā)生較大改變。焊縫粗晶區(qū)由未變粗晶區(qū)(UA CGHAZ)，過臨界粗晶區(qū)(SC CGHAZ)和臨界粗晶區(qū)(IC CGHAZ)構(gòu)成，微觀組織如圖3所示。圖3 (a)為未變粗晶區(qū)(UA CGHAZ)的微觀組織，其組織與單焊道焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的微觀組織一樣，為貝氏體和馬氏體的混合組織。原奧氏體晶界內(nèi)相鄰板條束的界面清晰，板條之間存在斷續(xù)的殘余奧氏體薄膜。

圖3(b)為過臨界粗晶區(qū)(SC CGHAZ)的微觀組織，該區(qū)域主要由先共析鐵素體和貝氏體組織構(gòu)成，晶粒存在一定程度上的細化。圖3(c)是臨界粗晶區(qū)(IC CGHAZ)的微觀組織，該區(qū)域主要為鐵素體和珠光體組織，晶粒相對細小。由粗晶區(qū)的微觀組織分析可見，小線能量的多層多道對于改善焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織有益處，有利于提高接頭HAZ的力學性能。但是，在未變粗晶區(qū)，小線能量的焊接工藝導致馬氏體組織生成，使接頭韌性降低。因此需要合理設(shè)計焊接工藝參數(shù)，保證焊接接頭的低溫韌性。

圖3 多層多道焊粗晶區(qū)微觀組織

圖4是焊接接頭細晶區(qū)微觀組織，由圖可見細晶區(qū)組織為鐵素體和珠光體。隨著到熔合區(qū)的距離不斷增加，焊接峰值HAZ溫度逐漸下降，加熱過程中奧氏體晶粒尺寸逐漸減少，冷卻相變后晶粒細小。圖5為不完全重結(jié)晶區(qū)組織，由于母材相變不完全，主要由晶粒尺寸大小不均勻鐵素體和珠光體構(gòu)成。

圖5 焊接接頭不完全重結(jié)晶區(qū)微觀組織

2.2 接頭力學性能

(1)室溫拉伸性能

SM490YB熱軋H型鋼FCAW焊接接頭拉伸實驗結(jié)果表明，F(xiàn)CAW焊接接頭抗拉強度為527.0 MPa，接頭均斷裂在母材上，滿足EN10225-2009標準要求。拉伸過程中出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，可見焊接接頭的焊縫強度高于母材強度，表現(xiàn)為塑性斷裂。

(2)硬度

SM490YB熱軋H型鋼FCAW焊接接頭硬度測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，總體上由熔合線經(jīng)焊接熱影響區(qū)至母材，硬度呈梯度降低，且熱影響區(qū)硬度明顯高于母材。熱影響區(qū)最高硬度為268 HV10，低于325 HV10，滿足EN10225-2009標準要求。熱影響區(qū)內(nèi)未有明顯硬度降低區(qū)域，說明焊接接頭未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由沿熔合線測量的1、2、3點的硬度分布發(fā)現(xiàn)：焊縫上部區(qū)域A、D內(nèi)均為近表面的1點硬度最高，材料內(nèi)部的3硬度最低；而焊縫底部B、C區(qū)位于材料內(nèi)部的1點硬度最低，近表面的3點硬度高，這說明焊縫熱影響區(qū)靠近上、下表面區(qū)域的硬度較材料內(nèi)部的硬度高。

圖6 FCAW接頭硬度分布

(3)接頭沖擊韌性

表5為FCAW焊接接頭不同部位沖擊實驗結(jié)果。有表可知FCAW獲得的焊接接頭-20 ℃沖擊吸收功平均值都大于36 J，具有良好的沖擊韌性。焊縫區(qū)沖擊吸收功最高，焊縫中大量細小的針狀鐵素體提高其低溫沖擊韌性。熔合線外2 mm處焊接熱影響區(qū)的沖擊吸收功低于母材，主要是因為粗晶區(qū)生成馬氏體和貝氏體組織，且未變粗晶區(qū)內(nèi)晶粒粗大導致粗晶區(qū)韌性下降。粗晶區(qū)(FL+2)沖擊韌性高于不完全重結(jié)晶區(qū)(FL+5)，說明在多層多道焊過程中，未變粗晶區(qū)范圍很小，后續(xù)焊道熱處理作用明顯。由表5可見，在不同位置上部試樣沖擊功大于底部試樣沖擊功，主要是多層多道焊積累的熱塑性變形導致的韌性下降。

表5 -20 ℃FCAW接頭沖擊試驗結(jié)果

3 結(jié)語

采用FCAW焊接方法對SM490YB熱軋H型鋼進行焊接，分析了焊接接頭微觀組織及其力學性能，主要結(jié)論如下：

焊縫的顯微組織主要由針狀鐵素體、先共析鐵素體以及少量的側(cè)板條鐵素體組織。多層多道焊時熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織變化較大，未變粗晶區(qū)組織為貝氏體和馬氏體的混合組織，過臨界粗晶區(qū)微觀組織由先共析鐵素體和貝氏體組織構(gòu)成，臨界粗晶區(qū)組織為鐵素體和珠光體組織。細晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)組織多邊形鐵素體和珠光體。

FCAW焊接接頭沒有出現(xiàn)軟化區(qū)。熱影響區(qū)的顯微硬度都高于母材的硬度，最高硬度值為268 HV10。

SM490YB熱軋H型鋼藥芯焊絲氣體保護焊焊接接頭抗拉強度為527.0 MPa，拉伸斷裂位置在母材。焊接工藝滿足EN10225標準要求。

在-20 ℃時，F(xiàn)CAW焊接接頭各位置-20 ℃沖擊功均大于36 J，針狀鐵素體的存在是良好沖擊韌性的保證；接頭不同部位沖擊韌性差別較大，熔合線外5 mm處韌性最低。