海洋工程用F460Z高強(qiáng)鋼 大熱輸入埋弧焊接頭性能研究

曾鵬 易杰 周全 羅楊 沈小淳

摘要：采用CHW-S3AB型焊絲匹配CHF102型燒結(jié)焊劑，在50 kJ/cm大熱輸入下進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊焊接F460Z鋼，研究F460Z鋼焊接接頭力學(xué)性能、金相組織和斷口形貌。結(jié)果表明：當(dāng)焊接電流為750 A、焊接電壓為39 V、焊接速度為33.3 cm/min、預(yù)熱溫度為180 ℃時(shí)，可獲得最優(yōu)焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度為583 MPa，焊縫、熔合線和熱影響區(qū)-60 ℃沖擊吸收能量分別為55 J、62 J和71 J，焊縫組織主要由針狀鐵素體組成，焊接接頭各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為大熱輸入埋弧焊在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海洋工程;大熱輸入;F460Z;埋弧焊;低溫韌性

中圖分類號(hào)：TG445? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）01-0083-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.13

0? ? 前言

海洋工程裝備主要用于海上油氣的鉆探及相關(guān)配套產(chǎn)品開發(fā)，是國家十三五規(guī)劃的重點(diǎn)布局之一，具有高技術(shù)、高投入、高附加值和高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品的可靠性和安全性要求很高，其所采用的鋼種必須具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等特性[1-3]。

F460Z是南京鋼鐵有限公司為海洋工程用鋼開發(fā)和生產(chǎn)的重要產(chǎn)品，該鋼種通過微合金化、提高純凈度和控扎控冷技術(shù)（TMCP），獲得了強(qiáng)度高、低溫韌性好等綜合性能，在海洋平臺(tái)建造中得到了大量使用[4]。

由于海洋平臺(tái)大量使用中厚板鋼結(jié)構(gòu)，采用埋弧焊接方法，尤其是大熱輸入埋弧焊能極大地提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。然而大熱輸入焊接時(shí)，傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼焊縫和熱影響區(qū)粗晶區(qū)低溫韌性較差，主要原因是原奧氏體晶粒的嚴(yán)重長大[5-10]。解決途徑為添加Ni元素促進(jìn)針狀鐵素體的形成，以及利用鋼中微量元素Ti、B等形成的夾雜物抑制高溫下奧氏體的迅速粗化，促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形成來分割原奧氏體晶粒[10-15]。

文中采用與F460Z母材匹配的焊絲進(jìn)行大熱輸入（50 kJ/cm）埋弧焊接，采取低碳及氧化物冶金技術(shù)改善焊縫組織以提高焊縫金屬的性能。焊后分析接頭組織和力學(xué)性能特點(diǎn)，以期為海洋工程用F460Z高強(qiáng)鋼大熱輸入埋弧焊的廣泛應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所采用的F460Z母材板厚為31.8 mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

試驗(yàn)所采用的焊接材料為CHW-S3AB型焊絲（規(guī)格φ4.0 mm）和CHF102型燒結(jié)焊劑，焊絲和焊劑的化學(xué)成分及熔敷金屬性能如表3～表5所示。

焊接試板尺寸為31.8 mm×150 mm×350 mm，接頭形式如圖1所示。在保證焊接熱輸入為50 kJ/cm的前提下，適當(dāng)調(diào)整焊接電流、焊接速度和預(yù)熱溫度，焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)如表6所示。

按中國船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范2017》對(duì)焊后的試板進(jìn)行取樣，試驗(yàn)。焊接接頭力學(xué)性能要求如表7所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 F460Z鋼焊接接頭力學(xué)性能

6種不同焊接工藝條件下焊接接頭抗拉強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可知，在50 kJ/cm熱輸入下，F(xiàn)460Z鋼埋弧焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為580～593 MPa，達(dá)到母材的96%以上，且全部斷于母材，6種工藝條件下得到的抗拉強(qiáng)度均能滿足中國船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范2017》的要求。

隨著預(yù)熱溫度由120 ℃升至180 ℃，相同焊接電流下接頭的抗拉強(qiáng)度均有小幅下降。這是因?yàn)轭A(yù)熱溫度的升高使得焊縫高溫停留時(shí)間長，冷卻速度變慢。預(yù)熱溫度相同時(shí)，隨著焊接電流的增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢(shì)。

不同焊接工藝條件下焊接接頭-60 ℃沖擊吸收能量如圖3所示。

由表5、表6和圖3可知：（1）當(dāng)預(yù)熱溫度相同時(shí)，焊接接頭各區(qū)的沖擊吸收能量變化趨勢(shì)相近，工藝1、2、3預(yù)熱溫度為120 ℃，工藝4、5、6預(yù)熱溫度為180 ℃;（2）焊接接頭-60 ℃沖擊韌性最薄弱區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)，其沖擊吸收能量為各區(qū)最小值，預(yù)熱溫度為180 ℃時(shí)，焊縫區(qū)沖擊吸收能量為46～55 J，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)預(yù)熱溫度降至120 ℃，焊縫區(qū)沖擊吸收能量迅速下降，僅為27～30 J，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;（3）熔合線區(qū)域的沖擊吸收能量均合格，隨著預(yù)熱溫度的升高而增大。熔合線外2 mm區(qū)域沖擊吸收能量均合格，預(yù)熱溫度為120 ℃條件下的數(shù)值遠(yuǎn)高于180 ℃。熔合線外5 mm區(qū)域沖擊韌性良好，沖擊吸收能量均大于200 J。

綜上分析可知，預(yù)熱溫度是影響焊接接頭低溫韌性的關(guān)鍵因素。隨著預(yù)熱溫度從180 ℃降至120 ℃，焊縫與熔合線區(qū)域的低溫韌性均下降。

這是因?yàn)椋簾彷斎胂嗤瑫r(shí)，預(yù)熱溫度的高低影響冷卻時(shí)間t8/5，而冷卻時(shí)間的長短直接影響焊縫金屬及過熱區(qū)的韌性。按照理論公式計(jì)算出預(yù)熱溫度為120 ℃和180 ℃時(shí)的冷卻時(shí)間，t8/5分別為38 s和45 s，隨著冷卻時(shí)間的變長，焊縫低溫韌性得到了改善，但使得熱影響區(qū)過熱區(qū)范圍增大，所以在熔合線外2 mm區(qū)域的，1、2、3號(hào)工藝沖擊吸收能量（120 ℃預(yù)熱溫度）遠(yuǎn)大于4、5、6號(hào)工藝（180 ℃預(yù)熱溫度）。這是因?yàn)轭A(yù)熱溫度為120 ℃時(shí)，熔合線外2 mm區(qū)域已經(jīng)為性能優(yōu)良的熱影響區(qū)正火區(qū)，而預(yù)熱溫度為180 ℃時(shí)，該區(qū)域還處于熱影響區(qū)過熱區(qū)。

對(duì)F460Z焊接接頭取樣進(jìn)行180°側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲完成后表面未出現(xiàn)裂紋和其他焊接缺陷，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。對(duì)F460Z焊接接頭取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，焊縫宏觀形貌和硬度測試點(diǎn)分布如圖4a、4b所示，各區(qū)硬度值呈無規(guī)則分布，2號(hào)接頭和5號(hào)接頭的硬度值分別如圖4c、4d所示，均在170～260 HV10之間，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)馬氏體等淬硬組織。

2.2 F460Z鋼焊接接頭金相組織

焊縫金屬的韌性好壞，主要取決于顯微組織。由接頭強(qiáng)度和低溫韌性數(shù)據(jù)分析可知，在相同熱輸入條件下，電流和焊接速度的不同匹配對(duì)接頭性能影響不明顯，而預(yù)熱溫度是影響接頭低溫韌性的關(guān)鍵因素。文中選取不同預(yù)熱溫度條件下的2號(hào)和5號(hào)工藝參數(shù)焊接接頭，通過光學(xué)顯微鏡觀察其焊縫金相組織，如圖5所示。

可以看出，F(xiàn)460Z焊縫金相組織為白色先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，并沿柱狀晶界分布，少量側(cè)板條鐵素體沿先共析鐵素體向晶內(nèi)延伸，晶內(nèi)為細(xì)小致密的針狀鐵素體組織。影響低溫韌性的因素主要有兩個(gè)：一是組織類型，二是晶粒尺寸。圖5a中，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體所占比例為30%～40%，其余為針狀鐵素體。圖5b中，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的數(shù)量較少，僅為薄薄的一層，晶內(nèi)針狀鐵素體數(shù)量增多，占80%左右。

為進(jìn)一步觀察和測量焊縫組織形貌和尺寸，利用掃描電鏡對(duì)組織進(jìn)行2 000倍放大觀察，如圖6所示。針狀鐵素體細(xì)小致密，約為3～10 μm，且以大角度晶界散雜分布，取向自由度大，能夠較好地抑制裂紋擴(kuò)展，故針狀鐵素體的韌性較高。而先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體對(duì)裂紋的抵抗力較低，韌性較差。比較圖6a、6b可發(fā)現(xiàn)，5號(hào)工藝參數(shù)下，焊縫中針狀鐵素體的尺寸更為細(xì)小。所以5號(hào)焊縫的低溫沖擊韌性也更優(yōu)。為進(jìn)一步探究此現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，對(duì)圖6a、6b中針狀鐵素體的核心進(jìn)行EDS光譜測量，結(jié)果如圖6c、6d所示。在圖6c中，主要是Fe和Mn元素，而在圖6d中除了Fe和Mn元素外發(fā)現(xiàn)少量Ni元素。影響晶粒大小的主要因素為形核率和生長溫度，預(yù)熱溫度180 ℃下5號(hào)焊縫針狀鐵素體反而更細(xì)小，其原因可能為：此時(shí)的冷卻速度t8/5更利于焊接材料中的Ni和其他微量元素發(fā)揮韌化作用，抑制原奧氏體晶界上先析鐵素體的生長，從而促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形核。因此，在宏觀上體現(xiàn)出良好的低溫韌性，-60 ℃低溫沖擊吸收能量為55 J，符合CCS 《材料與焊接規(guī)范2017》對(duì)焊縫沖擊性能的要求。

熱影響區(qū)粗晶區(qū)靠近熔合線，原母材組織完全消失，在熱循環(huán)作用下重新奧氏體化，容易成為焊接接頭中的薄弱區(qū)域。2號(hào)和5號(hào)工藝參數(shù)焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的金相組織如圖7所示。可以看出，組織均由沿晶界析出的先共析鐵素體、晶內(nèi)針狀鐵素體，以及少量貝氏體組成。2號(hào)接頭由于預(yù)熱溫度低，原始奧氏體晶粒略小于5號(hào)接頭，低溫沖擊韌性更好。

2.3 F460Z鋼焊縫斷口形貌

在掃描電鏡下觀察2號(hào)和5號(hào)工藝參數(shù)下的焊縫沖擊試樣斷口，如圖8所示。2號(hào)焊縫沖擊斷口放射區(qū)占絕大部分，如圖8a、8b所示，為準(zhǔn)解理花樣，河流短而平。5號(hào)焊縫沖擊斷口如如圖8c、8d所示，放射區(qū)河流長而起伏，在“ 山峰 ”處有小韌窩，宏觀上顯示出較好的韌性。

3 結(jié)論

（1）在50 kJ/cm大熱輸入條件下，F(xiàn)460Z埋弧焊接頭抗拉強(qiáng)度、彎曲性能、硬度性能均能滿足要求。當(dāng)預(yù)熱溫度為180 ℃時(shí)，焊接接頭各區(qū)-60 ℃沖擊吸收能量滿足要求，當(dāng)預(yù)熱溫度為120 ℃時(shí)，焊縫區(qū)-60 ℃沖擊吸收能量不合格，其他各區(qū)滿足要求。

（2）在50 kJ/cm大熱輸入條件下，焊縫區(qū)組織為白色的先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，沿柱狀晶界分布，少量側(cè)板條鐵素體沿先共析鐵素體向晶內(nèi)延伸，晶內(nèi)為細(xì)小致密的針狀鐵素體組織。

（3）預(yù)熱溫度會(huì)影響焊縫的低溫韌性，當(dāng)預(yù)熱溫度為180℃時(shí)，晶內(nèi)針狀鐵素體所占比例為80%，且尺寸更細(xì)小，體現(xiàn)出良好的低溫韌性。

（4）50 kJ/cm大熱輸入埋弧焊工藝方法可應(yīng)用于海洋工程用F460Z高強(qiáng)鋼厚板對(duì)接焊中，需要注意的是將預(yù)熱溫度及道間溫度控制在180 ℃左右。推薦焊接工藝參數(shù)為：焊接電流750 A，焊接電壓39 V，焊接速度33.3 cm/min。

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