水下局部干法焊接用焊材的選擇與應用

李志剛， 曹 軍， 許 威， 張良鋒，趙翠華，邵珠晶

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津300072）

水下局部干法焊接用焊材的選擇與應用

李志剛1， 曹 軍1， 許 威1， 張良鋒1，趙翠華1，邵珠晶2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津300072）

為了確定水下局部干法焊接用焊接材料，采用GFL-71Ni、GFL-61、MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5五種藥芯焊絲，使用FCAW焊接方法，多層多道焊接技術，在平焊位置對E36低合金高強度鋼進行水下局部干法模擬焊接試驗，并且對采用不同焊接材料獲得的焊縫進行了工藝評定。評定結果表明，相對于其他4種藥芯焊絲，采用GFL-71Ni焊絲獲得的焊接接頭不僅平焊焊縫成形較好，未發現缺陷，其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率以及彎曲性能均滿足標準要求，且沖擊韌性良好，因而GFL-71Ni焊絲在水下焊接的特殊條件下具有更加優良的焊接工藝性。

焊接材料；水下局部干法焊；焊接工藝性

隨著中國海洋油氣資源開采力度的加大，以及大型船舶、核電站和涉水設施的增多，水下焊接已經被廣泛應用于海洋結構安裝和油氣管道修補中，目前也是海洋工程領域中一種行之有效的作業方法。因此，發展水下焊接技術研究和應用，對于海洋油氣的開發利用具有重要的現實意義。

在水下局部干法焊中，焊接填充材料的工藝性對獲得良好的焊縫成型和質量起到了至關重要的作用，尤其是在當前市場經濟的條件下，焊接材料工藝性往往成為該種產品是否具有競爭力的決定性因素。在工程中，焊材的抗氣孔、抗銹蝕性、抗裂性也是完善焊材質量不可忽視的內容，良好的焊接材料有利于提高熔化速度、改善脫渣性和降低飛濺。因此，為了確定最佳的焊接材料，以便獲得最好的焊接質量，通過模擬局部干法水下焊接試驗，對不同焊材的水下焊接工藝性進行了試驗研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗方案設計

本試驗模擬水下焊接環境，采用不同焊材，使用FCAW焊接方法，多層多道焊接技術，對E36低合金高強度鋼（板厚12.5 mm）進行局部干法水下焊接試驗?？紤]到水下焊接會遇到的各種不利影響，為優化焊接工藝參數，搭建水下焊接模擬裝置，以此降低焊接試驗過程中的危險性及成本。

試驗所用母材是規格為1 000 mm×520 mm×12.5 mm的E36平板試樣，在平板中央開一道鈍邊為2 mm坡口，坡口四周焊上擋板，阻擋水進入坡口周圍，再將試樣放到水槽中沒入水下，水面沒過試樣但低于擋板，這樣待焊的坡口內是沒有水的，水槽中通循環水，用這種方法來模擬局部干法焊接的快冷條件，模擬焊接裝置如圖1所示。

圖1 陸上焊接模擬裝置

1.2 試驗設備和材料

局部干法氣體保護焊接工藝要求焊接電源為直流電源，具有足夠高的空載電壓，并具有根據水深進行次級電纜壓降補償能力。經過多方調研，選定Kemppi公司生產的FastMig Pulse 450型MIG/MAG焊機作為該焊接試驗的配備電源。

低合金高強鋼E36（厚度為12.5 mm），作為一種海洋結構用鋼，被廣泛應用于船舶及海洋結構物的制造，其主要化學成分及常規力學性能見表1和表2。E36鋼主要合金元素Ni不僅可以形成穩定的奧氏體組織，提高鋼的耐蝕性能，而且還可以降低脆性轉變溫度，改善其低溫韌性。

表1 試驗用E36鋼化學成分%

表2 試驗用E36鋼力學性能

考慮到低合金高強鋼E36在焊接過程中易出現冷裂紋及HAZ脆化和軟化的特點，采用CO2氣體保護焊，焊絲根據“等強原則”分別選用藥芯焊絲 GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N和Union Ni2.5，其化學成分及力學性能分別見表3和表4，并根據板厚選取Φ1.2 mm規格。

表3 不同藥芯焊絲的熔敷金屬化學成分

表4 不同藥芯焊絲的熔敷金屬力學性能

2 試驗結果與分析

2.1 目視檢查和射線檢測

如圖2所示，分別對5種藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和 Union Ni2.5的水下焊接接頭進行了外觀檢查和射線檢測，可以看到，平焊焊縫成形較好，未發現氣孔、夾渣等缺陷，符合AWS D3.6：2010 A級要求。

圖2 不同藥芯焊絲的焊縫外觀和X射線底片

2.2 全焊縫拉伸試驗

全焊縫拉伸試驗根據ISO 6892-1：2009進行測試，要求測試焊縫的屈服強度和拉伸強度必須大于母材規定的最小值。表5為藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和Union Ni2.5的全焊縫拉伸試驗結果。由表5可知，試樣的抗拉強度均在510 MPa以上，大于母材抗拉強度，試樣都達到了標準要求。

表5 不同藥芯焊絲的全焊縫拉伸試驗結果

2.3 彎曲試驗

彎曲試驗在20 t電子萬能試驗機上進行，根據AWS D3.6—2010標準，A級焊縫的彎曲試驗壓輥的直徑選為120 mm，彎曲角度180°，試驗所用的5種藥芯焊絲焊接接頭彎曲試驗均合格。圖3所示為GFL-71Ni焊材焊接接頭彎曲后的試樣照片，由圖3可以看出，焊接接頭未出現任何裂紋。

圖3 GFL-71Ni焊材焊接接頭彎曲后的試樣

2.4 硬度試驗

焊接接頭硬度試驗按照AWS D3.6—2010和BS EN ISO 9015-1：2011要求進行，使用自動轉塔數顯維氏硬度計進行試驗，硬度測試點位置如圖4所示。

圖4 對接接頭硬度測試點位置

圖5是上述5種焊絲焊接接頭硬度試驗測得的硬度分布圖。從圖5可以看出，焊接接頭各區域的硬度均在325 HV10以下，符合A級焊縫對硬度的要求。

圖5 不同藥芯焊絲的焊接接頭硬度分布圖

2.5 夏比沖擊試驗

試驗按照AWS D3.6 A級焊縫標準的要求，試樣缺口位置分別開在焊縫中心（WM）和熱影響區（HAZ），試樣缺口軸線垂直焊縫表面，試驗在JTD-300B低溫沖擊試驗機上進行，藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和Union Ni2.5焊接接頭V形缺口沖擊試驗結果見表6。

由表6可以看出，采用GFL-71Ni、GFL-61和MGS-1N焊絲的焊縫和熱影響區都獲得了較高的沖擊韌性，沒有出現韌性嚴重下降的現象，具體表現在沖擊韌性值較高，試驗數據穩定，數據的離散性也很??；而采用MX-100T和Union Ni2.5焊絲的焊縫和熱影響區的沖擊韌性值較小，并不符合AWS D3.6—2010 A級焊縫標準的要求。另一方面，熱影響區的沖擊韌性值比焊縫中心高，這是由于焊接接頭的熱影響區寬度很小，試樣缺口方向上包括焊縫組織、母材及熱影響區細晶區，故其韌性較高。

表6 不同焊絲焊接接頭V形缺口沖擊試驗結果（-20℃）

3 結 論

（1）利用研發的專用機具，采用FCAW焊接方法，使用多層多道焊接技術，在平焊位置試樣背部水冷條件下，對E36低合金高強度鋼（板厚12.5 mm）進行焊接試驗。焊后工藝評定結果表明，采用5種焊絲GFL-71Ni、GFL-61、MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5的焊接接頭目視檢測、射線檢測、彎曲試驗、全焊縫拉伸和維氏硬度試驗結果均滿足相關標準要求，但采用MX-100T和Union Ni2.5焊絲的焊接接頭沖擊韌性并不滿足AWS D3.6 2010中A級焊縫的標準。

（2） 藥芯焊絲 GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5的焊縫成形和抗彎能力均較好。雖然5種不同藥芯焊絲的焊接接頭力學性能指標和硬度試驗都達到了標準要求，但采用GFL-71Ni和MGS-1N焊絲的焊接接頭力學性能指標更好，其中采用GFL-71Ni焊絲的焊接接頭硬度相對較小，分布更加均勻。另外，采用GFL-71Ni、GFL-61和MGS-1N焊絲的焊接接頭沖擊韌性值較高。

（3）綜合目視檢測、射線檢測、全焊縫拉伸、維氏硬度、夏比沖擊以及彎曲試驗的各項指標，相對于其他4種藥芯焊絲來說，采用GFL-71Ni焊絲獲得的焊接接頭不僅平焊焊縫成形較好，未發現缺陷，其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率及斷面收縮率都達到了期望指標，彎曲試驗也滿足標準要求，沖擊韌性好。因而GFL-71Ni焊絲在水下焊接的特殊條件下具有更加優良的焊接工藝性。

[1]程方杰，胡生輝，高文斌，等.水下焊條電弧焊擴散氫含量及焊縫組織特征分析[J].焊接學報，2014（09）:45-48.

[2]續明，陳勇，劉豐，等.水下焊接技術在海洋工程中的應用和發展[C]//中國海洋石油總公司第三屆海洋工程技術年會論文集.北京:中國海洋石油總公司，2013：190-194.

[3]王寶，宋永倫，REHFELDT D.焊接材料工藝性的分析與評價[J].電焊機， 2006，36（11）：11-13.

[4]王國榮，易耀勇，劉世明，等.水下局部干法藥皮焊條焊接的研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），1995（02）:34-40.

[5]程方杰，劉陽，王東坡，等.不同壓力條件下水下局部干法焊接的研究[J].焊接技術，2015（10）:48-51.

[6]張文鉞.國外焊接材料的發展動態及加快國產藥芯焊絲發展的建議[J].材料開發與應用， 2000，15（1）：30-33.

[7]羅洪梅.關于焊接材料工藝性的分析探討[J].中國機械，2015（17）：2-3.

[8]AWS D3.6—2010，水下焊接規范[S].

[9]ISO 6892-1：2009，金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫拉伸試驗[S].

[10]BS EN ISO 9015-1：2011，金屬材料焊縫破壞性試驗硬度試驗 第1部分：電弧焊接頭硬度試驗[S].

Selection and Application of Welding Consumables used for Underwater Local Dry Method Welding

LI Zhigang1,CAO Jun1,XU Wei1,ZHANG Liangfeng1,ZHAO Cuihua1,SHAO Zhujing2
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.School of Material Science and Engineering,Tianjin 300072,China）

In order to confirm the welding material used for underwater local dry method welding,it adopted 5 kinds of flux-cored wire,including GFL-71Ni,GFL-61,MX-100T,MGS-1N and Union Ni2.5,using FCAW and multi-layer multi-pass welding technology to conduct underwater local dry method simulation welding test for E36 low alloyed high strength steel on flat position of welding,and carried out welding procedure qualification for weld seam,the weld seam was obtained through different welding material.The results indicated that relative to the other four kinds of flux-cored wire,the welded joint obtained by GFL-71Ni wire is not only with good weld forming,no defect found,the tensile strength,yield strength,the percentage elongation after fracture,the percentage reduction of area and bending performance all can meet the requirements of the standard,and the impact toughness is good,therefore the GFL-71 welding wire has more excellent welding technology under the special condition of underwater welding.

welding material;underwater local dry method welding;welding procedure of welding consumables

TG442.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.013

李志剛（1965—），男，海洋石油工程股份有限公司總工程師，主要從事海洋石油工程研究及技術工作。

2015-12-02

黃蔚莉