熱輸入對(duì)水下局部干法焊接質(zhì)量的影響

陳 勇, 曹 軍, 許 威, 李連波, 張良鋒, 王 震

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

0 前 言

隨著我國(guó)海洋事業(yè)的迅速發(fā)展，水下焊接技術(shù)已經(jīng)成為組裝、維修采油平臺(tái)和輸油管線等大型海洋鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且在艦船的應(yīng)急修理及海上救助等工作中也是必要的技術(shù)手段[1]。水下局部干法焊接與眾多其他水下焊接方法相比，有著良好的靈活性和適應(yīng)性且成本較低，同時(shí)還易獲得良好的焊接質(zhì)量[2-3]。目前我國(guó)對(duì)水下局部干法焊接工藝的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。哈爾濱焊接研究所林高揚(yáng)等[2]于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了水下局部排水CO2半自動(dòng)焊接技術(shù)，并已利用該設(shè)備進(jìn)行焊接犧牲陽(yáng)極和補(bǔ)焊。北京石油化工學(xué)院朱加雷等[4]采用氣室式局部干法水下焊接技術(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，探索和優(yōu)化該技術(shù)條件下的焊接工藝，并對(duì)焊接接頭組織和性能進(jìn)行研究。天津大學(xué)程方杰等[5]研究了壓力艙中不同壓力對(duì)水下局部干法焊接電弧和焊縫成形的影響。對(duì)于實(shí)際水環(huán)境下采用局部干法進(jìn)行焊接試驗(yàn)的相關(guān)研究仍然較少。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，由潛水員在試驗(yàn)水池中采用自行研制的固定式排水罩的局部干法藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝對(duì)EH 36鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，主要研究了大、小2種典型的焊接熱輸入(其中大熱輸入對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程修復(fù)中的立焊和平焊位置，小熱輸入對(duì)應(yīng)于仰焊和橫焊位置)對(duì)EH 36鋼對(duì)接接頭組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

采用天津大學(xué)自主研發(fā)的水下局部干法焊接專用設(shè)備，由潛水焊工在5 m×4 m×3 m的試驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接所用設(shè)備如圖1所示。試驗(yàn)所用材料為EH 36鋼所制成的尺寸為Φ608 mm×25.0 mm和Φ608 mm×12.5 mm 2種不同壁厚的管段，在管段上沿周向用瓦奇機(jī)加工出60°的焊接坡口，坡口底部寬度為6～8 mm，鈍邊厚度為6 mm(坡口深度為壁厚減去鈍邊)，坡口長(zhǎng)度為250 mm。

圖1 自主研制的固定式排水罩

選用的焊機(jī)為KEMPPI公司生產(chǎn)的FastMig Pulse 450型MIG/MAG焊接電源，該焊機(jī)空載電壓80 V DC，且具有次級(jí)電纜壓降補(bǔ)償功能。

所用母材為EH 36船用鋼板，化學(xué)成分及主要力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。焊材選用京雷公司生產(chǎn)的GFL-61藥芯焊絲，焊絲直徑Φ1.2 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2所示。

表1 EH 36鋼化學(xué)元素含量和主要力學(xué)性能參數(shù)

表2 藥芯焊絲GFL-61化學(xué)成分含量和主要力學(xué)性能參數(shù)

試驗(yàn)使用藥芯焊絲電弧焊(fluxed-cored arcwelding, FCAW)焊接方法，采用多層多道焊的方式對(duì)EH 36低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行大、小2種焊接熱輸入試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容及焊接工藝參數(shù)如表3所示。其中第1和2組試驗(yàn)在橫焊位置焊接，第3和4組試驗(yàn)在平焊位置焊接。

表3 試驗(yàn)內(nèi)容及焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 目視檢測(cè)和射線檢測(cè)

對(duì)水下焊接接頭進(jìn)行外觀檢查和射線檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷，符合AWS D3.6 M-2010 A級(jí)要求。焊縫外觀如圖2所示。

圖2 焊縫外觀

2.2 不同熱輸入對(duì)焊接接頭硬度的影響

試驗(yàn)按AWS D3.6 M-2010和BS EN ISO 9015-1-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，對(duì)接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 硬度測(cè)試點(diǎn)位置

圖4 焊接接頭硬度分布

A級(jí)焊縫要求測(cè)量的維氏硬度值不允許超過(guò)325HV10。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖4a)～圖4d)中最大硬度值分別為409.0HV10,337.7HV10,335.8HV10和339.5HV10，均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，最大硬度值均出現(xiàn)在熱影響區(qū)。為進(jìn)一步降低硬度和裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)該考慮增加水下預(yù)熱和保溫措施。

可以發(fā)現(xiàn)，在小熱輸入下熱影響區(qū)最高硬度值普遍比在大熱輸入下的要大。這是由于在小熱輸入條件下，冷卻速率加快，熱影響區(qū)中產(chǎn)生更多的淬硬組織導(dǎo)致硬度值上升。

2.3 不同熱輸入對(duì)塑性和韌性的影響

根據(jù)AWS D3.6 M-2010 A級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)(壓輥直徑120 mm，彎曲角度180°)，對(duì)彎曲后的試樣進(jìn)行外觀檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，滿足AWS D3.6 M-2010 對(duì)A級(jí)焊縫的要求。圖5為彎曲后的試樣照片。

圖5 側(cè)彎后的試樣照片

根據(jù)AWS D3.6 M-2010A級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣缺口位置按要求分別開(kāi)在焊縫中心(Welding Metal, WM)和熱影響區(qū)(Heat Affected Zone, HAZ)。試驗(yàn)在JTD-300B低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-20℃。沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。焊縫中心和熱影響區(qū)的沖擊值的最小值大于19 J，平均值大于27 J，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果(-20 ℃) J

進(jìn)一步比較在大、小2種熱輸入下焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功數(shù)值后發(fā)現(xiàn)，在小熱輸入下焊縫區(qū)的沖擊功平均值(壁厚12.5 mm的工件為134 J，壁厚25 mm的工件為94 J)均優(yōu)于在大熱輸入下焊縫區(qū)的結(jié)果(壁厚12.5 mm的工件為71 J，壁厚25 mm的工件為47 J)。這是由于在小熱輸入條件下焊縫冷卻速度較快，焊縫中生成較多的針狀鐵素體，而先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體含量較低。與先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體相比，針狀鐵素體晶粒的大角度晶界可以對(duì)焊接裂紋的擴(kuò)張起到良好的阻礙作用，同時(shí)在大熱輸入條件下高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，焊縫晶粒粗大導(dǎo)致其沖擊韌性降低。

2.4 不同熱輸入對(duì)焊接接頭組織的影響

對(duì)比在不同熱輸入下的金相組織發(fā)現(xiàn)，焊接熱輸入對(duì)焊縫中的奧氏體晶粒尺寸有重要影響。在一般情況下，焊接熱輸入越大，焊后冷卻速度越慢，熔池金屬在高溫下停留的時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒生長(zhǎng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，其尺寸就越大，如圖6所示。

圖6 金相組織圖

對(duì)比圖6a)和圖6b)可知，在小熱輸入條件下焊縫組織含有較多的針狀鐵素體。分析認(rèn)為，隨著焊接熱輸入增加，焊縫金屬冷卻速度減小，奧氏體分解反應(yīng)移向較高的溫度，這有利于先共析鐵素體的析出。同時(shí)，在焊縫金屬連續(xù)冷卻過(guò)程中，熔池中液態(tài)金屬在高溫停留的時(shí)間隨熱輸入的增加而變長(zhǎng)，焊縫金屬中合金元素?zé)龘p加劇，使夾雜物析出量減少，加上焊縫金屬冷卻速度的減小，使得奧氏體分解反應(yīng)移向更高的溫度下進(jìn)行，進(jìn)而不利于針狀鐵素體的析出。

對(duì)比圖6c)和圖6d)可知，在小熱輸入條件下熱影響區(qū)粗晶區(qū)原奧氏體尺寸相對(duì)較小，組織以粒狀貝氏體和上貝氏體為主，還有部分板條馬氏體。隨著熱輸入的增加，在大熱輸入的條件下，粗晶區(qū)原奧氏體晶粒尺寸增加，原奧氏體晶界特征明顯，其中有些板條貫穿整個(gè)晶粒。隨著焊接熱輸入的提高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大，貝氏體組織的含量逐漸增多，貝氏體板條也變得更為粗大。

3 結(jié) 論

(1) 采用自行研制的水下局部干法焊接工藝和設(shè)備，對(duì)EH 36海洋工程用鋼在水池中進(jìn)行焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在大、小2種典型熱輸入情況下，所有試樣除硬度外各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足AWS D3.6 M-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A級(jí)焊縫的要求。

(2) 對(duì)EH 36鋼進(jìn)行水下局部干法焊接，焊縫組織類型為沿奧氏體晶界析出的先共析鐵素體，沿原奧氏體與先共析鐵素體界面一定方向生長(zhǎng)的側(cè)板條鐵素體和原奧氏體晶內(nèi)形核的針狀鐵素體。熱影響區(qū)組織為上貝氏體、粒狀貝氏體和部分馬氏體，最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

(3) 采用水下局部干法對(duì)EH 36鋼進(jìn)行局部干法焊接時(shí)，如采用小熱輸入焊接，焊縫金屬的沖擊韌性比大熱輸入的要高。

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[3] VERMA K, GARG H K. Underwater Welding-Recent Trends and Future Scope[J]. International Journal on Emerging Technologies， 2012, 3(2): 115-120.

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[5] 程方杰，劉陽(yáng)，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(shù)， 2015(10): 48-51.