極地船用FH40低溫高強鋼焊接工藝

夏皓春，賀進巍，鄧勝杰

(江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

隨著全球不可再生資源的過度開采和大規模減少，世界各國逐漸將目光投向具有豐富能源儲備的極地地區，并將極地資源勘探作為本國的戰略目標。據統計，目前全球25%的未開發油氣儲量及約占世界總量9%的煤炭資源[1-2]分布在北極地區。另一方面，北極航線開發對于我國能源供應和海上貿易安全具有重要戰略意義，可使上海以北港口至歐洲西部、北海、波羅的海等港口航程縮短25%～55%，運輸成本大幅降低，具有明顯的經濟效益和戰略意義[3]。

為適應極地-55 ℃超低氣溫條件下船舶運行及破冰工況，船用FH40低溫高強鋼以其優異的強度、韌性和耐低溫性能被選為新一代極地船舶用鋼。目前關于該材料的焊接工藝研究較少。選擇合適的焊接工藝，獲得良好的焊接接頭性能，是FH40低溫高強鋼焊接工藝研究的關鍵。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

船用FH40低溫高強鋼具有良好的韌性和較低的韌脆轉變溫度，在低溫環境(-60 ℃)下具有優異的低溫沖擊韌性，可通過添加Ni、V和Mo等微量合金元素細化晶粒提高其低溫抗開裂能力，添加Cu和Cr等元素提高其抗大氣和海水腐蝕性能。針對目標船型的設計特點，試驗選取12 mm、20 mm和60 mm等3種厚度規格的FH40低溫高強鋼進行焊接工藝研究。鋼板尺寸分別為12 mm×150 mm×700 mm、20 mm×150 mm×700 mm、60 mm×150 mm×700 mm，所選鋼材均通過中國船級社(CCS)認證。

FH40低溫高強鋼化學成分(質量分數)如表1所示。由表1可知：鋼材具有較高的純凈度，有害元素雜質的質量分數較低。

表1 化學成分(質量分數) %

針對碳含量(質量分數)為0.07%～0.22%、抗拉強度為400～1 000 MPa的低合金高強鋼，CCS規范要求其碳當量Ceq≤0.40%[4]。為衡量鋼材的可焊性，可采用冷裂紋敏感系數Pcm[4]代替Ceq，即

(1)

Pcm與國際焊接學會推薦的碳當量CEIIW的關系[5]為

(2)

經計算，Pcm=0.18%，CEIIW=0.39%。這說明FH40低溫高強鋼具有一定的淬硬傾向，在焊接大厚度和大拘束構件時，焊材及焊接方法的選擇應注意考慮板厚、冷速和熱輸入等因素的影響。

FH40低溫高強鋼力學性能如表2所示。由表2可知：3種板厚規格FH40低溫高強鋼的屈強比均<80.0%，說明其具有較好的塑性變形和延緩結構失穩的能力。

表2 力學性能

對FH40低溫高強鋼母材厚度方向隨機各取2個部位制備金相式樣并觀察其組織形貌，如圖1所示。由圖1可知：母材在板厚方向無明顯成分偏析現象，說明母材組織較為均勻。焊材選擇依據FH40低溫高強鋼的母材特性及極地環境溫度等因素綜合考慮：焊條電弧焊(Shielded Metal Arc Welding，SMAW)采用符合AWS A5.5 E8018-C3H4R要求、直徑為3.2 mm的焊條；CO2氣體保護藥芯焊絲電弧焊(CO2Gas Shielded Flux-Cored Arc Welding，FCAW-CO2)選用符合AWS A5.36 E81T1-C1A8-K2-H4要求、直徑為1.2 mm的藥芯焊絲；埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)選用符合AWS A5.23 SFA-5.23:ENi1要求、直徑為4.0 mm的焊絲加F8A8-ENi1-Ni1焊劑。

圖1 不同板厚規格的組織形貌

1.2 焊接工藝

根據目標船型的實際建造需要，研究項目涵蓋SMAW、FCAW-CO2和SAW等3種焊接工藝，焊接接頭形式包括對接接頭和角接接頭。FCAW-CO2對接接頭分別考核最小焊接線能量(橫焊位置，2G)和最大焊接線能量(立焊位置，3G)條件下的焊接接頭性能；SAW對接接頭考核平焊位置(1G)的焊接接頭性能；角接接頭考核自動平角焊位置(Auto 2F)的焊接接頭性能。3種焊接工藝參數如表3～表5所示。

表3 SMAW焊接工藝參數

表4 FCAW-CO2對接及角接焊接工藝參數

表5 SAW對接焊接工藝參數

試板在焊接前，需要將坡口區域30 mm內的油污及鐵銹清理、打磨干凈，12 mm和20 mm厚度的鋼板在焊接前需要去除表面及坡口區域內的水汽，60 mm厚度的鋼板坡口兩側在焊接前需要預熱至100 ℃以上溫度。焊條及焊劑在使用前需要在300 ℃下烘干2 h。在焊接時電流類型均采用直流反接(Direct Current Electrode Positive,DCEP)，FCAW-CO2所用保護氣體純度>99.5%，氣體流量20～25 L/min，干伸長15～20 mm。應保證在焊接過程中弧長的穩定性，防止電壓增大或減小導致的焊縫氣孔、飛濺或噴嘴堵塞情況出現。

焊后所有焊接接頭按照JISZ-2343—2001標準進行著色探傷并按JISZ-3014—2001標準進行射線探傷，以檢測焊縫表面和內部質量。焊接接頭的宏觀金相、硬度及力學性能測試均依據CCS規范的相關規定執行。

2 試驗結果與分析

2.1 表面成型

不同焊接方法和焊接接頭形式的典型焊縫外觀形貌如圖2所示。宏觀檢驗結果顯示，焊縫表面成型美觀，焊縫連續性較好，無表面氣孔、表面裂紋、未熔合和咬邊等缺陷。

圖2 不同焊接方法和焊接接頭形式的典型焊縫外觀形貌

2.2 無損探傷

焊后對焊縫進行著色探傷，未發現表面裂紋、未熔合和表面氣孔等缺陷。射線檢測結果顯示，焊縫內部無夾渣、裂紋和未熔合等缺陷，部分試樣存在少量氣孔，尺寸在標準允許范圍內。

2.3 宏觀金相組織觀察

圖3～圖5分別展示SMAW、FCAW-CO2、SAW等3種焊接工藝不同焊接位置及板厚的焊縫截面宏觀形貌。所有焊縫及熱影響區均未出現氣孔、裂紋和未熔合等缺陷，焊縫與母材熔合較好。

圖3 SMAW焊縫橫截面宏觀形貌

圖4 FCAW-CO2焊縫橫截面宏觀形貌

圖5 SAW焊縫橫截面宏觀形貌

2.4 力學性能

焊接接頭HV10硬度測試位置如圖6所示，分別測試焊接接頭母材、熱影響區、焊縫區域的平均硬度及硬度分布。測試結果顯示：在SMAW焊接接頭中，母材、熱影響區和焊縫區域的硬度分別為169～188、170～267和191～231，硬度最高部位為熱影響區；在FCAW-CO2焊接接頭中，熱影響區和焊縫區域的硬度分別為172～280和182～285，硬度最高部位為熱影響區；在SAW焊接接頭中，熱影響區和焊縫區域的硬度分別為162～207和169～209，硬度最高部位為熱影響區；各焊接接頭區域硬度均符合CCS規范不超過350的要求。

圖6 焊接接頭HV10硬度測試位置示例

表6～表8分別為FH40低溫高強鋼SMAW、FCAW-CO2和SAW焊接接頭力學性能測試結果。力學性能測試結果顯示：所有的焊接接頭在拉伸測試時均斷裂在母材位置，說明3種焊接方法所得的焊縫和熱影響區強度均高于母材；焊接接頭抗拉強度為542～590 MPa，均符合CCS規范不低于530 MPa的要求；SMAW焊接接頭最低沖擊功為84 J，FCAW-CO2焊接接頭最低沖擊功為82 J，SAW焊接接頭最低沖擊功為58 J，均符合CCS規范不低于47 J的要求。側彎測試時試樣無裂紋，符合標準規范，說明焊接接頭具有良好的塑韌性。

表6 SMAW焊接接頭力學性能測試結果

表7 FCAW-CO2焊接接頭力學性能測試結果

表8 SAW焊接接頭力學性能測試結果

3 結 語

針對極地船用FH40低溫高強鋼開展焊接工藝試驗，全面研究采用SMAW、FCAW-CO2和SAW等3種焊接方法在不同焊接位置和焊接接頭條件下的焊接工藝，分析所得焊接接頭的表面成型、金相組織和力學性能。研究結果表明：上述3種焊接工藝性良好，焊接接頭性能符合CCS規范要求，裕量充足，可滿足極地船用FH40低溫高強鋼的焊接要求，為目標船型的實船建造奠定堅實的基礎。