國產高強級焊接材料在船舶領域的研究與應用

郭帆

招商局重工（深圳）有限公司 廣東深圳 518000

1 序言

國內海洋工程的重要受力結構經常會用到大量的690級（屈服強度690MPa）超高強鋼材，以往對于此種等級的鋼材，因國產焊接材料質量不夠成熟，我公司基本都使用進口焊接材料對其進行焊接，雖然質量得到了極大保證，但是進口焊接材料在實際應用中存在運輸耗時較長、成本開支較大等弊端。

2020年，我公司起重船項目計劃完工周期為11個月，具有建造周期緊、焊接難度大等特點。該船第一期為雙L形臂架起重機，主要用于橋梁的箱梁吊裝工作。L形臂架作為該船的重要受力結構，設計選用了大量的Q690MD及Q690ME超高強鋼材，該鋼材焊接淬硬傾向大，容易產生焊接冷裂紋，加上應力集中、焊縫中的缺陷、殘余應力以及接頭組織性能不均勻等因素的影響，在臂架工作時極易產生脆性破壞[1]，這是該船焊接的重點及難點。另外，由于新冠疫情的影響，若本項目按照以往工藝采購進口焊接材料，將無法保證焊接材料的如期到達，可能有延遲建造進度的風險，最終影響項目的按時交付。因此，在有限時間內獲得優質焊縫，保時保質完成大量Q690級超高強鋼的焊接工作，直接關系到該項目能否按時完工。

鑒于以上情況，我公司決定優先嘗試國產690級焊接材料。在項目開工之前，根據焊接材料的船級社認證情況、模擬測試力學性能結果等條件，最終，從眾多國產焊接材料廠家中擇優挑選了京群牌的GFR-110K3藥芯焊絲。而且，項目開工后，依據CCS《材料與焊接規范》、GB/T 1591—2018 《低合金高強度結構鋼》等規范對該焊接材料進行了帶有CCS船級社認證并簽字蓋章的焊接工藝評定，此次評定的試驗結果證明，該國產焊接材料完全滿足本項目的各項要求，為后期臂架的現場施工提供了有力支持。

本項目中臂架結構部分涉及到GFR-110K3藥芯焊絲的焊接工藝評定共有4個，其中Q690MD橫焊和立焊位置各一個，Q690ME橫焊和立焊位置各一個。由于Q690MD與Q690ME兩者低溫沖擊溫度的不同，本文將針對沖擊溫度更低、評定難度更大的Q690ME進行分析，主要從焊接要點、工藝過程、試驗結果等方面進行詳細介紹。

2 焊前分析

Q690MD和Q690ME屬于低合金高強度結構鋼，顧名思義有兩個特點：一是低合金，低合金鋼是在碳素鋼的基礎上添加一定量的合金化元素而成，如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、V及Ti等，其合金元素總量一般為1.5%～5%[2]，這些合金元素既強化了鐵素體基體，又能控制晶粒的長大，在保證高強度的同時又能有較好的低溫韌性；二是高強度，因合金元素產生的固溶強化、細化晶粒等效果，其強度會高于碳含量相當的碳素鋼。

從上述內容可看出，690級鋼具有顯明的特殊性，其不僅強度很高（屈服強度≥690MPa，抗拉強度770～940MPa），而且合金元素成分較多，造成焊接性很差，其焊后接頭易出現淬硬組織，使材料力學性能下降。此外，這種淬硬組織在拘束應力及氫的作用下，易導致氫致延遲裂紋，以及焊接熱影響區軟化、韌性下降等問題[3]。

另外，板材越厚，填充量就越大，焊道越多，焊接時很容易造成應力累積，一方面可能導致變形較大，另一方面應力過大也會加劇裂紋的產生。

3 母材

母材Q690M E鋼規格為1000m m×200m m×40mm，供貨狀態為TMCP＋回火，工藝評定覆蓋范圍完全符合現場施工所需。其化學成分和力學性能分別見表1、表2。

表1 Q690ME鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 Q690ME鋼力學性能

4 焊接材料

基于焊接等強匹配原則，焊接材料熔敷金屬的抗拉強度要與母材抗拉強度相近或相等，GFR-110K3藥芯焊絲化學成分及力學性能分別見表3、表4。

表3 藥芯焊絲GFR-110K3化學成分（質量分數） （%）

表4 藥芯焊絲GFR-110K3力學性能

從表4可看出，該焊絲熔敷金屬的強度與沖擊吸收能量完全匹配母材的要求。

由于690級鋼焊接淬硬傾向較大，易產生焊接冷裂紋，而焊接冷裂紋的產生主要與以化學成分為基礎的冶金組織、結構的應力狀態及大小、焊接接頭的氫含量有關，所以焊接時，需要控制焊縫的氫含量，而控制氫含量一般分為兩個途徑：一是防止焊絲受潮；二是控制焊絲自有的氫含量。GFR-110K3焊絲的CCS產品認證等級為5Y69SH5，其中H5代表其氫含量為超低級。

5 工藝流程

（1）坡口形式 母材厚達40mm，因此設計雙面V形坡口（也叫X形坡口）為宜，焊接時正反面交替焊接，可以有效防止變形量過大。

（2）焊前預熱 通過母材的化學成分，計算出碳當量CEV＝0.47%[4]，裂紋敏感指數Pcm＝0.21%。一般來說，在碳當量CEV＞0.41%或Pcm＞0.20%時，要考慮采用焊前預熱措施。適當溫度的預熱能減少焊道與母材金屬的溫度差值，不僅降低了焊接內應力，還可減緩由焊接引起的局部激熱和速冷，增加了焊縫中氫向外擴散的時間。

（3）層間溫度 層間溫度保持在110～200℃。當焊接過程中層間溫度超出200℃時，必須待試板冷卻到合適溫度后再進行焊接。

（4）焊接參數 熱輸入對焊接影響區的抗裂性及韌性也有顯著的影響，因此只有選定合理的焊接參數，才能焊接出優質焊縫，進而降低返修率，不僅節約人力物力成本，還能提高施工效率。施焊時不得間斷焊接，應在保證層間溫度的同時連續施焊完畢。以橫焊位置為例，具體焊接參數見表5。

表5 橫焊焊接參數

（5）焊后消氫 焊后將試板用電加熱片以及保溫棉包好，進行200℃×2h的消氫處理，可以進一步減少擴散氫的殘留，有效地避免氫致延遲裂紋的產生。

6 試驗結果及分析

按照中國船級社標準，消氫處理48h后再對試件進行NDT檢測（100%VT＋100%UT＋100%MT），結果外觀良好，無咬邊、余高超標、未熔合及未焊透等缺陷；焊縫內部無損檢測也合格，無氣孔、裂紋、夾渣及未熔合等焊接缺陷。

對試板進行機械加工，進一步驗證其力學性能，包括拉伸、彎曲、沖擊、宏觀金相和硬度試驗。

（1）拉伸試驗 橫向拉伸試樣尺寸為25mm×40mm，數量2件，試驗結果全部合格（合格標準≥770MPa），見表6。拉伸試樣斷裂位置如圖1所示。

圖1 拉伸試樣斷裂位置

表6 拉伸試驗結果

（2）彎曲試驗 取側彎試樣4 件，尺寸為10mm×40mm×240mm，彎曲直徑60mm，彎曲角度180°，試驗結果無裂紋，全部合格，如圖2所示。

圖2 彎曲試樣

（3）沖擊試驗 縱向沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm標準樣，依據CCS《材料與焊接規范》和GB／T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》，沖擊位置取表面焊縫中心、表面熔合線、表面熔合線＋2mm以及表面熔合線＋5mm，共4組，每組3個試樣，合格標準為平均值≥31J，試驗結果見表7。由表7可知，結果全部合格。

表7 沖擊試驗結果

（4）宏觀試驗 試樣經10%硝酸酒精溶液腐蝕處理后，宏觀試樣截面無氣孔、夾渣、裂紋、未熔合及未熔透等缺陷，證明宏觀試驗結果合格。

（5）硬度試驗 打點位置如圖3所示，硬度試驗結果見表8。合格標準為≤420HV10，因此硬度試驗結果符合要求。

圖3 硬度打點示意

表8 硬度試驗結果 （HV10）

7 結束語

根據此次焊接工藝評定的各項合格結果，現場工人順利完成了本項目L形臂架上大量690級超高強鋼的焊接工作，焊縫質量良好，返修率低，且變形量極小，獲得了船東的高度認可，為項目后期順利完工提供了極大的技術支持。

另外，本項目L形臂架的順利完工，標志著適用于焊接690級鋼材的進口焊接材料已經不再具備壟斷地位，國產GFR-110K3藥芯焊絲以其各項優良的試驗結果證明，不僅易于焊工施焊，而且焊后性能良好，在保證產品質量要求的同時，又具有大幅節約成本、焊接效率高、采購便捷等優點，目前也已經被全球各大船級社所認證。

綜上所述，京群GFR-110K3藥芯焊絲完全可以替代進口焊接材料，應用于海工、船舶及鋼結構等領域。