DH36船用钢板-20℃下CTOD工艺开发及应用

■ 汪彬，袁建松，张剑利，贺龙威，范沥元，蔡新荣

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海洋工程组块和导管架是一种典型的大型焊接结构，由于其工作环境严酷、结构形式复杂、应力集中程度高，加之焊接缺陷及接头组织性能不均匀性的影响，在外载荷的作用下很容易产生脆性破坏。尤其是当板厚增加时，焊接接头的残余应力对结构的影响更加明显。因此一般的标准与项目规格书中均对厚板要求进行焊后热处理，以降低焊接残余应力。

近年来，随着研究的不断深入，越来越多的标准与规格书规定，当在焊态下焊接接头的CTOD性能合格时，可以免去焊后热处理工序。基于此，免除热处理的CTOD焊接工艺在越来越多的工程项目中得到应用，采用CTOD工艺对降低建造成本与工期有非常大的意义。但是，对于渤海的某些平台来说，设计温度达到了-15℃甚至更低，这就对CTOD工艺提出了更高的要求。

1. 概述

渤海某钻井平台项目中对板厚超过50mm的焊接接头要求进行焊后热处理，但同时规定如果焊接接头的CTOD测试能够满足要求，则可以免除焊后热处理。项目主材料为GB 712 DH36，设计温度-18.5℃。

温度是影响材料韧性的最重要的因素，材料在低温下很容易发生脆断。国内外对CTOD焊接工艺均有研究，但对于低温CTOD，尤其是对DH36钢板在-20℃以下的CTOD性能的研究尚不多见，而CTOD性能随着温度的降低越来越低，越来越难达到合格值。DH36的材料能保证韧性的冲击温度只有-20℃，因此在更低的温度下要保证CTOD性能，对工艺提出了更高的要求。

2. 试验

焊接工艺是保证接头性能的重要因素，一般材料在经过焊接的热循环之后性能都会有所下降。要保证整个焊接接头的性能都能满足要求，焊接工艺必需从各方面都严格控制。

本文在国内外的研究基础上，结合项目的特点，对项目中大量使用的80mm的钢板进行了CTOD焊接工艺开发。选用的母材分别来自湖南湘潭钢厂，母材材质为DH36钢板。焊材采用日本神钢的DW—A55L药芯焊丝，采用FCAW—G药芯焊丝气体保护焊工艺，坡口设计为K形双面焊接坡口，背面需要清根处理。焊接完成后，进行无损检测，然后进行常规力学性能测试以及CTOD测试，为保有部分设计余量，CTOD测试的温度为-20℃。

（1）母材及坡口准备 本试验选用的母材来自工程项目，厚度80mm，牌号为GB712 DH36，供货状态为正火。材料的化学成分及力学性能如表1和表2所示。

试板长度为1000mm，宽度500mm。坡口采用K形双面坡口,角度为45°（见图1）。焊接试验分别在2G和3G位置进行，以验证最大热输入和最小热输入对接头CTOD性能的影响。

（2）焊材 焊材采用高强匹配，选用日本神钢生产的药芯焊丝，为低氢材料，焊丝直径1.2mm，焊丝的力学性能如表3所示。

（3）设备与工艺 试验采用FCAW—G 药芯焊丝气体保护焊工艺，保护气体为Ar+CO2混合气。焊接设备为唐山松下生产的型号为YD—500ER的数字IGBT控制MIG/MAG弧焊电源。输出电流为60～500A，输出电压为17～41V。

CTOD试验对焊缝以及热影响区性能要求严格，除材料本身因素外，焊接电流、电弧电压、热输入、最大层间温度和最小预热温度对性能均有影响。通过对母材与焊材的性能分析，结合焊接冶金学的基本原理，及以往焊接工艺的研究经验，选取合适的焊接热输入、优化焊接参数，严格控制预热温度与层间温度，使焊接接头的性能达到最优。具体焊接参数如表4所示。

图1 坡口示意

（4）焊接要点 焊接接头要接受严格的CTOD测试，测试温度在-20℃，条件十分严苛，为保证焊缝接头的性能质量，在焊接过程中除了严格遵守工艺要求以外，还需要注意以下细节要点：①焊接速度较快，每层焊道较薄，凝固速度快，容易产生气孔和夹渣缺陷，在施工中应当加以注意。②控制好焊枪角度，控制焊丝干伸长为15～20mm，采用短弧摆动，最大摆动宽度不超过15mm。③每层焊道的厚度不易超过4mm，每层焊道采用钢丝刷或砂轮机清理干净，对有飞溅、卷边及表面熔合不好的焊道及时用砂轮机打磨消除，以防止影响下一层焊接，引起夹渣缺陷。④当一面焊缝填充6道之后采用碳弧气刨清根，焊接另一面。气刨过程中应避免造成气刨沟槽深浅不平，选用较小一点的电流进行气刨操作，避免刨槽偏离焊缝中心。气刨坡口要适当增大。气刨完成后用砂轮机打磨光亮。⑤两面尽量对称焊接，防止一面填充过多，产生拉应力过大影响焊接质量。⑥焊接盖面时焊接电流电压不易过大，以防止发生咬边。⑦母材预热温度要求至少110℃，最大层间温度200℃。

3. 试验结果与讨论

焊接完成后，对试板进行外观、MT、UT检测，均符合标准要求。然后按照AWS D1.1进行减截面拉伸、侧向弯曲、横向冲击、宏观、硬度等性能测试，按照BS7448 对焊缝和热影响区进行CTOD测试，各项指标测试合格。

（1）常规力学性能试验 按照标准的要求，常规的力学性能试验包括拉伸、弯曲、冲击、宏观硬度。拉伸试验在1000kN微机控制电液伺服万能试验机上进行，加载速率10mm/min。最终断裂在母材位置，强度520MPa，结果合格。

侧弯试验在300kN微机控制电子万能试验机上完成，弯曲完成后的试样如图2所示，无可见的裂纹，结果合格。

图3是宏观形貌，熔合良好，无缺陷，硬度值如表5所示，最大硬度282HV10，符合标准要求。

表3 填充焊丝力学性能

表4 焊接参数

冲击试验结果如表6所示，可以看出在热影响区位置冲击值有所降低，但也都能满足标准规定的最小单值27J，最小平均值36J的要求。

（2）CTOD试验 CTOD试验步骤主要分为机加工试件、开设疲劳裂纹、加载压断，测量计算，有效性判断等5步。首先按照要求从焊完的试板上一共取6件500mm×80mm×80mm的矩形试件，其中3件在热影响区预制疲劳裂纹，另外3件在焊缝的位置预制疲劳裂纹，然后对试件降温，保证温差不超过±2℃。在-20℃的环境下，在万能试验机上将试件进行压断，加载速率在0.5～1mm/min之间，失稳断裂后在显微镜下测量试件的裂纹长度，然后按照标准进行CTOD值的计算以及有效性判定。具体结果如表7所示。 CTOD试件的断口形貌如图4所示。

试验结果表明，试样均为有效试样，在-20℃的试验温度下，CTOD值均＞0.15mm，符合标准的要求。工艺评定合格，证明了焊接接头在-20℃的服役环境下具备良好的断裂韧性，可以免除焊后热处理。

表5 焊缝接头硬度值 （HV10）

表6 冲击试验结果

表7 热影响区和焊缝CTOD值

图2 弯曲试验完成后的试样

图3 宏观形貌

图4 CTOD试件的断口形貌

4. 结语

GB712 DH36的材料，采用药芯气体保护焊工艺，选择合适的工艺参数，其焊接接头可以通过-20℃ 下CTOD试验的测试。

CTOD工艺试验结果表明，CTOD工艺具备更强的适应性，该温度条件下CTOD工艺的成功开发，不仅减少了工程项目中的施工工序，降低了施工人员工作强度，同时节省了大量的费用，缩短了工期，在海洋工程钢结构焊接中必将得到越来越广泛的应用。