海洋工程用F460Z高强钢 大热输入埋弧焊接头性能研究

曾鹏 易杰 周全 罗杨 沈小淳

摘要：采用CHW-S3AB型焊丝匹配CHF102型烧结焊剂，在50 kJ/cm大热输入下进行埋弧自动焊焊接F460Z钢，研究F460Z钢焊接接头力学性能、金相组织和断口形貌。结果表明：当焊接电流为750 A、焊接电压为39 V、焊接速度为33.3 cm/min、预热温度为180 ℃时，可获得最优焊接接头，其抗拉强度为583 MPa，焊缝、熔合线和热影响区-60 ℃冲击吸收能量分别为55 J、62 J和71 J，焊缝组织主要由针状铁素体组成，焊接接头各项指标均满足标准要求，为大热输入埋弧焊在海洋工程领域的应用提供了理论和试验依据。

关键词：海洋工程;大热输入;F460Z;埋弧焊;低温韧性

中图分类号：TG445         文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）01-0083-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.13

0    前言

海洋工程装备主要用于海上油气的钻探及相关配套产品开发，是国家十三五规划的重点布局之一，具有高技术、高投入、高附加值和高风险等特点，对产品的可靠性和安全性要求很高，其所采用的钢种必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等特性[1-3]。

F460Z是南京钢铁有限公司为海洋工程用钢开发和生产的重要产品，该钢种通过微合金化、提高纯净度和控扎控冷技术（TMCP），获得了强度高、低温韧性好等综合性能，在海洋平台建造中得到了大量使用[4]。

由于海洋平台大量使用中厚板钢结构，采用埋弧焊接方法，尤其是大热输入埋弧焊能极大地提高工作效率，降低劳动强度。然而大热输入焊接时，传统低合金高强钢焊缝和热影响区粗晶区低温韧性较差，主要原因是原奥氏体晶粒的严重长大[5-10]。解决途径为添加Ni元素促进针状铁素体的形成，以及利用钢中微量元素Ti、B等形成的夹杂物抑制高温下奥氏体的迅速粗化，促进晶内针状铁素体的形成来分割原奥氏体晶粒[10-15]。

文中采用与F460Z母材匹配的焊丝进行大热输入（50 kJ/cm）埋弧焊接，采取低碳及氧化物冶金技术改善焊缝组织以提高焊缝金属的性能。焊后分析接头组织和力学性能特点，以期为海洋工程用F460Z高强钢大热输入埋弧焊的广泛应用提供理论和试验依据。

1 试验材料与方法

试验所采用的F460Z母材板厚为31.8 mm，化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

试验所采用的焊接材料为CHW-S3AB型焊丝（规格φ4.0 mm）和CHF102型烧结焊剂，焊丝和焊剂的化学成分及熔敷金属性能如表3～表5所示。

焊接试板尺寸为31.8 mm×150 mm×350 mm，接头形式如图1所示。在保证焊接热输入为50 kJ/cm的前提下，适当调整焊接电流、焊接速度和预热温度，焊接试验工艺参数如表6所示。

按中国船级社《材料与焊接规范2017》对焊后的试板进行取样，试验。焊接接头力学性能要求如表7所示。

2 试验结果与分析

2.1 F460Z钢焊接接头力学性能

6种不同焊接工艺条件下焊接接头抗拉强度如图2所示。

由图2可知，在50 kJ/cm热输入下，F460Z钢埋弧焊焊接接头的抗拉强度为580～593 MPa，达到母材的96%以上，且全部断于母材，6种工艺条件下得到的抗拉强度均能满足中国船级社《材料与焊接规范2017》的要求。

隨着预热温度由120 ℃升至180 ℃，相同焊接电流下接头的抗拉强度均有小幅下降。这是因为预热温度的升高使得焊缝高温停留时间长，冷却速度变慢。预热温度相同时，随着焊接电流的增大，焊接接头抗拉强度也呈现出轻微的下降趋势。

不同焊接工艺条件下焊接接头-60 ℃冲击吸收能量如图3所示。

由表5、表6和图3可知：（1）当预热温度相同时，焊接接头各区的冲击吸收能量变化趋势相近，工艺1、2、3预热温度为120 ℃，工艺4、5、6预热温度为180 ℃;（2）焊接接头-60 ℃冲击韧性最薄弱区域为焊缝区，其冲击吸收能量为各区最小值，预热温度为180 ℃时，焊缝区冲击吸收能量为46～55 J，均满足标准要求。当预热温度降至120 ℃，焊缝区冲击吸收能量迅速下降，仅为27～30 J，未达到标准要求;（3）熔合线区域的冲击吸收能量均合格，随着预热温度的升高而增大。熔合线外2 mm区域冲击吸收能量均合格，预热温度为120 ℃条件下的数值远高于180 ℃。熔合线外5 mm区域冲击韧性良好，冲击吸收能量均大于200 J。

综上分析可知，预热温度是影响焊接接头低温韧性的关键因素。随着预热温度从180 ℃降至120 ℃，焊缝与熔合线区域的低温韧性均下降。

这是因为：热输入相同时，预热温度的高低影响冷却时间t8/5，而冷却时间的长短直接影响焊缝金属及过热区的韧性。按照理论公式计算出预热温度为120 ℃和180 ℃时的冷却时间，t8/5分别为38 s和45 s，随着冷却时间的变长，焊缝低温韧性得到了改善，但使得热影响区过热区范围增大，所以在熔合线外2 mm区域的，1、2、3号工艺冲击吸收能量（120 ℃预热温度）远大于4、5、6号工艺（180 ℃预热温度）。这是因为预热温度为120 ℃时，熔合线外2 mm区域已经为性能优良的热影响区正火区，而预热温度为180 ℃时，该区域还处于热影响区过热区。

对F460Z焊接接头取样进行180°侧弯试验，弯曲完成后表面未出现裂纹和其他焊接缺陷，试验结果全部合格。对F460Z焊接接头取样进行硬度试验，焊缝宏观形貌和硬度测试点分布如图4a、4b所示，各区硬度值呈无规则分布，2号接头和5号接头的硬度值分别如图4c、4d所示，均在170～260 HV10之间，满足标准要求，未发现马氏体等淬硬组织。

2.2 F460Z钢焊接接头金相组织

焊缝金属的韧性好坏，主要取决于显微组织。由接头强度和低温韧性数据分析可知，在相同热输入条件下，电流和焊接速度的不同匹配对接头性能影响不明显，而预热温度是影响接头低温韧性的关键因素。文中选取不同预热温度条件下的2号和5号工艺参数焊接接头，通过光学显微镜观察其焊缝金相组织，如图5所示。

可以看出，F460Z焊缝金相组织为白色先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出，并沿柱状晶界分布，少量侧板条铁素体沿先共析铁素体向晶内延伸，晶内为细小致密的针状铁素体组织。影响低温韧性的因素主要有两个：一是组织类型，二是晶粒尺寸。图5a中，先共析铁素体和侧板条铁素体所占比例为30%～40%，其余为针状铁素体。图5b中，先共析铁素体和侧板条铁素体的数量较少，仅为薄薄的一层，晶内针状铁素体数量增多，占80%左右。

为进一步观察和测量焊缝组织形貌和尺寸，利用扫描电镜对组织进行2 000倍放大观察，如图6所示。针状铁素体细小致密，约为3～10 μm，且以大角度晶界散杂分布，取向自由度大，能够较好地抑制裂纹扩展，故针状铁素体的韧性较高。而先共析铁素体和侧板条铁素体对裂纹的抵抗力较低，韧性较差。比较图6a、6b可发现，5号工艺参数下，焊缝中针状铁素体的尺寸更为细小。所以5号焊缝的低温冲击韧性也更优。为进一步探究此现象的产生原因，对图6a、6b中针状铁素体的核心进行EDS光谱测量，结果如图6c、6d所示。在图6c中，主要是Fe和Mn元素，而在图6d中除了Fe和Mn元素外发现少量Ni元素。影响晶粒大小的主要因素为形核率和生长温度，预热温度180 ℃下5号焊缝针状铁素体反而更细小，其原因可能为：此时的冷却速度t8/5更利于焊接材料中的Ni和其他微量元素发挥韧化作用，抑制原奥氏体晶界上先析铁素体的生长，从而促进晶内针状铁素体的形核。因此，在宏观上体现出良好的低温韧性，-60 ℃低温冲击吸收能量为55 J，符合CCS 《材料与焊接规范2017》对焊缝冲击性能的要求。

热影响区粗晶区靠近熔合线，原母材组织完全消失，在热循环作用下重新奥氏体化，容易成为焊接接头中的薄弱区域。2号和5号工艺参数焊接接头热影响区粗晶区的金相组织如图7所示。可以看出，组织均由沿晶界析出的先共析铁素体、晶内针状铁素体，以及少量贝氏体组成。2号接头由于预热温度低，原始奥氏体晶粒略小于5号接头，低温冲击韧性更好。

2.3 F460Z钢焊缝断口形貌

在扫描电镜下观察2号和5号工艺参数下的焊缝冲击试样断口，如图8所示。2号焊缝冲击断口放射区占绝大部分，如图8a、8b所示，为准解理花样，河流短而平。5号焊缝冲击断口如如图8c、8d所示，放射区河流长而起伏，在“ 山峰 ”处有小韧窝，宏观上显示出较好的韧性。

3 结论

（1）在50 kJ/cm大热输入条件下，F460Z埋弧焊接头抗拉强度、弯曲性能、硬度性能均能满足要求。当预热温度为180 ℃时，焊接接头各区-60 ℃冲击吸收能量满足要求，当预热温度为120 ℃时，焊缝区-60 ℃冲击吸收能量不合格，其他各区满足要求。

（2）在50 kJ/cm大热输入条件下，焊缝区组织为白色的先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出，沿柱状晶界分布，少量侧板条铁素体沿先共析铁素体向晶内延伸，晶内为细小致密的针状铁素体组织。

（3）预热温度会影响焊缝的低温韧性，当预热温度为180℃时，晶内针状铁素体所占比例为80%，且尺寸更细小，体现出良好的低温韧性。

（4）50 kJ/cm大热输入埋弧焊工艺方法可应用于海洋工程用F460Z高强钢厚板对接焊中，需要注意的是将预热温度及道间温度控制在180 ℃左右。推荐焊接工艺参数为：焊接电流750 A，焊接电压39 V，焊接速度33.3 cm/min。

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