高强钢超低温焊接工艺研究

季圣国 魏 亮

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

海工领域浮式起重船臂架回转下支撑圆筒体主体结构材料为FH69，是造船行业船级社标准中最高韧性等级690级别高强钢材料，其特点是不仅强度等级高，而且具有-60℃超低温的优良冲击韧性要求。此类材料焊接工艺制定难度大，需要确定合理的焊接材料及焊接工艺，确保达到力学性能要求，获得良好的接头性能。

2 试验材料及方法

该回转下支撑圆筒体结构材料主要为FH69和EH69，其中板厚≥60 mm材料基本为FH69，结构强度及制作要求极高，焊接要求多为全熔透CJP焊缝及≥30 mm超大焊脚角焊缝。针对此种690级别高强钢材料，合理的工艺措施是保证焊接质量和预防高强钢焊接裂纹的关键(见图1)。

图1 回转下支撑圆筒体

2.1 试验母材化学成分和力学性能

根据英国LR制作标准中对于FH69材料的化学成分及力学性能要求[1]，FH69化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 FH69化学成分表/(Wt%)

表2 FH69力学性能表

2.2 焊接性分析

FH69调质钢用作高强钢的焊接结构，在合金成分上已考虑到焊接性的要求，其含碳量限制得较低，要求在0.18%以下。此类钢是通过调质热处理获得强化，焊后在热影响区上除发生脆化外，还会有软化，所以焊接过程中的冷裂纹控制和热影响区脆化和软化是主要问题。

根据国际焊接协会推荐的碳当量计算公式：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5

+(Ni+Cu)/15(%)

由表1可计算得出FH69的碳当量Ceq≈0.608%。

随着碳当量的增加，钢材的焊接性会变差，一般当碳当量小于0.4%时，焊前不需要预热(板厚太大时除外)。当碳当量大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

2.3 试验条件

2.3.1 接头形式

建议：长期不活动将增加肺炎、胰岛素抵抗、肌肉虚弱的风险。鼓励患者术后第1天开始下床活动并完成每日制定的活动目标，如术后第1天下床活动1～2 h，至出院时逐日增加活动量。

焊接工艺评定按照LR规范要求，选用规格为60 mm×260 mm×650 mm的钢板用于焊条电弧焊焊接，选用规格为60 mm×260 mm×1 000 mm的钢板用于埋弧焊焊接。为了实现本项目所有板厚的全覆盖，试验采用T=60 mm的FH69材料试板，采用X型坡口形式焊接，焊接工艺要求见表3。

表3 焊接工艺评定试验细节

2.3.2 焊接方法

根据产品构件的制作工艺和制作状态，尽可能覆盖较多类型焊接方法进行施工，并且考虑到本项目超低温高强钢焊接性能、项目LR焊材认证特殊要求、现场施工等多方面复杂情况，综合考虑可操作性及焊接效率，选用手工焊条电弧焊和埋弧焊焊接方法进行现场焊接制作。

2.3.3 焊接材料

FH69为调质钢，考虑到现场施工情况，在满足技术要求条件下应避免进行焊后消应力热处理，故选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下具有接近母材的力学性能。首先考虑在保证强度基础上，具备-60℃超低温下良好的冲击韧性，并且能够避免冷裂倾向。焊前按照要求进行烘干，并且根据项目要求，必须具备英国LR资质认证，对不同国内外品牌符合认证要求的焊材性能进行试验研究，确定最终选材。

2.3.4 预热温度

FH69的合金元素较多，由于当碳当量大于0.45%时，焊接热影响区的淬硬倾向增大，容易产生冷裂纹，为了防止FH69冷裂，焊前需采取必要的预热措施来保证焊缝性能。预热的主要目的是降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的“自回火”作用来提高抗裂性能，预热温度一般小于200℃，若预热温度过高，会使冷却速度过于缓慢，出现脆性混合组织而脆化[2]。

对于多层多道焊而言，后焊道对前焊道起退火作用，前焊道对后焊道起预热作用。除预热外还需注意控制道间温度不能过高，防止焊缝及周边组织在高温环境下停留时间过长，而导致焊接接头晶粒粗化严重，塑性、韧性指标降低；同时道间温度也不能低于最低预热温度，防止焊缝冷却速度太快形成淬硬组织和影响焊缝内扩散氢的逸出。

2.3.6 焊接电流电压

焊接电流、电压和焊接速度是焊接热输入的影响因素，焊条电弧焊应尽量选用小线能量进行焊接，结合预热与道间温度控制等措施，避免焊缝中产生淬硬组织，减少淬硬倾向。因不同品牌厂家焊剂成分配比不同，埋弧焊需参照厂家推荐最佳焊接参数进行焊材性能试验。

2.3.7 后热

焊接完成后需立刻进行后热处理，以防止延迟裂纹的产生，提高焊缝的综合性能。

3 力学性能分析

本试验采用英国LR船级社规范标准进行力学试验评定，对焊接试样进行拉伸、冲击、弯曲、硬度等力学性能测试。图2为LR力学试验取样图，表4为力学性能合格标准。

图2 LR力学试验取样图

表4 试验合格标准

3.1 冲击试验

经冲击试验，最终确定的工艺参数焊接完成的试板中，通过对试验焊缝表面焊缝中心、熔合线、熔合线+2 mm、根部焊缝中心多个取样位置进行10 mm×10 mm规格-60℃夏比V型冲击试验，最终冲击结果见图3，无试验失败组别，冲击功均达到合格标准，满足冲击性能要求。

图3 冲击试验结果

3.2 拉伸试验

经拉伸试验，最终确定的工艺参数焊接完成的试板中，各个取样位置的横向板状拉伸的拉伸性能结果见图4。其中SMAW拉伸试验断裂位置在母材，SAW拉伸试验断裂位置在焊缝，抗拉强度实测值≥770 MPa，各个拉伸值均达到合格标准，满足拉伸性能要求。

图4 拉伸试验结果

3.3 弯曲试验

弯曲试验中，弯头直径D选择6 t大小弯头，弯曲180°，冷弯后试样上下表面焊缝及热影响区经外观检查合格，无可见缺陷，满足冷弯试验要求。

3.4 宏观及硬度

对焊缝切片进行宏观腐蚀试验，切片试样焊缝金属中相邻各层之间和焊缝金属和母材之间完全融合，焊缝细节符合规定的要求，无咬边、夹渣、裂纹等缺陷，宏观腐蚀试验合格。酸洗后，分别对焊后FH69的焊接接头的母材、热影响区、焊缝等区域进行HV10维氏硬度测试。经检测，手工焊SMAW方法的母材(264～283HV10)、热影响区(283～333HV10)及焊缝中心区域(309～322HV10)，埋弧焊SAW方法的母材(285～309HV10)、热影响区(285～336HV10)及焊缝中心区域(299～315HV10)，硬度结果均满足最大布氏硬度值≤420HV的硬度要求。

4 结语

通过试验多种焊接工艺，分析试验结果可得以下结论：焊接过程需要做好温度控制和各项焊接参数控制，保证焊缝的强度和冲击性能；厚板FH69对接，手工焊焊接热输入为1.0～1.82 KJ/mm，埋弧焊热输入为1.9～2.56 KJ/mm，预热温度150℃，层间温度保持150～200℃。