海洋平台桩腿EQ51+EQ70异种钢FCAW焊接工艺研究

张涛，梁雅琳，魏丽芹

1.烟台中集来福士海洋工程有限公司 山东烟台 264012

2.天津职业技术师范大学 天津 300072

1 序言

随着海洋资源开发急剧增加，海洋平台作为重要的海工装备，其需求也日益增加。海洋平台要在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等恶劣的海洋环境中服役，对焊接质量要求非常严格[1-3]。为了减轻海洋工程结构的质量，同时又增加结构整体的安全性，因此采用材料的强度级别越来越高，板材厚度也不断增加[4，5]。

EQ51和EQ70超高强钢以其足够的强度、低的韧脆转变温度和一定的伸长率在海工方面获得广泛应用，尤其是在海洋平台的一些重要结构，如桩腿、悬臂梁、升降机构等[3，5，6]。鉴于海洋平台为大型焊接结构设备，焊接部位多，因此焊接性能优劣直接影响到海洋平台的安全和可靠性[7]。大厚板EQ51与EQ70异种钢焊接更容易出现质量问题，为此，制定合理的焊接工艺，确保焊接质量，对于海洋平台服役安全性具有至关重要的作用。因此，本文主要研究了EQ51与EQ70异种钢对接药芯焊丝气体保护焊（FCAW）焊接工艺和力学性能。

2 试验材料及方法

根据海工平台设计要求，母材为65mm厚的EQ51和EQ70超高强钢，焊接材料选用5YQ500 SA H5，焊丝直径为1.2mm。焊接试板坡口为K形，焊接方法为FCAW，保护气体为CO2，焊接试验采用多层多道双面焊接方式，焊接位置为横焊（2G）。

焊接试板的力学试验：分别对焊缝中心、熔合线附近粗晶热影响区（FL+0.4mm）及细晶热影响区（FL+2.0mm）取样进行夏比V型缺口冲击试验，试验温度为－40℃，试样尺寸为55mm×10mm×10mm，每个位置取3个试样进行测试。通过显微维氏硬度计测量了焊接接头的硬度分布，试验载荷为98N，加载时间为15s。弯曲试验采用侧弯试样，弯曲角度180°，测试4个试样。同时，采用5%的硝酸酒精溶液浸蚀焊接接头进行宏观金相检验。

3 焊接工艺要求

（1）母材焊接性分析 母材的化学成分和力学性能分别见表1、表2。根据国际焊接学会（IIW）的碳当量公式，计算母材EQ70和EQ51高强钢板的碳当量分别为0.450%和0.434%，而当CE=0.4%～0.6%时，焊接性稍差，因此母材EQ70和EQ51超高强钢具有一定的冷裂纹敏感性，焊前需适当预热。此外，由于材料强度高，所以焊接热影响区，特别是粗晶区存在韧性下降的倾向[2]。

（2）焊接材料选用 考虑到母材熔合比的影响、抗裂性及低温韧性的要求，选用低氢焊接材料，且焊接材料中还需有一定量的Ni元素，这有利于焊缝金属中形成针状铁素体，保证良好的低温冲击性能和塑性[8]。焊接材料的化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 母材与焊接材料的化学成分（质量分数） （%）

表2 母材与焊接材料的力学性能

（3）预热温度 由于母材厚度大、强度高，所以预热温度要求≥150℃。

（4）层间温度 考虑到焊接热循环的影响，尤其是K形坡口直边热影响区易出现组织粗化现象，层间温度控制在150～185℃。

（5）焊接参数 为保证焊接接头的力学性能，焊接热输入不宜过高或过低，以防止出现组织粗大或者脆性组织，具体FCAW焊接参数见表3。

表3 FCAW焊接参数

（6）坡口形式 采用双面焊接，根据焊接接头形式和尺寸制定合理的焊道排布。坡口形状、尺寸及焊道分布如图1所示。

图1 K形坡口及焊道排布

（7）焊后消氢处理 由于板厚较大，焊丝为药芯焊丝，故为了防止扩散氢导致焊后出现氢致裂纹，焊后需进行消氢处理，即在200℃保温4h。

4 试验结果分析

4.1 硬度试验结果

焊接接头硬度检测结果如图2所示，熔合线附近粗晶热影响区（FL+0.4mm）的硬度值明显高于其他区域，其中EQ70超高强钢一侧粗晶区硬度的平均值（314±21）HV10稍高于EQ51超高强钢一侧粗晶区硬度的平均值（300±11）HV10，焊缝硬度的平均值为（231±15） HV10。EQ51超高强钢一侧细晶热影响区（FL+2mm）和母材的硬度的平均值分别为（246±10）HV10和（227±5）HV10。EQ70超高强钢一侧细晶热影响区和母材硬度的平均值分别为（275±36）HV10和（266±7）HV10。焊接接头各区域的硬度均低于420HV10，满足设计和标准要求。

图2 焊接接头硬度检测结果

4.2 冲击试验结果

焊接接头冲击试验结果见表4。由表4可知，焊缝两侧熔合线附近粗晶热影响区（FL+0.4mm）的冲击吸收能量相对较低，其中EQ51超高强钢一侧熔合线粗晶热影响区的冲击吸收能量最低，平均值为49J。EQ70超高强钢一侧熔合线粗晶热影响区的冲击吸收能量为110J，相对来说，冲击性能良好。两侧细晶热影响区（FL+2.0mm）的冲击性能最好。EQ51和EQ70超高强钢侧的细晶热影响区冲击吸收能量的平均值分别为178J和212J，焊缝冲击吸收能量的平均值为125J。尽管EQ51超高强钢一侧粗晶热影响区的低温冲击吸收能量相对较低，但是在－40℃下的冲击吸收能量均＞27J，因此，焊接接头不同区域的低温冲击吸收能量均满足设计和标准要求(－40℃冲击吸收能量平均值为45J，最小值为32J），冲击试验结果合格。对EQ51+EQ70异种钢冲击试验结果，从坡口形式分析，EQ51超高强钢一侧坡口为直边，在多层多道焊过程中，粗晶区温度较高，高温停留时间长，在冷却过程中极易出现粗大的上贝氏体组织，导致EQ51超高强钢一侧粗晶区冲击性能下降；在EQ70超高强钢一侧，坡口为斜边，缺口位置落在粗晶区的范围有限，低温冲击性能相对较好。因此，在焊接过程中必须严格控制焊接热输入和层间温度，防止坡口直边EQ51超高强钢一侧的粗晶区温度过高、高温停留时间过长而导致出现粗大组织。热影响区（FL+2mm）位置为细晶区，由于晶粒细小，有利于获得良好的强度和韧性，因此EQ51和EQ70超高强钢两侧热影响区（FL+2mm）位置的低温冲击吸收能量均较高。

表4 焊接接头冲击试验结果

4.3 拉伸试验结果

针对EQ51+EQ70异种钢焊接接头，取2个接头拉伸试样，试验结果见表5。从表5可以看出，焊接接头的抗拉强度分别为704MPa、707MPa，断裂位置均在母材EQ51超高强钢一侧，满足标准规定的抗拉强度为610～770MPa要求。从表2母材和焊接材料的抗拉强度数据分析可知，焊缝金属的抗拉强度远高于母材，因此拉伸断裂位置均在母材一侧；同时，母材EQ51超高强钢的抗拉强度低于EQ70超高强钢，最终两组拉伸试样均在EQ51超高强钢一侧断裂。

表5 焊接接头拉伸试验结果

4.4 弯曲试验结果

从EQ51+EQ70异种钢焊接接头取4个侧弯试样，弯曲至180°，焊接接头均未出现裂纹和其他缺陷。试验结果表明，EQ51+EQ70异种钢焊接接头具有良好的抗冷弯性能，满足实际工程应用要求，具体试验结果见表6。

表6 焊接接头弯曲试验结果

4.5 低倍金相及缺陷检查

截取EQ51+EQ70异种钢焊接接头的剖面，经粗磨、精磨、抛光后，用5%的硝酸酒精溶液浸蚀，剖面宏观金相如图3所示。宏观金相结果表明，EQ51+EQ70异种钢焊接接头多层多道焊缝，各个位置成形良好，未见未熔合、夹渣、裂纹及气孔等缺陷，焊接接头熔合良好，试验结果合格。

图3 焊接接头剖面宏观金相

5 结束语

1）通过选用合适的焊接材料，制定合理的FCAW焊接参数，海洋平台桩腿大厚板EQ51+EQ70异种钢焊接接头熔合良好，无裂纹、未熔合等缺陷，焊接接头力学性能测试结果均合格，满足设计标准和工程应用要求。

2）海洋平台桩腿大厚板EQ51+EQ70异种钢K形坡口焊接接头，－40℃低温冲击吸收能量均＞49J，满足设计要求；其中EQ51超高强钢侧（K形坡口直边）粗晶热影响区的低温冲击吸收能量相对较低，主要是由于K形坡口直边侧在多层多道焊过程中，粗晶区温度相对较高、高温停留时间长，因此极易出现粗大的贝氏体组织。

3）对于大厚板EQ51+EQ70异种钢K形坡口焊接接头，K形坡口直边侧为最薄弱环节，在多层多道焊接过程中，应严格控制层间温度和热输入，以防止K形坡口直边侧因出现粗大组织而导致韧性下降。