母材熔合作用对EQ51海工钢焊缝组织及韧性的影响张 熹1,2,3， 张 楠1,3， 刘 宏1,3, 郭占山1,3, 陈延清1,3, 杨建炜1,3, 雍岐龙2 (1. 首钢技术研究院，北京 100043； 2. 钢铁研究总院，北京 100081；3. 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043) 摘 要：文中采用示波冲击，EBSD，SEM研究了母材元素含量、坡口形式、焊接热输入对海洋工程用钢EQ51焊缝组织转变、低温冲击韧性及焊接接头软化程度的影响规律. 结果表明,C,Mn元素含量对焊缝组织类型、取向趋势起关键作用，含量由0.1%，1.5%分别调整为0.06%，1.3%，可保证焊缝组织由板条贝氏体转化为针状铁素体，组织止裂能力显著提高，冲击吸收功大于100 J；适当提高焊接热输入一定程度上可降低淬硬元素对韧性的不利影响；Ni，Mo元素含量对焊缝组织、韧性影响不大，主要决定焊接接头软化程度，Ni，Mo元素总添加量由0.7%下降到0.4%，软化区宽度由1 mm提高到2 mm，焊接接头抗拉强度由789 MPa降低到650 MPa. 关键词：高强钢；海洋工程；焊缝组织；冲击韧性 0 序 言世界范围内油气资源紧缺加剧，油气开发由陆地向海洋转移趋势明显，并逐渐向300英尺以上深海拓展，自升式钻井平台由于具有建造、运营成本相对较低，运行机动灵活等特点，在海洋油气开发中应用广泛. 在自升式平台设计建造过程中为了降低平台的自重，提高钻井平台的有效承载能力，EQ51，EQ56，EQ70等超高强海洋工程用钢焊接后被用于制造平台的悬臂梁、升降机构等关键部位. 为了适应海上恶劣的服役环境，并避免在复杂应力作用下导致平台构件发生低应力脆断，确保海洋平台的服役安全性，对于超高强海工钢，特别是焊接接头提出了非常高的韧性储备[1-6]. 文中针对埋弧自动焊焊接EQ51超高强海工钢I形坡口对接试板时焊缝韧性显著下降，采用SEM，EBSD等分析方法研究了母材元素稀释作用对焊缝金属组织转变及性能的影响规律，为产品优化提供了参考. 1 试验方法试验采用瑞典ESAB生产的直径φ4.0 mm牌号为OK Autrod 12.34埋弧焊丝和OK Flux 10.62焊剂对8种不同成分的试验钢板进行焊接,焊前将焊剂在350 ℃保温1～2 h，为了控制焊接热影响区晶粒尺寸，试验钢中均添加了0.015%Ti.12 mm规格钢板坡口均采用I形，间隙控制在0～1 mm以内，焊接工艺如表1所示. 对焊接后的试板进行示波冲击，拉伸，SEM，EBSD分析，从而确定母材稀释作用对焊缝低温冲击韧性及组织转变的影响规律及母材成分对焊接接头软化程度的影响. 该结果对于保证海洋平台服役安全性有重要的意义. I形坡口示意图如图1所示. 试板、焊缝及焊材熔敷金属的化学成分如表2所示. 表1 焊接工艺参数  焊接道次焊丝直径d/mm焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(mm·min-1)焊接热输入Q/(kJ·cm-1)14．06052961217．224．06503365019．8 2 试验结果及讨论2.1 坡口形式对焊缝组织性能的影响 为确定坡口形式对焊缝冲击韧性、金相组织及物相亚结构的影响规律，对I形、X形坡口焊缝及焊材熔敷金属进行了示波冲击，SEM及EBSD观察.  图1 I形坡口示意图 试验结果表明,(1) X形坡口工艺下焊缝表面处化学成分与焊材熔敷金属成分接近，母材对焊缝成分影响较小；而12 mm规格I形坡口工艺下焊缝成分与母材接近，稀释率可达60%～70%，如表2所示， 由于I形坡口母材稀释作用焊材中的C，Mn，Ni，Cu元素含量升高，Mo元素含量降低；(2) 如图2所示3号试样采用X形坡口，采用表1中650 A,33 V,650 mm/min焊接工艺参数进行填充焊接，由于母材稀释作用低，焊缝组织与熔敷金属一致，为典型的针状铁素体组织，呈相互交织结构，-40 ℃冲击吸收功均值可达144 J，而2号试样采用I形坡口，母材稀释作用大，焊缝中淬透性元素含量提高导致焊缝组织变为板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织，焊缝冲击韧性较熔敷金属显著降低，仅为12 J；(3) 如图3所示，EBSD结果表明由于I形坡口的母材稀释导致C，Mn等元素含量提高，焊缝中MA岛数量增加，而且由粒状向条状不利于韧性方向发展；焊缝晶粒取向多样性减弱，组织粗化，导致冲击载荷作用下(图4)焊缝裂纹扩展功由82 J降低为3 J，显著降低了焊缝的低温冲击性能. 表2 试验钢及焊缝化学成分及焊缝冲击吸收功  试样编号厚度d/mm坡口形式测定位置质量分数w(%)冲击吸收功(-40℃)Akv/JCSiMnNiMoCrCuTiAl1熔敷0．0750．261．340．100．450．100．060．0160．0691，106，106金属212I形钢板0．100．201．530．200．20．070．20．0130．02615，10，15焊缝0．10．211．490．160．210．0740．180．0150．044330X形钢板0．0970．191．520．20．20．060．20．0150．020190，122，119焊缝0．0850．251．370．120．420．11-0．0120．050412I形钢板0．040．211．500．400．32--0．0160．02121，36，33焊缝0．060．241．450．210．35--0．0140．046512I形钢板0．100．351．360．31---0．0180．02217，11，12焊缝0．080．201．350．160．30--0．0130．050612I形钢板0．100．341．500．50---0．0140．0288，10，11焊缝0．090．281．450．230．16--0．0150．041712I形钢板0．060．211．320．500．20--0．0160．020138，122，104焊缝0．070．251．330．260．30--0．0130．040812I形钢板0．060．221．33-0．50--0．0150．022201，204，231焊缝0．070．241．340．0510．47--0．0140．047912I形钢板0．060．251．300．200．20--0．0150．018195，170，129焊缝0．070．251．330．170．30--0．0140．043 2.2 焊接工艺对焊缝组织韧性的影响 降低焊接接头在焊接热循环中的冷却速度有利于焊缝组织由板条贝氏体向粒状贝氏体、针状铁素体转变，起到改善焊缝韧性的作用，将2号试验钢正、反两面焊接热输入分别由17.2 kJ/cm，19.8 kJ/cm提高到最大(继续增大导致焊穿)，即19.5 kJ/cm，21.3 kJ/cm. 焊接热输入提高后焊缝中出现了少量针状铁素体，粒状贝氏体比例也提高，组织状况得到改善，如图5所示，但焊缝-40 ℃冲击吸收功均值仅由13 J提高到28 J，仍不能满足大于等于33 J的要求.  图2 不同坡口焊缝SEM形貌  图3 不同坡口焊缝EBSD形貌  图4 不同坡口焊缝示波冲击结果  图5 不同焊接热输入下焊缝SEM形貌 2.3 化学元素对焊缝组织韧性的影响 为进一步确定母材成分对焊缝组织和韧性的影响规律，对4～9号试样钢进行了冲击试验和SEM观察，SEM形貌如图6所示. 试验结果表明：(1) 根据6号钢焊接试验结果可知仅仅将母材Ni元素含量由2号钢的0.2%提高到0.5%，不能起到改善焊缝冲击韧性的作用，Ni元素提高后均值只有10 J，焊缝组织仍为板条贝氏体，且组织择优取向加强；(2) 4号钢在2号基础上降低C元素含量，适当提高Ni，Mo元素含量，其焊缝冲击韧性略有改善均值为30 J，焊缝中出现少量针状铁素体；(3) 5号钢在2号钢基础上降低Mn元素含量，适当提高Ni元素含量，其焊缝冲击韧性无改善均值为13 J，焊缝仍以板条贝氏体为主但出现少量粒状贝氏体；(4) C，Mn元素对焊缝组织转变影响起主要作用，降低C，Mn元素含量对于焊缝得到有利于韧性的组织有利，只降低其中一种元素含量效果并不明显.  图6 不同化学成分钢板焊缝SEM形貌 根据以上结果，重新设计了7～9号三炉试验钢，此三炉试验钢C，Mn元素含量分别降为0.06%，1.3%，为考查Ni，Mo元素含量的影响，三炉钢分别设计为0.5%Ni-0.2%Mo，0Ni-0.5%Mo，0.2%Ni-0.2%Mo. 力学试验和SEM结果进一步证明母材C，Mn元素含量对焊缝性能、组织起主导作用，Ni，Mo元素在考查范围内的调整对焊缝韧性影响不大，焊缝均为针状铁素体组织. 从成本考虑9号钢合金成本最低且满足焊缝冲击要求，由于合金添加少其焊接接头的软化行为有待进一步评价. 2.4 化学元素对焊接接头强度的影响 对7～9号试验钢焊接接头进行了硬度分布及强度测试，如图7所示，三种成分试验钢热影响区正火区均存在软化现象，结果表明Ni，Mo元素含量，特别是Mo元素含量对焊接热影响区软化区的宽度及硬度值起到关键作用，随着Ni，Mo元素含量降低，软化区宽度增加，硬度最低值下降， Ni，Mo元素合金添加总量由0.4%提高到0.7%可使软化区宽度由2 mm降为1 mm，拉伸试样断裂位置由焊接热影响区转变为母材. 虽然焊接接头均存在软化现象，但焊接接头抗拉强度均>610 MPa，如表3所示，9号试验钢虽然焊后接头强度相对较低，但满足要求且富余量较大，从成本角度该成分设计最佳.  图7 焊接接头硬度结果 表3 焊接接头抗拉强度  试板编号抗拉强度Rm/MPa断裂位置7789母材8713母材9650热影响区标准要求≥610 3 结 论(1) 母材中C，Mn元素对焊缝组织及韧性起关键作用，同时将母材C，Mn元素分别由0.1%，1.5%调整为0.06%，1.3%，可保证焊缝形成针状铁素体组织其-40 ℃冲击吸收功由<33 j提高到="">100 J.
(2) Ni，Mo元素显著影响焊接热影响区软化区域宽度及拉伸试样断裂位置，Ni，Mo添加总量由0.7%下降到0.4%，软化区宽度由1 mm提高到2 mm，焊接接头抗拉强度由789 MPa降低到650 MPa. (3) 适当提高热输入可降低母材淬硬元素溶入对焊缝组织转变的不利影响，促进针状铁素体组织转变. 参考文献： [1] 粟 京, 刘华祥, 马 涛, 等. 海洋平台用钢及其焊接接头的韧性研究[J]. 船海工程, 2010, 39(5): 234-237. Su Jing, Liu Huaxiang, Ma Tao, et al. Research of toughness of steel and welded joint for offshore platform[J]. Ship & Ocean Engineering, 2010, 39(5): 234-237. [2] 杨新岐, 王东坡, 李小巍, 等. 海洋石油平台焊接接头大型CTOD试验[J]. 焊接学报, 2002, 23(4): 48-52. Yang Xinqi, Wang Dongpo, Li Xiaowei, et al. Large-Sized CTOD test for welded joints of offshore petroleum platform[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2002, 23(4): 48-52. [3] Wu Y M, Wang Y Q, Shi Y J. Effects of low temperature on properties of structural steels[J]. Journal of University of Science and Technology, 2004, 11(5): 442. [4] 马 涛, 陈 刚, 王 琦, 等. 海洋平台用EQ70高强钢焊接性研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2011, 28(1): 27-30. Ma Tao, Chen Gang, Wang Qi, et al. Weldability research on EQ70 high-strength steel for platform[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology, 2011, 28(1): 27-30. [5] 左 波, 张玉凤, 霍立兴, 等. 海洋平台大厚度焊接接头断裂韧度[J]. 焊接学报, 2004, 25(6): 66-68. Zuo Bo, Zhang Yufeng, Huo Lixing, et al. Fracture toughness for large welded joints in offshore platform[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2004, 25(6): 66-68. [6] 卢庆华, 陈立功, 倪纯真. 不同焊接条件下接头组织和断裂韧度的对比分析[J]. 焊接学报, 2007, 28(8): 85-88. Lu Qinghua, Chen Ligong, Ni Chunzhen. Microstructure and fracture toughness of joint under different welding conditions[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(8): 85-88. 收稿日期：2016-03-03 中图分类号：TG 401 文献标识码：： A 文章编号：： 0253-360X(2016)12-0125-04 作者简介：张 熹，男，1980年出生，博士，高级工程师. 主要从事钢铁材料焊接技术及焊材开发的科研工作. 发表论文10余篇. Email: zhangxi@shougang.com.cn |
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