水下局部干法焊接用焊材的選擇與應(yīng)用

李志剛， 曹 軍， 許 威， 張良鋒，趙翠華，邵珠晶

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

水下局部干法焊接用焊材的選擇與應(yīng)用

李志剛1， 曹 軍1， 許 威1， 張良鋒1，趙翠華1，邵珠晶2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

為了確定水下局部干法焊接用焊接材料，采用GFL-71Ni、GFL-61、MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5五種藥芯焊絲，使用FCAW焊接方法，多層多道焊接技術(shù)，在平焊位置對(duì)E36低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行水下局部干法模擬焊接試驗(yàn)，并且對(duì)采用不同焊接材料獲得的焊縫進(jìn)行了工藝評(píng)定。評(píng)定結(jié)果表明，相對(duì)于其他4種藥芯焊絲，采用GFL-71Ni焊絲獲得的焊接接頭不僅平焊焊縫成形較好，未發(fā)現(xiàn)缺陷，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率以及彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且沖擊韌性良好，因而GFL-71Ni焊絲在水下焊接的特殊條件下具有更加優(yōu)良的焊接工藝性。

焊接材料；水下局部干法焊；焊接工藝性

隨著中國海洋油氣資源開采力度的加大，以及大型船舶、核電站和涉水設(shè)施的增多，水下焊接已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)安裝和油氣管道修補(bǔ)中，目前也是海洋工程領(lǐng)域中一種行之有效的作業(yè)方法。因此，發(fā)展水下焊接技術(shù)研究和應(yīng)用，對(duì)于海洋油氣的開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在水下局部干法焊中，焊接填充材料的工藝性對(duì)獲得良好的焊縫成型和質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，尤其是在當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的條件下，焊接材料工藝性往往成為該種產(chǎn)品是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素。在工程中，焊材的抗氣孔、抗銹蝕性、抗裂性也是完善焊材質(zhì)量不可忽視的內(nèi)容，良好的焊接材料有利于提高熔化速度、改善脫渣性和降低飛濺。因此，為了確定最佳的焊接材料，以便獲得最好的焊接質(zhì)量，通過模擬局部干法水下焊接試驗(yàn)，對(duì)不同焊材的水下焊接工藝性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)M水下焊接環(huán)境，采用不同焊材，使用FCAW焊接方法，多層多道焊接技術(shù)，對(duì)E36低合金高強(qiáng)度鋼（板厚12.5 mm）進(jìn)行局部干法水下焊接試驗(yàn)?？紤]到水下焊接會(huì)遇到的各種不利影響，為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，搭建水下焊接模擬裝置，以此降低焊接試驗(yàn)過程中的危險(xiǎn)性及成本。

試驗(yàn)所用母材是規(guī)格為1 000 mm×520 mm×12.5 mm的E36平板試樣，在平板中央開一道鈍邊為2 mm坡口，坡口四周焊上擋板，阻擋水進(jìn)入坡口周圍，再將試樣放到水槽中沒入水下，水面沒過試樣但低于擋板，這樣待焊的坡口內(nèi)是沒有水的，水槽中通循環(huán)水，用這種方法來模擬局部干法焊接的快冷條件，模擬焊接裝置如圖1所示。

圖1 陸上焊接模擬裝置

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和材料

局部干法氣體保護(hù)焊接工藝要求焊接電源為直流電源，具有足夠高的空載電壓，并具有根據(jù)水深進(jìn)行次級(jí)電纜壓降補(bǔ)償能力。經(jīng)過多方調(diào)研，選定Kemppi公司生產(chǎn)的FastMig Pulse 450型MIG/MAG焊機(jī)作為該焊接試驗(yàn)的配備電源。

低合金高強(qiáng)鋼E36（厚度為12.5 mm），作為一種海洋結(jié)構(gòu)用鋼，被廣泛應(yīng)用于船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的制造，其主要化學(xué)成分及常規(guī)力學(xué)性能見表1和表2。E36鋼主要合金元素Ni不僅可以形成穩(wěn)定的奧氏體組織，提高鋼的耐蝕性能，而且還可以降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，改善其低溫韌性。

表1 試驗(yàn)用E36鋼化學(xué)成分%

表2 試驗(yàn)用E36鋼力學(xué)性能

考慮到低合金高強(qiáng)鋼E36在焊接過程中易出現(xiàn)冷裂紋及HAZ脆化和軟化的特點(diǎn)，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲根據(jù)“等強(qiáng)原則”分別選用藥芯焊絲 GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N和Union Ni2.5，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表3和表4，并根據(jù)板厚選取Φ1.2 mm規(guī)格。

表3 不同藥芯焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分

表4 不同藥芯焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 目視檢查和射線檢測(cè)

如圖2所示，分別對(duì)5種藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和 Union Ni2.5的水下焊接接頭進(jìn)行了外觀檢查和射線檢測(cè)，可以看到，平焊焊縫成形較好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，符合AWS D3.6：2010 A級(jí)要求。

圖2 不同藥芯焊絲的焊縫外觀和X射線底片

2.2 全焊縫拉伸試驗(yàn)

全焊縫拉伸試驗(yàn)根據(jù)ISO 6892-1：2009進(jìn)行測(cè)試，要求測(cè)試焊縫的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度必須大于母材規(guī)定的最小值。表5為藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和Union Ni2.5的全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，試樣的抗拉強(qiáng)度均在510 MPa以上，大于母材抗拉強(qiáng)度，試樣都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 不同藥芯焊絲的全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)在20 t電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)AWS D3.6—2010標(biāo)準(zhǔn)，A級(jí)焊縫的彎曲試驗(yàn)壓輥的直徑選為120 mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)所用的5種藥芯焊絲焊接接頭彎曲試驗(yàn)均合格。圖3所示為GFL-71Ni焊材焊接接頭彎曲后的試樣照片，由圖3可以看出，焊接接頭未出現(xiàn)任何裂紋。

圖3 GFL-71Ni焊材焊接接頭彎曲后的試樣

2.4 硬度試驗(yàn)

焊接接頭硬度試驗(yàn)按照AWS D3.6—2010和BS EN ISO 9015-1：2011要求進(jìn)行，使用自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 對(duì)接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置

圖5是上述5種焊絲焊接接頭硬度試驗(yàn)測(cè)得的硬度分布圖。從圖5可以看出，焊接接頭各區(qū)域的硬度均在325 HV10以下，符合A級(jí)焊縫對(duì)硬度的要求。

圖5 不同藥芯焊絲的焊接接頭硬度分布圖

2.5 夏比沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)按照AWS D3.6 A級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)的要求，試樣缺口位置分別開在焊縫中心（WM）和熱影響區(qū)（HAZ），試樣缺口軸線垂直焊縫表面，試驗(yàn)在JTD-300B低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，藥芯焊絲GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、 MGS-1N 和Union Ni2.5焊接接頭V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6可以看出，采用GFL-71Ni、GFL-61和MGS-1N焊絲的焊縫和熱影響區(qū)都獲得了較高的沖擊韌性，沒有出現(xiàn)韌性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在沖擊韌性值較高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的離散性也很小；而采用MX-100T和Union Ni2.5焊絲的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性值較小，并不符合AWS D3.6—2010 A級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)的要求。另一方面，熱影響區(qū)的沖擊韌性值比焊縫中心高，這是由于焊接接頭的熱影響區(qū)寬度很小，試樣缺口方向上包括焊縫組織、母材及熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)，故其韌性較高。

表6 不同焊絲焊接接頭V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果（-20℃）

3 結(jié) 論

（1）利用研發(fā)的專用機(jī)具，采用FCAW焊接方法，使用多層多道焊接技術(shù)，在平焊位置試樣背部水冷條件下，對(duì)E36低合金高強(qiáng)度鋼（板厚12.5 mm）進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊后工藝評(píng)定結(jié)果表明，采用5種焊絲GFL-71Ni、GFL-61、MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5的焊接接頭目視檢測(cè)、射線檢測(cè)、彎曲試驗(yàn)、全焊縫拉伸和維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但采用MX-100T和Union Ni2.5焊絲的焊接接頭沖擊韌性并不滿足AWS D3.6 2010中A級(jí)焊縫的標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 藥芯焊絲 GFL-71Ni、 GFL-61、 MX-100T、MGS-1N和Union Ni2.5的焊縫成形和抗彎能力均較好。雖然5種不同藥芯焊絲的焊接接頭力學(xué)性能指標(biāo)和硬度試驗(yàn)都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，但采用GFL-71Ni和MGS-1N焊絲的焊接接頭力學(xué)性能指標(biāo)更好，其中采用GFL-71Ni焊絲的焊接接頭硬度相對(duì)較小，分布更加均勻。另外，采用GFL-71Ni、GFL-61和MGS-1N焊絲的焊接接頭沖擊韌性值較高。

（3）綜合目視檢測(cè)、射線檢測(cè)、全焊縫拉伸、維氏硬度、夏比沖擊以及彎曲試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)，相對(duì)于其他4種藥芯焊絲來說，采用GFL-71Ni焊絲獲得的焊接接頭不僅平焊焊縫成形較好，未發(fā)現(xiàn)缺陷，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率及斷面收縮率都達(dá)到了期望指標(biāo)，彎曲試驗(yàn)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊韌性好。因而GFL-71Ni焊絲在水下焊接的特殊條件下具有更加優(yōu)良的焊接工藝性。

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[9]ISO 6892-1：2009，金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫拉伸試驗(yàn)[S].

[10]BS EN ISO 9015-1：2011，金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 第1部分：電弧焊接頭硬度試驗(yàn)[S].

Selection and Application of Welding Consumables used for Underwater Local Dry Method Welding

LI Zhigang1,CAO Jun1,XU Wei1,ZHANG Liangfeng1,ZHAO Cuihua1,SHAO Zhujing2
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.School of Material Science and Engineering,Tianjin 300072,China）

In order to confirm the welding material used for underwater local dry method welding,it adopted 5 kinds of flux-cored wire,including GFL-71Ni,GFL-61,MX-100T,MGS-1N and Union Ni2.5,using FCAW and multi-layer multi-pass welding technology to conduct underwater local dry method simulation welding test for E36 low alloyed high strength steel on flat position of welding,and carried out welding procedure qualification for weld seam,the weld seam was obtained through different welding material.The results indicated that relative to the other four kinds of flux-cored wire,the welded joint obtained by GFL-71Ni wire is not only with good weld forming,no defect found,the tensile strength,yield strength,the percentage elongation after fracture,the percentage reduction of area and bending performance all can meet the requirements of the standard,and the impact toughness is good,therefore the GFL-71 welding wire has more excellent welding technology under the special condition of underwater welding.

welding material;underwater local dry method welding;welding procedure of welding consumables

TG442.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.013

李志剛（1965—），男，海洋石油工程股份有限公司總工程師，主要從事海洋石油工程研究及技術(shù)工作。

2015-12-02

黃蔚莉