海洋工程用焊接材料的研究現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢(shì)

邸新杰 巴凌志 利成寧

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)外海洋工程用焊材的研究進(jìn)程和市場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析介紹。主要闡述了海工鋼焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織特性，并從純凈化、合金化、細(xì)晶化和均質(zhì)化四個(gè)方面對(duì)焊縫金屬的韌化機(jī)制進(jìn)行了討論;介紹了特種低相變點(diǎn)焊材的開發(fā)和配套焊后處理方法的發(fā)展;最后指出了海洋工程用焊接材料的未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：海洋工程用焊接材料;韌性;針狀鐵素體;夾雜物

中圖分類號(hào)：TG42? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0092-11

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.10

0 前言

隨著陸上及近海油氣資源的逐漸減少，越來越多的油氣生產(chǎn)國(guó)都將油氣資源勘探領(lǐng)域向更深的水域拓展。目前，我國(guó)對(duì)南海資源的勘探與開發(fā)腳步也逐漸加快。據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)和自然資源部共同發(fā)布的《中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告2019》的數(shù)據(jù)，2018年，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)總量突破8萬億大關(guān)，達(dá)到8.3萬億元，同比增長(zhǎng)6.7%，海洋生產(chǎn)總值占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的9.3%。與此同時(shí)，海洋浮體結(jié)構(gòu)物、海洋油氣資源開發(fā)裝備等海洋工程裝備的需求大大增加，近10年產(chǎn)業(yè)整體年均增長(zhǎng)速度超過28%。

海洋工程裝備大致可分為由海底直接支撐的固定底棲型和間接支撐的浮動(dòng)型兩類[1]。幾種典型的用于油氣勘探開發(fā)的海洋工程裝備如圖1所示，其工作水深和所用鋼材的強(qiáng)度級(jí)別見表1[2]，其中：自升式鉆井平臺(tái)（J-UR）、導(dǎo)管架平臺(tái)（Jacket）、順應(yīng)塔平臺(tái)（CT）均屬于由海底直接支撐的固定底棲型海洋工程裝備;而半潛式平臺(tái)（SSR）、張力腿平臺(tái)（TLP）、浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和卸載系統(tǒng)（FPSO）和單柱式平臺(tái)（Spar）都屬于間接支撐的浮動(dòng)型海洋工程裝備。

隨著海洋工程結(jié)構(gòu)向大型化的方向發(fā)展，海工裝備除了承受自身的質(zhì)量之外，還要承受海浪和潮流的載荷。為了減輕海工裝備的整體質(zhì)量，提高其承載能力，海工用鋼的強(qiáng)度級(jí)別越來越高。此外，海工裝備工作環(huán)境極其惡劣，要求能抵抗嚴(yán)寒、低溫的侵襲，因此海工用鋼除了要求高強(qiáng)度之外，還必須滿足低溫下的斷裂韌性需求。所以，需要高質(zhì)量的配套焊材和合理的合理工藝，以保證滿足海工裝備焊接接頭高強(qiáng)度、高韌性的需要。

1 國(guó)內(nèi)外焊材發(fā)展的近況

1.1 全球鋼材及焊材產(chǎn)量和消耗量

近5年全球粗鋼產(chǎn)量排名前四的國(guó)家如表2所示[3]。可以看出，我國(guó)近年來粗鋼的產(chǎn)出量一直位于全球首位，粗鋼增長(zhǎng)率也一直位于前列。鋼材的使用量可以從側(cè)面反映出焊接耗材的使用量，Zhang等人[3]的研究表明，我國(guó)焊材年消耗量多年處于世界第一的位置，是唯一的年消耗量達(dá)到數(shù)百萬噸級(jí)別的國(guó)家，是日本、北美等地區(qū)焊材年消耗量的近10倍。

各地區(qū)焊接材料的品類占比也存在著顯著差異。我國(guó)的焊材長(zhǎng)期以來一直以手工焊條為主，如今仍占全部焊材的40%以上，而歐洲、日本、北美等地區(qū)的手工焊條比例早在2004年就低于20%[4-5]。這從側(cè)面體現(xiàn)出我國(guó)的焊接自動(dòng)化的程度遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平。但從近10年的發(fā)展上來看，我國(guó)焊接自動(dòng)化進(jìn)程逐漸加快，機(jī)器人和自動(dòng)化裝置應(yīng)用越來越廣，手工焊條占比逐漸下降，而氣保護(hù)實(shí)心焊絲比例逐年增加，已超過40%，并且藥芯焊絲產(chǎn)量也突破了10%。另外我國(guó)焊材年產(chǎn)量基數(shù)大，10%比例的數(shù)量為40～50萬t，已接近全歐洲的焊材年消費(fèi)量，因此國(guó)內(nèi)廣闊的焊材市場(chǎng)為藥芯焊絲、氣保護(hù)焊絲等自動(dòng)化焊材的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 我國(guó)焊材的發(fā)展

2012～2019年我國(guó)焊接材料行業(yè)產(chǎn)量和表觀消費(fèi)量的變化情況如圖2所示。由圖可知，由于行業(yè)去產(chǎn)能、企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和國(guó)家供給側(cè)改革的影響，2012～2016年我國(guó)焊接材料產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，但焊接材料總產(chǎn)量一直維持在400～500 萬t。從表觀消費(fèi)量（產(chǎn)量+進(jìn)口量-出口量）來看，其整體趨勢(shì)和焊材產(chǎn)量變化一致。2016年后出現(xiàn)拐點(diǎn)，消費(fèi)量出現(xiàn)回暖。其主要原因是我國(guó)焊接材料下游市場(chǎng)需求不斷增加，以及焊材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨于合理。

2012～2019年中國(guó)焊接材料進(jìn)出口量和其價(jià)格的變化情況如圖3所示。可以看出，我國(guó)焊接材料的出口量遠(yuǎn)高于進(jìn)口量，約為進(jìn)口量的10倍，每噸焊材的平均進(jìn)口價(jià)格卻長(zhǎng)期在出口價(jià)格的4～5倍。這表明了我國(guó)焊材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不均衡，普通焊材產(chǎn)品存在著產(chǎn)能過剩的問題，而國(guó)產(chǎn)的高端焊材產(chǎn)品又嚴(yán)重缺乏。

1.3 海洋工程用焊材

海洋工程裝備服役環(huán)境極為惡劣。隨著油氣勘探領(lǐng)域向著更深、更冷的環(huán)境進(jìn)發(fā)，對(duì)鋼材強(qiáng)度級(jí)別的要求也越來越高。在韌性方面，除了滿足相關(guān)船級(jí)社的認(rèn)可要求外，還需要具備一些海洋工程的特殊性能，如要求焊接接頭應(yīng)具備防止脆性斷裂的特點(diǎn)，因此裂紋尖端張開位移（CTOD）成為越來越多海洋工程用鋼和焊接接頭斷裂韌性的評(píng)價(jià)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國(guó)海洋工程裝備普通結(jié)構(gòu)的焊接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，例如EH36/DH36等海工鋼均使用國(guó)產(chǎn)焊材[6]。而重要的結(jié)構(gòu)幾乎都被國(guó)外品牌壟斷，如40 kg 級(jí)以上船體結(jié)構(gòu)鋼、自升式平臺(tái)齒條鋼Q690、海工半潛船的E690鋼、LNG船的雙向不銹鋼等。

以690 MPa級(jí)別的自升式平臺(tái)齒條鋼焊接用埋弧焊材為例，目前行業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的國(guó)外產(chǎn)品有：日本神戶制鋼的US-80L/PF-H80AS（該焊材可在-20 ℃下，CTOD>0.25 mm）;伊薩Ok Tubrod15.275/OK 10.62（該焊材的斷裂性能十分優(yōu)越，-40 ℃下焊接接頭的CTOD值約為0.85 mm）;以及林肯公司的LAC-690/888TM和奧林康公司的Fluxocord42/OP121TT（W）等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠家和科研機(jī)構(gòu)也紛紛推出了自己的產(chǎn)品，如天津大學(xué)[6-8]開發(fā)的500～600 MPa的海洋工程用TM13/TMF1105埋弧焊材，在-10 ℃下的CTOD值均超過1.2 mm[7]，TMF105TiB-EH14埋弧焊材在-40 ℃下的CTOD值超過2.0 mm，且穩(wěn)定性好。

2 海洋工程用焊材的研究現(xiàn)狀

2.1 海洋工程焊接接頭的組織特點(diǎn)

海工結(jié)構(gòu)焊接接頭的性能主要取決于焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織構(gòu)成。屈服強(qiáng)度500 MPa以下的焊縫組織主要包含先共析鐵素體（PF）、針狀鐵素體（AF）、側(cè)板鐵素體（FSP）等不同形態(tài)的鐵素體;而屈服強(qiáng)度600 MPa以上的焊縫組織主要有上貝氏體（UB或FB）、下貝氏體（LB或GB）和馬氏體（M）等。

Gourgues等人[9]用電子背散射衍射（EBSD）方法研究了四種低合金高強(qiáng)鋼中AF、UB、LB和M四種組織的形態(tài)差異，發(fā)現(xiàn)AF、UB和原奧氏體有N-W關(guān)系（<110>α//<211>γ），而LB和M和原奧氏體有K-S關(guān)系（<111>α//<110>γ）。Lee SG等人[10]通過對(duì)高強(qiáng)低合金焊縫金屬的研究，提出AF的寬度僅為2～4 μm，晶界取向差角度在50°～60°;UB的晶界取向差角度僅為15°，并且包含一些1°～10°邊界的平行子結(jié)構(gòu);LB尺寸約為25 μm，形狀不規(guī)則并且包含很多子結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

焊縫金屬中除了包含AF、UF等組織的柱狀晶區(qū)之外，還存在再熱區(qū)。Tong等人[11-12]利用Geeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)海洋平臺(tái)用A517Q齒條鋼進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)晶區(qū)組織主要為條狀M，而臨界區(qū)組織為分布在原奧氏體邊界的球形網(wǎng)狀M和包含彌小碳化物的貝氏體。Wang等人[13]采用Geeble-3500對(duì)550 MPa海洋工程焊縫金屬進(jìn)行熱模擬研究（見圖5），發(fā)現(xiàn)主要包含準(zhǔn)多邊形鐵素體（QPF）、塊狀MA組元和AF等組織，且相對(duì)多邊形鐵素體（PF），QPF形成的冷卻速率更快，成形溫度更低，邊界極不規(guī)則。

2.2 海工結(jié)構(gòu)焊接接頭的韌化

考察焊接接頭的韌性主要有夏比沖擊（CVN）和CTOD兩個(gè)指標(biāo)，相較CTOD而言，CVN試驗(yàn)較為簡(jiǎn)便，可減少試驗(yàn)成本。因此，日本W(wǎng)ES標(biāo)準(zhǔn)[14]給出了根據(jù)CVN吸收功估算臨界CTOD值的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中 δc（T）為試驗(yàn)溫度T下的臨界CTOD值;αv、βv均為與屈服強(qiáng)度σY有關(guān)的常量;vE（T+?T）為試驗(yàn)溫度T+?T下的沖擊吸收功;t為試件厚度。

由于試驗(yàn)過程中CTOD試件受三向應(yīng)力，而CVN試件只受兩向應(yīng)力，受力模型完全不同，兩者除了經(jīng)驗(yàn)公式外，只能從試件斷面來判別。兩種試驗(yàn)方法均可分成三種模型，如圖6所示，當(dāng)CVN試件的斷面纖維率低于40%時(shí)，CTOD試件才有更大的可能發(fā)生延性斷裂，獲得較好的斷裂韌性值。

研究表明，提高焊接接頭的韌性可主要從純凈化、合金化、均質(zhì)化和細(xì)晶化四個(gè)方面進(jìn)行調(diào)控。凈化是指焊縫中潔凈度的控制，包括焊縫中氧（O）、氮（N）、硫（S）、磷（P）、氫（H）等雜質(zhì)元素的控制和焊縫中非金屬夾雜物的尺寸、形態(tài)及分布控制。均質(zhì)化是指控制焊縫中元素的偏析以利于各種析出相的均勻分布。合金化是指焊縫中合金成分的精準(zhǔn)控制，如有些微量元素只能在很窄的窗口內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。細(xì)晶化是指焊縫中組織晶粒尺寸細(xì)小，裂紋擴(kuò)展時(shí)其擴(kuò)展路徑被晶界阻礙，發(fā)生偏轉(zhuǎn)或停止，增加韌性[15]。其中，均質(zhì)化和細(xì)晶化是海工鋼焊材成分調(diào)控的目的，而純凈化和合金化是焊材開發(fā)的手段。

2.2.1 焊縫金屬的純凈化

純凈化是獲得優(yōu)良性能焊縫金屬的前提。在潔凈鋼的要求中，一般S和P的含量要分別低于0.003%和0.009%，而焊縫中S、P含量要求分別為0.008%～0.014%和0.012%～0.014%。S的危害主要是在焊接液態(tài)金屬凝固時(shí)發(fā)生偏析，易形成片狀或鏈狀的低熔點(diǎn)共晶（FeS+Fe/FeO），分布在晶界處，增加熱裂紋傾向的同時(shí)降低沖擊韌性。P的危害和S類似，也是在晶界上易形成低熔點(diǎn)共晶（Fe3P+Fe），促使結(jié)晶裂紋形成，升高脆性轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）?？刂坪缚p金屬中S、P含量主要途徑有嚴(yán)格控制焊材中的S、P含量，添加與S、P親和力大的金屬元素，如Ca、Mg等。

焊縫金屬中的N元素也是有害雜質(zhì)，應(yīng)盡量減少其含量。N元素主要來源于焊接過程中空氣與焊接金屬的作用，因此氮含量主要取決于焊接的保護(hù)效果，不同焊接方法的焊縫含氮量不同。實(shí)心焊絲、藥芯焊絲、焊條、埋弧焊材的焊接保護(hù)程度依次升高，焊縫的含氮量范圍分別為：<0.12%、0.015%～0.04%、0.010%～0.02%、0.002%～0.007%。由于海洋工程裝備對(duì)韌性的要求較高，而氫的存在易導(dǎo)致冷裂紋，損害焊接接頭的塑性。因此焊縫中氫含量的控制極為重要，超低氫是各大焊材企業(yè)追求的目標(biāo)。例如美國(guó)林肯公司研制的SPX80焊劑吸潮率極低，焊縫中的擴(kuò)散氫可控制在3 mL/100 g以內(nèi);日本神鋼采用的碳酸鹽降氫技術(shù)，可使擴(kuò)散氫含量在2 mL/100 g以內(nèi)。

研究表明，焊縫中的氧含量過高會(huì)使韌性惡化，尤其是在600 MPa以上的焊縫，氧化物并不會(huì)成為AF形核質(zhì)點(diǎn)，反而會(huì)成為裂紋起點(diǎn)。但是氧含量也并非越低越好，過低的氧含量會(huì)促使UB生成，使焊縫韌性下降。含氧量與沖擊吸收功的關(guān)系如圖7所示。對(duì)于不同合金系的焊縫金屬，其沖擊吸收功隨氧含量的增加均呈拋物線趨勢(shì)變化，但它們的最佳沖擊吸收功對(duì)應(yīng)的氧含量不同。在Mn-Si合金系中，氧含量在0.05%時(shí)達(dá)到最佳韌性，氧含量繼續(xù)降低，沖擊吸收功變化不明顯;在Mn-Si-Ti合金系中，氧含量超過0.03%時(shí)，沖擊吸收功陡降。在Mn-Si-Ti-B合金系中，氧含量在0.03%時(shí)韌性最佳，過多或過少均會(huì)損害韌性值。Yoshihiko[2]對(duì)YS529～584 MPa的埋弧焊焊縫進(jìn)行了-74 ℃下的沖擊試驗(yàn)，并測(cè)量了斷面纖維率，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)焊縫含氧量在0.025%～0.032%時(shí)，斷面纖維率低于40%，獲得良好的韌性。同時(shí)，他們也指出了控制氧含量的方法——焊材的堿度（BL），焊縫中含氧量隨著焊材堿度的增加而降低。

2.2.2 焊縫金屬的合金化與細(xì)晶化

焊縫金屬中，由于AF的尺寸十分細(xì)?。▋H為4±1μm），獲得盡可能多的AF就可達(dá)到細(xì)晶化的目的。研究人員對(duì)AF形核機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，提出了以下四種AF形核理論。

（1）高能惰性基體形核理論。

夾雜物提供一個(gè)惰性、不可變形的介質(zhì)表面，具有降低自由能勢(shì)壘的能力，十分合適AF的形核[16]。夾雜物半徑對(duì)異質(zhì)形核能壘的影響如圖9

所示，隨著夾雜物半徑的增大（直至1.2 μm），AF在夾雜物上形核的激活能與均質(zhì)形核激活能的比值逐漸降低，即隨著夾雜物尺寸的增大，AF形核的阻礙越來越小。也有學(xué)者指出夾雜表面處的非均勻形核自由能總是高于晶界處，AF成核的能量當(dāng)然比均勻成核的能量低得多。

（2）共格晶界形核理論。

Furuhara等[17]提出夾雜物和鐵素體之間的錯(cuò)配應(yīng)變較低，并且具有簡(jiǎn)單的結(jié)晶取向關(guān)系，從而降低了鐵素體形核所需的激活能。而鐵素體和奧氏體之間的結(jié)晶取向存在較大的拘束，使得鐵素體在原奧氏體晶界形核困難，因此AF優(yōu)先在夾雜物上形核。通過鐵素體形核時(shí)六種化合物的晶格錯(cuò)配度和特征過冷值，判斷其形核的有效性，如表3所示。

（3）熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)形核理論。

某些類型的夾雜物，例如TiN、Ti2O3等，邊界會(huì)形成一層MnS，降低附近金屬中的Mn濃度，形成一個(gè)貧Mn區(qū)（MDZ）。又由于Mn含量的降低會(huì)導(dǎo)致奧氏體區(qū)減小，從而有助于在MDZ中形成鐵素體[18]，如圖10所示。Song等[19]也指出MnS夾雜物可以成為成核的活性位點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊男纬上牧藠A雜物周圍基質(zhì)中的Mn。反過來又增加了奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，增加鐵素體在夾雜物界面形成的驅(qū)動(dòng)力。

（4）高應(yīng)變能形核理論。

該理論指出，夾雜物的熱膨脹系數(shù)與鋼基體的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，因此從高溫冷卻時(shí)會(huì)在夾雜物附近引起金屬的片狀應(yīng)力。這些應(yīng)力和金屬的彈性模量、冷卻溫差、熱膨脹系數(shù)有關(guān)。其中熱膨脹系數(shù)相差越大，應(yīng)力越大，從而在鋼基體中引起的應(yīng)變?cè)龃?，則AF就越容易形核，如圖11所示。

為了達(dá)到細(xì)晶化的目的，大量研究人員針對(duì)合金元素對(duì)AF形核的影響進(jìn)行了研究。根據(jù)研究結(jié)果，不同合金元素對(duì)AF形核的作用可分為四種類型：①改變?chǔ)?α轉(zhuǎn)變溫度，包括增加奧氏體區(qū)元素（如C、Mn、Ni、Cu），和降低奧氏體區(qū)元素（如Al、Si、V、Cr、Mo、Ti）;②溶質(zhì)元素在晶界偏析，降低晶界能，使晶界能壘增加，降低PF和FSP形核的可能性（如B）;③形成有利于AF形核的夾雜物（如Ti）;④REM對(duì)于不同合金系，影響機(jī)制不同，作用復(fù)雜，目前作用理論尚未統(tǒng)一。

Mn、Ni元素都是奧氏體化元素，可降低γ-α轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)AF形成，如圖12所示。Lee等[10]通過對(duì)HSLA鋼進(jìn)行熱模擬研究發(fā)現(xiàn)，Mn和Ni元素都能促進(jìn)AF的形成，同時(shí)抑制LB的形成，有利于增加CTOD值，并且Ni對(duì)AF的促進(jìn)效果遠(yuǎn)大于Mn。Ni對(duì)AF的促進(jìn)作用歸因于Ni可以先抑制原奧氏體的晶粒尺寸，隨后使其急劇粗化。而AF主要在原奧氏體內(nèi)部形成，原奧氏體的尺寸越大，AF形成的可能性越高。Keehan等[21]分別對(duì)比了2%Mn含量下三種不同Ni含量（3%、5%、7%）的焊縫組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)三種焊縫都由M和B組成。Ni含量為3%時(shí)，焊縫組織更加均勻，Ni含量過高時(shí)會(huì)引起B(yǎng)的粗化，造成晶粒間元素偏析，從而導(dǎo)致韌性的惡化。Keehan等[22]后續(xù)在保持Ni含量（7%Ni）不變的前提下，研究Mn含量改變對(duì)接頭韌性的影響，證實(shí)了在高Ni焊縫的情況下，降低Mn含量有助于改善焊接接頭的韌性。

Mo、Cr等都是鐵素體穩(wěn)定元素，也會(huì)在一定程度上影響AF的形成，降低韌性。Surian等[23]控制焊縫中Mn和Mo元素含量，Mn含量分別為1.0%和1.5%，Mo含量分別為0%，0.25%，0.5%，0.9%。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mo含量為0.5%時(shí)，AF的比例最高。對(duì)比8組焊縫的CTOD值發(fā)現(xiàn)，在相同Mn含量下，CTOD值隨著Mo含量的增加而降低，焊態(tài)下，不含Mo元素焊縫的CTOD值是Mo含量0.9%焊縫的2倍。Lee等[24]對(duì)Mo含量分別為0.002%，0.194%和0.350%的三種HSLA鋼HAZ進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著Mo含量的增加，HAZ粗晶區(qū)（CGHAZ）和臨界區(qū)（ICHAZ）的CTOD值均下降1倍以上。CTOD值降低的主要原因在于CGHAZ區(qū)AF含量的明顯下降和ICHAZ區(qū)M-A組元和QPF含量增加，LB含量降低。Jorgea等[25]對(duì)Cr含量為0～3.8%的埋弧焊焊縫組織性能進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雖然Cr在一定程度上促進(jìn)AF的形成，但是隨著Cr含量的增加，焊縫金屬的沖擊韌性降低，主要原因是焊縫中M-A組元的形成。

B和Ti元素一般是同時(shí)添加到焊縫中去的。由于B元素原子半徑很小，極易在高溫下向奧氏體晶界擴(kuò)散，偏聚在奧氏體晶界上導(dǎo)致晶界能降低，抑制PF和FSP形成。但由于B容易被氧化，因此添加強(qiáng)氧化元素Ti可用作保護(hù)B元素，同時(shí)也可以形成夾雜物，作為AF的形核質(zhì)點(diǎn)。Fattahi等[26]研究了Ti含量0.002%～0.021%的焊縫金屬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ti含量為0.002%時(shí)，焊縫中的AF比例最大，沖擊韌性最優(yōu)，其原因是形成了含Ti的夾雜物，減小AF形核的阻礙。但Kohichi等[27]的研究則表明，由于原子B向Ti2O3內(nèi)擴(kuò)散，會(huì)在夾雜物周圍形成貧B區(qū)，因此不會(huì)影響鐵素體在夾雜物上形核。

2.2.3 焊縫金屬的均質(zhì)化

大量研究[28-30]表明，由于M-A組元內(nèi)部存在大量高密度位錯(cuò)或者孿晶結(jié)構(gòu)，屬于硬質(zhì)的第二相，在裂紋擴(kuò)展時(shí)，M-A組元容易脫落或者斷裂，降低了裂紋的萌生功和擴(kuò)展功，因此焊接接頭中的M-A組元會(huì)嚴(yán)重降低其韌性。

Lee等[24，28]探究了Mo元素對(duì)ICHAZ區(qū)中M-A組元的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Mo含量的增加（從0.002%增加至0.35%），ICHAZ中的M-A組元比例由2%增加至12%。該研究還發(fā)現(xiàn)，由于焊縫中的C原子富集在M-A組元內(nèi)部，Mn、Cr、Mo、Ni均在M-A組元和鐵素體的界面處偏析，CTOD試驗(yàn)中裂紋容易在大尺寸M-A組元上起裂。裂紋擴(kuò)展途徑上的M-A組元脫落形成微孔，也為裂紋提供了擴(kuò)展路徑，從而造成CTOD值的下降。

Di等[31]指出，X70管線鋼中HAZ的韌性惡化主要與M-A組元的形狀有關(guān)，裂紋擴(kuò)展經(jīng)過M-A組元時(shí)消耗的能量取決于M-A組元的二面角和表面能，而M-A組元的形狀在很大程度上受第二次熱循環(huán)峰值溫度影響。Li等[32]根據(jù)M-A組元的面積和縱橫比將M-A組元分為四類：塊狀、長(zhǎng)條狀、斷續(xù)的粒狀和含有第二相（鐵素體、碳化物）的粒狀。塊狀M-A組元在裂紋擴(kuò)展中容易斷裂;長(zhǎng)條狀M-A組元?jiǎng)t更容易脫落;斷續(xù)的粒狀和含有第二相粒狀的M-A組元均能作為裂紋源。Nb和V等元素的添加促進(jìn)了斷續(xù)粒狀M-A組元的生成。Luo等[33]用同樣的方法對(duì)M-A組元進(jìn)行分類，認(rèn)為粒狀的M-A組元對(duì)韌性基本沒有影響;長(zhǎng)條狀的M-A組元幾乎包含整個(gè)M組織，韌性最差;塊狀的M-A組元是以馬氏體形成“殼”，奧氏體形成“核”的核-殼結(jié)構(gòu)，韌性較好。Yang等[34]將長(zhǎng)條狀又分為細(xì)長(zhǎng)條狀和粗長(zhǎng)條狀，認(rèn)為：粒狀M-A組元可以阻礙裂紋的擴(kuò)展，有利于斷裂韌性的提高;細(xì)長(zhǎng)條狀的M-A組元可以隨著基體一同發(fā)生塑性變形，消耗斷裂過程中的能量，也會(huì)增加CTOD值。而粗長(zhǎng)條狀M-A組元幾乎不發(fā)生塑性變形，而是直接斷裂;塊狀的M-A組元容易脫落，這兩者都嚴(yán)重的損害了韌性。

各種合金元素對(duì)M-A組元尺寸形狀的影響機(jī)理，以及各類形狀的M-A組元對(duì)斷裂影響機(jī)制尚未統(tǒng)一，仍需要進(jìn)一步研究。

2.3 低相變焊材

海洋工程裝備長(zhǎng)期承受海流、波浪、潮汐的載荷，對(duì)抗疲勞性能有很高的要求。低相變點(diǎn)（LTT）焊接材料通過降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，可提升焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。然而，一般的LTT焊材由于形成了高密度位錯(cuò)纏結(jié)的孿晶馬氏體，導(dǎo)致韌性極差，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。

天津大學(xué)[35]采用少量的Mn（0.8%～1.2%）和Si（0.3%～0.6%）用于聯(lián)合脫氧，Cr（12%～13%）、Ni（8%～10%）和Mo（0.8%～1.2%）合金元素作為強(qiáng)韌元素，同時(shí)降低馬氏體相變點(diǎn)（Ms），增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了馬氏體+殘余奧氏體（RA）雙相組織的LTT焊材，如圖13所示，并優(yōu)化了焊后配分工藝（200 ℃/300 ℃）[36]和逆相變回火工藝（ART）[37]。

焊后配分工藝?yán)锰寂浞质柜R氏體中的碳原子擴(kuò)散至殘余奧氏體，如圖14所示，增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性，使得焊接接頭屈服強(qiáng)度提高123%，伸長(zhǎng)率提高53%，沖擊韌性提高75%。ART工藝處理之后組織轉(zhuǎn)變成回火馬氏體+逆變奧氏體+細(xì)小碳化物的混合組織，屈服強(qiáng)度上升至731 MPa，-20 ℃下的沖擊吸收功也由21 J增加至64 J，尤其是疲勞壽命大幅提高，是普通焊絲接頭的1.4倍。

3 海洋工程用焊材的發(fā)展趨勢(shì)

（1）積極發(fā)展綠色環(huán)保型海工裝備用焊材。

綠色環(huán)保型焊材的發(fā)展主要包括焊材的生產(chǎn)方式和焊接過程中低塵、低毒兩個(gè)方面。首先，實(shí)心焊絲的前處理由酸洗工藝向環(huán)保無酸洗除銹的方向發(fā)展;其次，采用無鍍銅焊絲，消除傳統(tǒng)鍍銅工藝過程中由于銅離子流失而產(chǎn)生的廢液廢氣;此外，改進(jìn)焊材的材料配方設(shè)計(jì)，開發(fā)低碳環(huán)保的綠色焊材也是未來的發(fā)展方向。

（2）高強(qiáng)韌、超低氫是海工裝備用焊材的發(fā)展重點(diǎn)。

由于海工裝備長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下工作，其結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、大板厚的特征，海工裝備的業(yè)主方為提高結(jié)構(gòu)的可靠性，防止結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中出現(xiàn)裂紋和脆斷等重大質(zhì)量問題，對(duì)焊接材料的擴(kuò)散氫提出了更高的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，因此，高強(qiáng)韌、超低氫的配套焊材在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是研究開發(fā)的重點(diǎn)。

（3）增強(qiáng)焊接材料自動(dòng)化、數(shù)字化焊接的適應(yīng)性。

焊接的生產(chǎn)方式主要由焊接設(shè)備和焊接材料兩方面構(gòu)成，兩者的發(fā)展相互依存，相互促進(jìn)。近年來，焊接技術(shù)不斷向自動(dòng)化、高效化、智能化發(fā)展，因此在保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性的基礎(chǔ)上，開發(fā)出自動(dòng)化程度高的、機(jī)器人專用的焊材成為海洋工程用焊材的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根基，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提質(zhì)增效升級(jí)的主戰(zhàn)場(chǎng)，而焊接產(chǎn)業(yè)又是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的重中之重。縱觀全球，我國(guó)海洋工程用焊材總體上還處于產(chǎn)業(yè)鏈中低端，產(chǎn)品附加值較低。因此，我國(guó)未來海工用焊材發(fā)展的重要方向是高端化、綠色化、智能化。滿足我國(guó)海洋重大裝備制造對(duì)高端焊接材料的迫切需求，擺脫長(zhǎng)期依賴于進(jìn)口的不利局面，保障國(guó)家海洋資源開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，大幅度提升我國(guó)高端焊材產(chǎn)品自主研發(fā)的能力和國(guó)際影響力，對(duì)海洋工程行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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Research status and development trend of welding consumables

for offshore engineering

DI Xinjie， BA Lingzhi， LI Chengning

（School of Materials Science and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： The research progress and market status of welding consumables for marine engineering at home and abroad were reviewed. The microstructure characteristics in weld metal and heat affected zone （HAZ） are described， and the toughening mechanism of weld metal is discussed from four aspects of cleanliness， alloying， refining and homogenizing. The development of special low phase transformation spot welding materials and the development of post welding treatment methods are also introduced. Finally， the development trend of welding materials for marine engineering is pointed out.

Keywords： welding consumables for marine engineering; toughness; acicular ferrite; inclusion