EH36 鋼藥芯焊絲電弧焊接接頭沖擊及抗冷裂性能研究*

蘇沫林， 韓永典， 趙 雷， 徐連勇， 郭慧娟

（1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300350；2. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300350）

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 對(duì)天然氣石油等能源需求日益增加， 然而海上石油工程雖會(huì)創(chuàng)造良好效益， 但消耗極大， 維護(hù)成本高， 在此工程中海洋平臺(tái)起著重要作用。 海洋平臺(tái)一般可分為三種類型， 即固定式、 半固定式以及活動(dòng)式[1-3]。 其中在固定式海洋平臺(tái)中， 導(dǎo)管架型結(jié)構(gòu)是其較為重要部分， 且具有較為特殊的焊接結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)。 而焊接工藝， 包括坡口大小及其角度都與焊接缺陷息息相關(guān)， 在高應(yīng)力集中情況下容易誘導(dǎo)焊接冷裂形成， 降低海洋平臺(tái)壽命， 甚至?xí)斐删薮蠼?jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。 剛性拘束裂紋試驗(yàn)（rigid restraint crack test,RRC）， 是由日本大阪大學(xué)提出， 其原理是焊接冷卻過程中在接頭自身收縮而引起的應(yīng)力的條件下， 被拘束的長(zhǎng)度保持不變以進(jìn)行焊接接頭承受外部拘束條件的模擬， 該試驗(yàn)可以比較直觀體現(xiàn)接頭受力狀態(tài)， 結(jié)果較為準(zhǔn)確[4]。 目前關(guān)于RRC 試驗(yàn)的研究較少， 尤其是涉及海洋船用鋼材料。 EH36 鋼是一種船用鋼， 在海洋工程中應(yīng)用較廣， 但也存在冷裂現(xiàn)象， 尤其是管節(jié)點(diǎn)冷裂紋的滯后性會(huì)引起巨大危害[5-8]。 因此， 本研究通過RRC 試驗(yàn)， 在充分考慮EH36鋼的部分性能， 如碳當(dāng)量、 焊接接頭的拘束狀態(tài)等條件下確定不同焊材下的冷裂敏感性， 進(jìn)而制備具有良好沖擊性能、 抗冷裂性能的焊接接頭。

1 試驗(yàn)方案及原理

1.1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)采用EH36 鋼作為焊接母材， 其化學(xué)成分見表1。 EH36 鋼的屈服強(qiáng)度為380 MPa，抗拉強(qiáng)度為540 MPa， 伸長(zhǎng)率為32%， -40 ℃沖擊功為287 J。 對(duì)接焊焊板尺寸為1 100 mm×300 mm×50 mm， 試板焊接坡口形狀及尺寸如圖1 所示。

表1 EH36 鋼化學(xué)成分%

圖1 試板焊接坡口尺寸示意圖

根據(jù)工程實(shí)際情況， 選取了國產(chǎn)GFL-71Ni 焊絲和進(jìn)口DW-A55L 焊絲進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)， 后經(jīng)過RRC 試驗(yàn)得到不同焊絲條件下的EH36 鋼焊接接頭， 焊絲成分及性能分別見表2及表3。

表2 GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L焊絲化學(xué)成分

表3 GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L 焊絲力學(xué)性能

1.2 焊接參數(shù)及步驟

試驗(yàn)采用FCAW-G 焊接工藝， 使用兩種焊絲試驗(yàn)時(shí)保持熱輸入范圍與預(yù)熱溫度相同。 預(yù)熱采用Miller PREHEAT 35 型感應(yīng)加熱設(shè)備， 達(dá)到預(yù)熱溫度保溫60 s 后進(jìn)行焊接。 焊前準(zhǔn)備感應(yīng)預(yù)熱裝置并設(shè)置預(yù)熱溫度， 具體焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 FCAW-G 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫化學(xué)成分

GFL-71Ni 焊絲和DW-A55L 焊絲焊接接頭焊縫化學(xué)成分見表5。 結(jié)果表明， 由于母材中含量較高的C 與合金元素在焊接高溫下向焊縫區(qū)的擴(kuò)散以及保護(hù)氣體參與相關(guān)冶金反應(yīng)， 導(dǎo)致焊縫中C 與合金含量增加。 整體而言， 與DW-A55L 焊絲焊接接頭焊縫相比， GFL-71Ni焊絲焊接接頭焊縫中的C、 Ni 含量較少， 但Si、 Mn 含量較高， 這與二者的焊絲成分保持一致。

表5 兩種焊絲焊接接頭焊縫成分

2.2 擴(kuò)散氫含量

對(duì)GFL-71N 焊絲及DW-A55L 焊絲焊接接頭分別進(jìn)行擴(kuò)散氫含量的測(cè)定。 試驗(yàn)方法采用氣相色譜法， 擴(kuò)散氫試驗(yàn)的試樣尺寸及試驗(yàn)步驟按GB/T 3965—2012 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 兩種焊絲焊接接頭擴(kuò)散氫含量測(cè)試結(jié)果

從表6 可以看出， GFL-71NI 焊絲及DWA55L 焊絲接頭擴(kuò)散氫含量均值分別為4.2 mL/100g及3.0 mL/100g。 焊接接頭的擴(kuò)散氫含量對(duì)焊接接頭的冷裂紋敏感性影響重大， 焊接接頭發(fā)生延遲開裂往往是氫造成的。 20 世紀(jì)40 年代，研究者曾提出有關(guān)氫致延遲裂紋原理， 并探究了各種開裂機(jī)理， 但還是氫的應(yīng)力擴(kuò)散機(jī)理較為適合[9]。 該理論認(rèn)為， 金屬材料內(nèi)部的微缺陷， 如位錯(cuò)、 晶格缺陷等潛在地提供裂紋源，并且在應(yīng)力下導(dǎo)致三向應(yīng)力區(qū)存在于微觀缺陷前沿， 使氫向該處擴(kuò)散、 聚集。 而當(dāng)氫濃度達(dá)到一定數(shù)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力而阻礙位錯(cuò)移動(dòng)， 使其變脆， 隨著應(yīng)力增加形成缺陷而產(chǎn)生裂紋。 圖2 所示為氫致裂紋的擴(kuò)展過程， 試樣在受力過程中， 在裂紋敏感部位形成應(yīng)力集中區(qū)， 氫會(huì)向該區(qū)域擴(kuò)散從而增加應(yīng)力， 而當(dāng)該區(qū)域中氫濃度達(dá)到裂紋臨界值時(shí)， 導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展。 隨后氫繼續(xù)向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散引起新的起裂， 最終形成宏觀裂紋。 然而在GFL-71Ni 焊絲及DW-A55L 焊絲接頭表面并未檢測(cè)出裂紋， 表明兩種接頭具有良好的抗冷裂性能。

圖2 氫致裂紋的擴(kuò)展過程示意圖

根據(jù)焊接接頭測(cè)試結(jié)果可得到其對(duì)應(yīng)的冷裂紋敏感系數(shù)[10-11]為

[H]——擴(kuò)散氫含量；

Rcr——臨界拘束度，Rcr=ET/Lcr， 其中E 為EH36 鋼彈性模量， T 為板材厚度， Lcr為拘束距離。

經(jīng)計(jì)算， GFL-71Ni 及DW-A55L 焊絲接頭冷裂敏感系數(shù)Pw分別為0.345 及0.326， 表明DW-A55L 焊絲的抗冷裂性能較好。

2.3 沖擊性能

焊接接頭的沖擊性能也是評(píng)判焊縫性能的指標(biāo)之一， 因此對(duì)兩種焊絲接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。 試驗(yàn)采取的是一道焊縫對(duì)接焊。 由于本研究中的焊縫高度為4～5 mm， 因此不能制備10 mm×10 mm×55 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣， 根據(jù)實(shí)際接頭大小制備10 mm×2.5 mm×55 mm 沖擊試樣， V 形缺口。 同時(shí)， 為研究接頭不同位置的沖擊性能， 在焊縫和熔合線+1 mm 處取樣， 取樣位置如圖3 所示。

根據(jù)AWS D1.1—2015 標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)沖擊試樣進(jìn)行-40 ℃的沖擊性能測(cè)試， 每個(gè)位置取3 個(gè)試樣， 測(cè)試后取平均值， 試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明， 兩種焊絲接頭焊縫的沖擊功分別為19.7 J 和20.5 J， 均比熔合線+1 mm 處沖擊功低； 而GFL-71Ni 焊絲接頭熔合線+1 mm 處的沖擊功比DW-A55L 焊絲略高， 二者的沖擊功分別為36.4±1.6 J 和31.9±3.4 J。

圖3 沖擊試樣取樣位置及尺寸示意圖

圖4 兩種焊絲焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖5 和圖6 分別為GFL-71Ni 焊絲及DWA55L 焊絲焊接接頭沖擊斷口SEM 形貌， 通過圖5 （a） 及圖6 （a） 可以看出， 兩種焊絲焊接接頭焊縫處的沖擊斷口形貌相似， 存在大量細(xì)小韌窩， 呈現(xiàn)典型的韌性斷口形貌； 通過圖5 （b）和圖6 （b） 可以看出， 兩種焊絲焊接接頭熔合線+1 mm 處的沖擊斷口中韌窩的寬度和深度均較焊縫處大。 相比而言， GFL-71Ni 焊絲焊接接頭熔合線+1 mm 處的沖擊斷口中韌窩的寬度和深度稍大。

圖5 GFL-71Ni 焊絲焊接接頭沖擊斷口形貌

圖6 DW-A55L 焊絲焊接接頭沖擊斷口形貌

3 結(jié) 論

（1） 采用GFL-71Ni 和DW-A55L 兩種焊絲的EH36 鋼焊接接頭焊縫的沖擊功分別為19.7 J和20.5 J ， 均比熔合線+1 mm 處的沖擊功低。GFL-71Ni 焊絲接頭熔合線+1 mm 處的沖擊功比DW-A55L 焊絲稍高， 二者的沖擊功分別為36.4±1.6 J 和31.9±3.4 J。 且經(jīng)過48 h 剛性拘束焊接試驗(yàn)， 兩種接頭在表面均未產(chǎn)生裂紋， 表明接頭具有良好的抗冷裂性。

（2） 經(jīng)過計(jì)算得到的GFL-71Ni 焊絲接頭的冷裂紋敏感系數(shù)及擴(kuò)散氫含量均高于DW-A55L焊絲接頭， 表明DW-A55L 焊絲焊接接頭的抗冷裂性能優(yōu)于GFL-71Ni 焊絲焊接接頭。