李洪明 高丽彬0 引言随着海洋资源的开发，大型海上浮式起重机（以下简称浮吊）作为重要的海洋工程装备需求日益增大。浮吊臂架作为大型海上浮吊结构中最关键的受力部件，其制造质量直接关系到浮吊的服役寿命和安全性。目前，海上浮吊装备逐渐向大吨位、轻量化、高效化的方向发展，传统的浮吊臂架结构用钢（如Q345、S420、S460等高强钢）已无法满足设计和使用要求。大型海上浮吊臂架用钢强度级别越来越高，逐步开始采用Q690E 高强钢替代传统的钢种，以实现大吨位、轻量化、高效化的要求。然而， Q690E 高强钢含碳量高，合金系统复杂，淬硬性较大，焊接时易产生冷裂纹，且焊接过程中容易导致热影响区脆化和软化。为了防止焊接接头发生低应力脆性断裂，对浮吊臂架的高强钢焊接接头低温冲击韧性提出了更高的要求。 药芯焊丝气体保护焊（FCAW）焊接效率高，焊接成形良好，焊接可操作性和工艺性优异。因此，在大型海上浮吊臂架的生产制造中广泛应用。在FCAW 焊接过程中，由于大型海上浮吊臂架Q690E 高强钢母材强度级别高，冷裂纹敏感性大，且FCAW 焊接接头含氢量高，进一步加剧了产生冷裂纹的风险。此外，FCAW采用的药芯焊接材料成分复杂，焊接过程易产生夹渣缺陷，且焊缝中氮氧夹杂物含量增加，会降低焊缝金属的低温冲击韧性。目前，国内外关于Q690E 高强钢焊接的研究已经取得了较大的进展，其中Q690E 高强钢手工焊条电弧焊（SMAW）、熔化极气体保护焊（MAG）、埋弧焊（SAW）等焊接工艺也在一定领域中得到广泛应用。但是，针对大型海上浮吊臂架Q690E 高强钢FCAW 焊接工艺的研究相对较少，且在工程应用中仍存在上述的技术难点和问题。因此，本文针对大型海上浮吊臂架的设计和使用要求，分析了高强钢Q690E的焊接性和药芯焊丝的匹配性，研究了Q690E 高强钢FCAW 焊接工艺和焊接接头的力学性能，获得了满足实际焊接生产制造要求的FCAW 焊接工艺，为大型海上浮吊臂架的焊接施工提供理论依据和技术保障。1 试验材料及方法浮吊臂架主要结构形式有主弦杆和支管焊接而成，主弦杆采用25 mm 的圆管对接而成，焊接形式为对接全熔透；4 个主弦杆靠支管焊接连接，焊接形式为TKY形式的部分熔透焊接，具体比较结构图和接头详图见图1 ～图3。所以，研究浮吊臂架高强钢的焊接，主要研究主弦杆对接的焊接工艺研究。图1 浮吊臂架结构图图2 主弦杆对接接头图图3 支管与主弦管接头图1.1 试验母材试验钢材采用低合金高强钢Q690E，主要用于制造4 500 t 大型海上浮吊臂架，供货状态为调质态（淬火＋高温回火），其微观组织主要为贝氏体组织，板厚25mm，其化学成分见表1，力学性能见表2。试验采用的低合金高强钢Q690E 具有较高的屈服强度和抗拉强度，良好的低温冲击韧性及耐腐蚀性。 Q690E 高强钢在不提高C 含量的前提下，通过添加适量的Cr、 Mo、Ni、Cu 及 Ti 元素改善其淬透性和抗回火软化倾向。1.2 焊接性分析低合金高强钢Q690E 焊接冷裂纹、淬硬倾向、氢致裂纹等敏感性强，碳当量法是判断焊接性最简便的方法之一，采用国际焊接学会IIW 推荐的碳当量CE 计算公式，可判断钢材热影响区的淬硬倾向。此外，考虑到材料工艺 MATERIAL PROCESS钢材的焊接冷裂纹不仅与化学成分有关，且与淬硬性、拘束度及焊缝的扩散氢含量等因素相关。碳当量计算公式中只涉及到化学成分。因此，采用焊接冷裂纹敏感性指数计算公式，分析钢材焊接冷裂纹敏感度更加客观，也更为精确。碳当量可表示为根据表1 低合金高强钢Q690E 母材化学成分，结合式（1）碳当量CE 计算公式和式（2）冷裂纹敏感性指数Pcm 计算公式，分别计算母材Q690E 的碳当量为0.694%，冷裂纹敏感性指数Pcm 为0.27%，高于一般要求的0.25%。碳当量和冷裂纹敏感性计算结果说明母材Q690E 的焊接性较差，焊后淬硬倾向大，易产生焊接冷裂纹。因此，高强钢Q690E 焊接时需制定适当的预热温度和后热处理，严格控制焊接热输入。1.3 焊接材料低合金高强钢焊接材料选择时，一般按等强匹配原则，但当结构刚度较大时，可选择比母材强度稍低的焊接材料，以防形成冷裂纹，并保证低温冲击韧性。同时，应保证与Q690E 高强钢配套的药芯焊丝的扩散氢含量低于H5（≤ 5 ml/100 g）和良好的焊接工艺性。根据焊接材料复验试验结果，拟选用TWE-110K3，焊接操作性优良，脱渣性和焊缝成形良好，飞溅少。如表3、表4 所示， 2 种药芯焊丝的化学成分和力学性能均满足设计性能和标准的要求，与母材Q690E均有良好的匹配性。1.4 坡口形式试验母材的坡口形式根据AWS D1.1 标准，采用能覆盖实际板厚的的焊接工艺评定试板，如图1 所示，试板尺寸为25 mm×200 mm×600 mm，试验中母材的坡口为单面V 形坡口，坡口角度为45°，无钝边，根部间隙为6 mm，采用钢衬垫，衬垫材料为A709-50-2，厚度10 mm。1.5 焊接工艺试验浮吊臂架用低合金高强钢Q690E 焊接淬硬倾向大，冷裂纹敏感性高，而且供货状态为调质态，故在制定焊接工艺参数不仅要考虑焊缝组织性能，还要兼顾焊接工艺参数对热影响区的影响；尤其与焊接冷却速度相关的焊接工艺参数参数（如预热温度、焊接热输入、层间温度、后热处理等）。1）预热温度从高强钢Q690E 焊接性分析可知，其淬硬倾向大，冷裂纹敏感性较高，为了防止冷裂纹的产生，焊前需预热处理。根据斜Y形坡口抗裂性试验结果可知（见图4），当预热温度不低于150℃，未出现焊接冷裂纹。考虑到过高的预热温度会导致热影响区的冷却速度变慢，T8/5增加，进而导致热影响区HAZ 产生 M-A 组元和粗大的贝氏体组织，增大HAZ 软化和脆化倾向。因此，最终确定预热温度控制在150℃～ 160℃。图4 预热温度与裂纹率的关系2）焊接热输入不同的焊接热输入，焊接冷却速度不同，焊接T8/5不同，直接影响焊缝金属及热影响区的组织和性能。为了防止焊缝和热影响区组织粗大导致韧性恶化，不宜采用较大的热输入；而热输入过小时，冷却速度过快，导致热影响区淬硬，韧性降低，易产生冷裂纹。同时，需要兼顾焊接效率和焊丝的适用性。因此，结合焊材复验工艺参数和试验结果，制定的焊接工艺参数组合如表5所示，分别做1.0 ～ 1.2 kJ/mm、1.3 ～ 1.5 kJ/mm、1.6 ～ 1.8kJ/mm 的对比试验。3）层间温度为防止焊接冷裂纹，层间温度一般不应低于最低预热温度，但层间温度也不宜过高，否则会导致焊缝和热影响区组织粗大，性能恶化。然而，如果层间温度较低则对焊接效率的影响较大，为此，对层间温度150℃～ 180℃和200℃～ 220℃进行对比。4）后热处理由于高强钢Q690E 为调质钢，淬火+ 高温回火。因此，焊后不允许进行高温消应力回火处理，否则会破坏母材的组织和性能。为了降低焊后冷却速度，消除扩散氢的影响，防止出现氢致裂纹，焊后应立即进行230℃，保温1 小的后热处理，消除焊接接头中的扩散氢。5）焊接试验按照设计的焊接工艺参数，对TWE-110K3 药芯焊丝进行焊接试验，焊丝直径均为1.2 mm，保护气为CO2。焊前需将坡口表面及两侧20 mm 内的水分、油污、铁锈清理干净。以上试验1 ～ 4 共4 组试验方案进行检测，如拉伸试验、弯曲试验、冲击试验（热影响区和焊缝中心）、硬度试验（人影响区和焊缝中心），试验结果如表6 所示。经过以上数据分析，试验2 的结果较好，图5、图6 为硬度值和冲击值的分布图得出试验2 组的工艺较合理。图5 冲击分布图图6 硬度分布图2 试验结果分析2.1 宏观和微观组织根据试验结果得出结论试验2 的工艺更为合理，故对试验2 的焊接接头切割、粗磨、静磨和抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀。腐蚀后观察焊接接头的宏观形貌，如图7 所示。焊接接头熔合良好，未出现裂纹、气孔、夹渣、未融合等焊接缺陷。图7 TWE-110K3 焊丝焊接接头宏观腐蚀焊接接头微观显微金相组织如图8 所示，图8a 为母材显微金相组织，母材由于是调质态，其主要由细小的贝氏体和铁素体组织。图8b 为焊缝中心区域的金相组织，主要由针状铁素体和粒状贝氏体组织为主，未发现明显的马氏体组织，说明焊接热输入较为合理。细小均匀的针状铁素体和粒状贝氏体组织，有利于获得良好的塑性和强度，从而保证焊缝金属综合力学性能满足要求。图8c 为焊接热影响粗晶区的显微组织，粗晶区晶粒尺寸相对较大，主要为粗大的贝氏体、马氏体和针状铁素体，未出现粗大的魏氏组织。由于粗晶区，高温停留时间长，组织长大快，粗晶区组织较为粗大或出现淬硬组织，性能恶化较明显，而高强钢Q690E 含有较多合金元素如：Ni、Cr、Mo 等，增加了淬硬倾向大，焊后易产生脆性的淬火组织。因此，采用合理的焊接工艺参数控制粗晶区的组织形态，避免组织粗大及淬硬组织是保证热影响区力学性能的关键。从图8c 粗晶区的显微组织观察，其为出现明显的粗大魏氏组织或大量的淬硬马氏体，故粗晶区不会出现严重的性能恶化现象。2.2 力学性能分析采用AWS D1.1 钢结构焊接规范进行相关的力学试验测试，分别测试了焊接试样的横向拉伸、冲击、弯曲、硬度等力学性能。(a) 母材组织 (b) 焊缝组织 (c) 热影响区图 8 焊接接头显微组织1）拉伸试验试验1 ～ 3 的抗拉强度均高于标准要求，满足使用和设计条件，拉伸试验结果合格。因此，拉伸断裂位置为母材区域，如图9 显示。拉伸试验结果表明：焊接接头拉伸性能良好，充分证明焊接工艺的可行性。但是，当层间温度控制在200℃～ 220℃时（试验4），抗拉强度明显降低，故合理的焊接工艺必须将层间温度控制在150℃～ 180℃范围内。2）弯曲试验对Q690E 低合金高强钢焊接接头进行的180°侧弯试验，压头直径为63.5 mm，试验结果如图10 所示，均未出现裂纹，焊接接头塑性较好，侧弯试验均合格。3）冲击试验冲击试验的缺口位置分别为焊缝中心(WC), 热影响区（熔合线＋ 1 mm）。冲冲击试验结果和图5 可以看出焊接热输入对于冲击的影响较明显，在热输入1.3 ～ 1.5 kJ/mm 的范围时热影响区和焊缝中心的冲击功较大，明显高于标准值要求-40℃时≥ 46 J。图9 拉伸试样图图10 弯曲试样图4）硬度试验Q690E 高强钢焊接接头维氏硬度测试结果，如图6的趋势可以看出热输入对于硬度的影响较为明显，当热输入控制在1.3 ～ 1.5 kJ/mm 时焊缝中心和热影响区的硬度较低。根据硬度测试结果表明，热影响区靠近熔合区附近出现局部硬化现象，其原因主要是由于焊接过程中，靠近熔合区焊接热循环温度高，高温停留时间长，容易导致晶粒粗化；焊后快速冷却易产生淬硬马氏体组织。这与前述热影响区组织观察到存在部分的马氏体组织一致，粗大组织和淬硬的马氏体导致熔合区附近的硬度偏高。3 结论针对大型海上浮吊臂架用Q690E 高强钢，分析了其焊接性，选用药芯焊丝气体保护焊的方法，通过合理设计和控制预热温度、层间温度和热输入，获得的适用于浮吊臂架Q690E 高强钢的药芯焊丝气体保护焊焊接工艺。获得药芯焊丝的焊接接头的拉伸性能、弯曲、硬度和低温冲击韧性均满足要求，其中低温冲击韧性达到46 J（-40℃）以上。通过对浮吊臂架Q690E 高强钢的药芯焊丝气体保护焊焊接工艺的研究可知：1）合理控制预热温度为150℃～ 160℃，层间温度150℃～ 180℃之间；2）严格控制热输入在1.3 ～ 1.5 kJ/mm。3） 焊后立即在230 ℃ 后热1 h， 厚度每增加25mm，保温时间就增加1 h。在合理控制上述药芯焊丝气体保护焊关键焊接工艺参数的条件下，采用焊后保温的工艺可以获得满足质量要求的焊接接头, 并已成功应用于浮吊臂架结构的焊接。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 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