热输入对水下局部干法焊接质量的影响

陈 勇, 曹 军, 许 威, 李连波, 张良锋, 王 震

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452; 2.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072)

0 前 言

随着我国海洋事业的迅速发展，水下焊接技术已经成为组装、维修采油平台和输油管线等大型海洋钢结构的关键技术之一，而且在舰船的应急修理及海上救助等工作中也是必要的技术手段[1]。水下局部干法焊接与众多其他水下焊接方法相比，有着良好的灵活性和适应性且成本较低，同时还易获得良好的焊接质量[2-3]。目前我国对水下局部干法焊接工艺的研究已经取得了一定的进展。哈尔滨焊接研究所林高扬等[2]于20世纪80年代开发了水下局部排水CO2半自动焊接技术，并已利用该设备进行焊接牺牲阳极和补焊。北京石油化工学院朱加雷等[4]采用气室式局部干法水下焊接技术进行焊接试验，探索和优化该技术条件下的焊接工艺，并对焊接接头组织和性能进行研究。天津大学程方杰等[5]研究了压力舱中不同压力对水下局部干法焊接电弧和焊缝成形的影响。对于实际水环境下采用局部干法进行焊接试验的相关研究仍然较少。

本文在已有研究的基础上，由潜水员在试验水池中采用自行研制的固定式排水罩的局部干法药芯焊丝半自动焊工艺对EH 36钢进行焊接试验，主要研究了大、小2种典型的焊接热输入(其中大热输入对应于实际工程修复中的立焊和平焊位置，小热输入对应于仰焊和横焊位置)对EH 36钢对接接头组织和性能的影响。

1 试验设备、材料及方法

采用天津大学自主研发的水下局部干法焊接专用设备，由潜水焊工在5 m×4 m×3 m的试验水池内进行焊接试验，焊接所用设备如图1所示。试验所用材料为EH 36钢所制成的尺寸为Φ608 mm×25.0 mm和Φ608 mm×12.5 mm 2种不同壁厚的管段，在管段上沿周向用瓦奇机加工出60°的焊接坡口，坡口底部宽度为6～8 mm，钝边厚度为6 mm(坡口深度为壁厚减去钝边)，坡口长度为250 mm。

图1 自主研制的固定式排水罩

选用的焊机为KEMPPI公司生产的FastMig Pulse 450型MIG/MAG焊接电源，该焊机空载电压80 V DC，且具有次级电缆压降补偿功能。

所用母材为EH 36船用钢板，化学成分及主要力学性能参数如表1所示。焊材选用京雷公司生产的GFL-61药芯焊丝，焊丝直径Φ1.2 mm，其化学成分及力学性能如表2所示。

表1 EH 36钢化学元素含量和主要力学性能参数

表2 药芯焊丝GFL-61化学成分含量和主要力学性能参数

试验使用药芯焊丝电弧焊(fluxed-cored arcwelding, FCAW)焊接方法，采用多层多道焊的方式对EH 36低合金高强度钢进行大、小2种焊接热输入试验。试验内容及焊接工艺参数如表3所示。其中第1和2组试验在横焊位置焊接，第3和4组试验在平焊位置焊接。

表3 试验内容及焊接工艺参数

2 试验结果及分析

2.1 目视检测和射线检测

对水下焊接接头进行外观检查和射线检测，未发现缺陷，符合AWS D3.6 M-2010 A级要求。焊缝外观如图2所示。

图2 焊缝外观

2.2 不同热输入对焊接接头硬度的影响

试验按AWS D3.6 M-2010和BS EN ISO 9015-1-2011标准的要求进行，对接接头硬度测试点位置如图3所示。

图3 硬度测试点位置

图4 焊接接头硬度分布

A级焊缝要求测量的维氏硬度值不允许超过325HV10。试验结果如图4所示，图4a)～图4d)中最大硬度值分别为409.0HV10,337.7HV10,335.8HV10和339.5HV10，均超过标准规定的最大值，最大硬度值均出现在热影响区。为进一步降低硬度和裂纹产生的风险，在实际工程应用中应该考虑增加水下预热和保温措施。

可以发现，在小热输入下热影响区最高硬度值普遍比在大热输入下的要大。这是由于在小热输入条件下，冷却速率加快，热影响区中产生更多的淬硬组织导致硬度值上升。

2.3 不同热输入对塑性和韧性的影响

根据AWS D3.6 M-2010 A级焊缝标准的要求进行侧弯试验(压辊直径120 mm，弯曲角度180°)，对弯曲后的试样进行外观检查，均未发现裂纹，满足AWS D3.6 M-2010 对A级焊缝的要求。图5为弯曲后的试样照片。

图5 侧弯后的试样照片

根据AWS D3.6 M-2010A级焊缝标准的要求进行冲击试验，试样缺口位置按要求分别开在焊缝中心(Welding Metal, WM)和热影响区(Heat Affected Zone, HAZ)。试验在JTD-300B低温冲击试验机上进行，试验温度为-20℃。冲击试验结果如表4所示。焊缝中心和热影响区的冲击值的最小值大于19 J，平均值大于27 J，均能满足标准要求。

表4 冲击试验结果(-20 ℃) J

进一步比较在大、小2种热输入下焊缝和热影响区的冲击功数值后发现，在小热输入下焊缝区的冲击功平均值(壁厚12.5 mm的工件为134 J，壁厚25 mm的工件为94 J)均优于在大热输入下焊缝区的结果(壁厚12.5 mm的工件为71 J，壁厚25 mm的工件为47 J)。这是由于在小热输入条件下焊缝冷却速度较快，焊缝中生成较多的针状铁素体，而先共析铁素体和侧板条铁素体含量较低。与先共析铁素体和侧板条铁素体相比，针状铁素体晶粒的大角度晶界可以对焊接裂纹的扩张起到良好的阻碍作用，同时在大热输入条件下高温停留时间长，焊缝晶粒粗大导致其冲击韧性降低。

2.4 不同热输入对焊接接头组织的影响

对比在不同热输入下的金相组织发现，焊接热输入对焊缝中的奥氏体晶粒尺寸有重要影响。在一般情况下，焊接热输入越大，焊后冷却速度越慢，熔池金属在高温下停留的时间越长，奥氏体晶粒生长的时间就越长，其尺寸就越大，如图6所示。

图6 金相组织图

对比图6a)和图6b)可知，在小热输入条件下焊缝组织含有较多的针状铁素体。分析认为，随着焊接热输入增加，焊缝金属冷却速度减小，奥氏体分解反应移向较高的温度，这有利于先共析铁素体的析出。同时，在焊缝金属连续冷却过程中，熔池中液态金属在高温停留的时间随热输入的增加而变长，焊缝金属中合金元素烧损加剧，使夹杂物析出量减少，加上焊缝金属冷却速度的减小，使得奥氏体分解反应移向更高的温度下进行，进而不利于针状铁素体的析出。

对比图6c)和图6d)可知，在小热输入条件下热影响区粗晶区原奥氏体尺寸相对较小，组织以粒状贝氏体和上贝氏体为主，还有部分板条马氏体。随着热输入的增加，在大热输入的条件下，粗晶区原奥氏体晶粒尺寸增加，原奥氏体晶界特征明显，其中有些板条贯穿整个晶粒。随着焊接热输入的提高，奥氏体晶粒尺寸逐渐增大，贝氏体组织的含量逐渐增多，贝氏体板条也变得更为粗大。

3 结 论

(1) 采用自行研制的水下局部干法焊接工艺和设备，对EH 36海洋工程用钢在水池中进行焊接试验。试验结果表明，在大、小2种典型热输入情况下，所有试样除硬度外各项性能指标均能满足AWS D3.6 M-2010标准对A级焊缝的要求。

(2) 对EH 36钢进行水下局部干法焊接，焊缝组织类型为沿奥氏体晶界析出的先共析铁素体，沿原奥氏体与先共析铁素体界面一定方向生长的侧板条铁素体和原奥氏体晶内形核的针状铁素体。热影响区组织为上贝氏体、粒状贝氏体和部分马氏体，最高硬度出现在热影响区。

(3) 采用水下局部干法对EH 36钢进行局部干法焊接时，如采用小热输入焊接，焊缝金属的冲击韧性比大热输入的要高。

[1] 段宇，陈晓强，唐耀. 新型水下局部干法焊接应用研究[J]. 金属加工(热加工)，2013(12): 46-48.

[2] 林尚扬，宋宝天，宋天虎. 水下局部排水CO2半自动焊接技术的研究和应用[J]. 焊接学报，1981(1): 12-23.

[3] VERMA K, GARG H K. Underwater Welding-Recent Trends and Future Scope[J]. International Journal on Emerging Technologies， 2012, 3(2): 115-120.

[4] 朱加雷，王殿舒，焦向东，等. 气室式局部干法水下焊接[J]. 上海交通大学学报，2015，49(3): 329-332.

[5] 程方杰，刘阳，王东坡，等. 不同压力条件下水下局部干法焊接的研究[J]. 焊接技术， 2015(10): 48-51.