大型浮式起重机臂架Q690E 高强钢的FCAW 焊接工艺

时间: 2023-11-05 19:44:40 |   作者: 江南体育入口安装app

  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，其制造质量必然的联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）已不足以满足设计和使用上的要求。大型海上浮吊臂架用钢强度级别慢慢的升高，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，且焊接过程中轻易造成热影响区脆化和软化。为避免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大范围的应用。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普遍应用。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上的要求，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照和技术保障。

  1 试验材料及方法浮吊臂架主要结构及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。

  1.1 试验母材试验钢材采用低合金高强钢Q690E，大多数都用在制造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

  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。为避免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℃作对比。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 组试验方案进行仔细的检测，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。

  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。

  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，来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，高温停滞时间长，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，采取了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，其为出现非常明显的粗大魏氏组织或大量的淬硬马氏体，故粗晶区不可能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有关的力学试验测试，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。

  1）拉伸试验试验1 ～ 3 的抗拉强度均高于规定要求，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。拉伸试验根据结果得出：焊接接头拉伸性能好，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 mm）。冲冲击试验结果和图5 能够准确的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。

  4）硬度试验Q690E 高强钢焊接接头维氏硬度测试结果，如图6的趋势能够准确的看出热输入对于硬度的影响较为显著，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。根据硬度测试根据结果得出，热影响区靠近熔合区附近出现局部硬化现象，其问题大多是由于焊接过程中，靠近熔合区焊接热循环温度高，高温停滞时间长，轻易造成晶粒粗化；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规定的要求，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）严控热输入在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能够得到满足质量发展要求的焊接接头, 并已成功应用于浮吊臂架结构的焊接。