嚴 鏗，石 磊，王清曌

(先進焊接技術(shù)省級重點實驗室江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江212003)

21世紀被公認為海洋世紀.隨著海洋資源開發(fā)步伐不斷向深海發(fā)展，海洋平臺所用鋼板的強度、厚度、韌性也在不斷增加［1－2］.海洋平臺服役周期長，且要承受潮汐、風暴、甚至地震等沖擊載荷，這對海洋平臺的韌度，特別是厚板焊接接頭的韌度提出了更高的要求［3－4］.

目前國內(nèi)強度級別高的海洋平臺用鋼仍主要依賴進口.F550Z是南京鋼鐵股份有限公司為海洋平臺開發(fā)并生產(chǎn)的重要產(chǎn)品，通過微合金化與控軋控冷工藝(TMCP)相結(jié)合，從而大幅度提高鋼材綜合性能，具有強度高、低溫韌性好的特點.

海洋平臺大部分結(jié)構(gòu)都是厚板，因此采用埋弧焊接可以提高焊接效率.而大熱輸入下，大部分鋼材的焊接熱影響區(qū)都成為接頭的薄弱環(huán)節(jié)，其組織受到不同的焊接熱循環(huán)，性能有很大的差異［5］.文中利用埋弧焊焊接方法，在焊接熱輸入為50 kJ·cm－1時，得到焊接熱影響區(qū)的力學性能和微觀組織，通過沖擊試驗測定焊接接頭各個區(qū)域金屬試樣的沖擊吸收功，并通過對各區(qū)域斷口形貌及顯微組織的分析，研究大熱輸入對焊接接頭低溫韌性的影響.

1 試驗材料及方法

采用埋弧焊焊接方法對板厚25.4mm的F550Z鋼進行焊接，鋼材化學成分見表1，原始組織形貌見圖1.埋弧焊焊絲選擇CHW－SEM2NP(AWSA5.23 EM2)，其金屬化學成分見表2.焊劑為CHF606，焊接電流750A，焊接電壓39V，焊接速度35.1mm·s－1，層間溫度180℃.

表1 F550Z鋼材化學成分Table1 Chem ical composition of F550Z steel w(x)/%

圖1 F550Z鋼原始組織形貌Fig.1 Originalm icrostructure of F550Z steel

表2 CHW－SEM 2NP熔敷金屬化學成分Table2 Chem ical composition of depositmetal of CHW－SEM 2NP w(x)/%

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 低溫沖擊試驗

沖擊試樣采用標準的夏比V型缺口，其尺寸如圖2，截取位置分別為焊縫中心、熔合線、熔合線外2mm、熔合線外5mm處.焊接接頭低溫沖擊試驗在－60℃進行，試驗結(jié)果如表3.

圖2 夏比V型缺口沖擊試樣(單位:mm)Fig.2 Charpy V-notch impact test specimens(Unit:mm)

表3 50 kJ·cm－1熱輸入沖擊吸收功試驗結(jié)果Table3 Impact toughnessw ith heat inputs 50 kJ·cm－1

從低溫沖擊吸收功試驗結(jié)果可以看出，焊縫和熔合線外5mm處沖擊值較高，熔合線和熔合線外2mm處沖擊值較低.

2.2 焊接熱輸入對焊接接頭沖擊韌性影響

2.2.1 熱輸入對焊縫區(qū)韌性的影響［5－6］

在焊接熱輸入50 kJ·cm－1時，焊縫沖擊吸收功為110 J，沖擊試樣斷口掃描形貌如圖3.

圖3 焊縫中心位置沖擊試樣斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of impact sample in weld center

從沖擊斷口掃描形貌圖片中可以看出，宏觀斷口分為纖維區(qū)加放射區(qū)，纖維區(qū)裂紋擴展受到阻礙，擴展緩慢，當裂紋擴展到臨界尺寸時，由緩慢擴展轉(zhuǎn)為快速擴展形成放射區(qū)，因此纖維大小與沖擊吸收功值高低成正比.在微觀掃描形貌圖上可以觀察到韌窩與解理臺階，與沖擊試驗值吻合.

圖4為焊縫區(qū)500倍金相組織，為針狀鐵素體和細小粒狀鐵素體加彌散的碳化物.

圖4 焊縫中心位置組織金相形貌Fig.4 Metallographic figures of weld center

從金相圖片中可以看出，有細小的碳化物析出和聚集，表明焊縫在焊接熱循環(huán)下有熱處理作用，相當于給焊縫進行了焊后熱處理.焊后熱處理可以促進擴散氫的析出，降低焊接應力及硬度，提高金屬塑性，有利于改善焊接接頭韌性.

在焊接熱輸入為50 kJ·cm－1時，高溫停留時間長，焊接接頭冷卻速度較慢.同時層間溫度控制在180℃，從而使得焊縫金屬在180℃以上的溫度停留時間較長，并且由于多道次的焊接，累積熱處理作用導致焊縫金屬具有優(yōu)異的低溫韌性.

2.2.2 熱輸入對熔合線韌性的影響［7］

熔合線是接頭中性能最薄弱環(huán)節(jié)之一.該區(qū)成分由于受到母材和焊材雙重作用，成分和組織極不均勻.在焊接熱輸入50 kJ·cm－1時，熔合線處低溫沖擊吸收功為25 J，沖擊試樣斷口掃描形貌如圖5.

圖5 熔合線位置沖擊試樣斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of impact sample in fusion line

從宏觀斷口圖片中已經(jīng)看不到纖維區(qū)，基本上全是放射區(qū)，表明在裂紋擴展基本上沒有受到阻礙，擴展速度迅速.而對應的微觀斷口形貌上已經(jīng)基本上看不到韌窩狀的形貌，與宏觀斷口和沖擊吸收功試驗值表現(xiàn)一致.微觀斷口為大面積解理斷面和少量的解理臺階，而解理臺階是裂紋在擴展中方向改變時形成的，因此對裂紋擴展也有一定的阻礙作用，但相對于韌窩狀的形貌，阻礙裂紋擴展的效果要低很多.

圖6為熔合線500倍金相組織照片，其組織為粒狀貝氏體，且組織嚴重粗大.在熱輸入為50 kJ·cm－1時，峰值溫度高，高溫停留時間長，熔合線附近區(qū)域奧氏體發(fā)生嚴重粗化，在隨后的冷卻過程中，由于大的熱輸入降低了接頭的冷卻速度，使得熔合線處在中溫停留時間較長，從而導致以中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物粒狀貝氏體大量形成.粗大的粒狀貝氏的低溫韌性非常差，因此表現(xiàn)出來的低溫韌性非常低.

圖6 熔合線位置組織金相形貌Fig.6 Metallographic figures of fusion line

2.2.3 熱輸入對熔合線外2mm韌性的影響［7］

熔合線外2mm處的沖擊吸收功與熔合線處一樣，為25 J.沖擊斷口掃描形貌見圖7.圖8為該位置500倍金相組織照片.

圖7 熔合線外2mm沖擊試樣斷口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of fracture of impact sample in fusion line 2mm

圖8 熔合線外2mm位置組織金相形貌Fig.8 Metallographic figures of fusion line2mm

熔合線外2mm處沖擊宏觀斷口形貌與熔合線處非常相似，基本上看不到纖維區(qū)，全為放射區(qū)，可以推斷裂紋在該區(qū)擴展非常迅速，裂紋擴展吸收的能量極小;微觀斷口形貌為解理斷面和解理臺階，與熔合線處斷口微觀形貌一樣;金相組織為粗大的粒狀貝氏體，與熔合線處母材的金相組織一樣.因為焊接接頭的熱影響區(qū)的寬度是隨著熱輸入的增大而增加的，在熱輸入為50 kJ·cm－1時，焊接接頭的熱影響區(qū)達到4.7～7.9mm.所以在熱輸入為50kJ·cm－1時，熔合線及熔合線2mm處受到熱循環(huán)非常接近，因而導致了兩個區(qū)域在低溫韌性和微觀組織上幾乎沒有區(qū)別.

2.2.4 熱輸入對熔合線外5mm韌性的影響［8，9］

熔合線外5mm處的沖擊吸收功值為202 J.沖擊斷口掃描形貌見圖9.

圖9 熔合線外5mm沖擊試樣斷口SEM形貌Fig.9 SEM morphology of fracture of impact sample in fusion line 5mm

從沖擊斷口掃描形貌圖片中可以看出，宏觀斷口分為纖維區(qū)加放射區(qū)，而且纖維區(qū)的面積較焊縫的明顯要大很多，可見裂紋在擴展時受到了較多的阻礙，擴展緩慢，吸收了大部分沖擊能量，因而在沖擊試驗時，表現(xiàn)出來優(yōu)異的低溫韌性.并且該試樣在沖擊試驗時，是未折斷的.在沖擊斷口微觀形貌上可以看到大量的韌窩與解理臺階，表明裂紋在擴展時路徑非常曲折，裂紋擴展方向多變，在擴展過程消耗很多能量，與沖擊試驗值吻合.

圖10 熔合線外2mm位置組織金相形貌Fig.1 0 M etallographic figures of fusion line 2mm

圖10為該區(qū)微觀組織金相照片，從金相圖片中可以看出，組織非常細小，為鐵素體和細小的碳化物加少量的粒狀貝氏體.該區(qū)應該是焊接接頭中的正火區(qū)，有良好的強度與韌性.表現(xiàn)出來的低溫沖擊吸收功為焊接接頭中最高.

3 結(jié)論

1 )當焊接熱輸入為50 kJ·cm－1時，組織為針狀鐵素體和細小粒狀鐵素體加細小碳化物，具有良好的低溫韌性，－60℃沖擊吸收功110 J;

2 )由于大熱輸入導致焊接接頭熱影響區(qū)較寬，熔合線和熔合線2mm處在微觀組織和沖擊斷口形貌及沖擊吸收功上基本相同，均為粗大的粒狀貝氏體，斷口掃描形貌上大量的解理面，低溫韌性非常差;

3 )熔合線5mm處組織非常細小，為焊接接頭正火區(qū)，具體有良好的韌性，沖擊吸收功為焊接接頭中最高，為202 J，其低溫韌性達到母材性能的88%.

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