大型浮式起重机臂架Q690E 高强钢的FCAW 焊接工艺

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25mm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4500t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MATERIALPROCESS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（≤5ml/100g）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AWSD1.1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25mm×200mm×600mm，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6mm，采用钢衬垫，衬垫材料为A709-50-2，厚度10mm。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1.0～1.2kJ/mm、1.3～1.5kJ/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1.2mm，保护气为CO2。焊前需将坡口表面及两侧20mm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7TWE-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AWSD1.1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63.5mm，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＋1mm）。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1.3～1.5kJ/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≥46J。


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1.3～1.5kJ/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46J（-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1.3～1.5kJ/mm。3）焊后立即在230℃后热1h，厚度每增加25mm，保温时间就增加1h。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。