CN102049599A

CN102049599A - 一种超高强海洋结构用钢板f460z埋弧焊接方法

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Publication number: CN102049599A
Application number: CN 201110002615
Authority: CN
Inventors: 邱红雷; 李丽; 张显辉; 楚觉非; 王端军; 王徐; 李定金; 刘朝霞
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102049599B

Abstract

本发明公开了一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，采用与超高强海洋结构用钢板F460Z相匹配的焊接材料，抗拉强度Rm570～720MPa，屈服强度ReH≥460MPa，延伸率≥17%，－60℃冲击功AKv达到285J～303J的高强钢，且焊接材料厚度与钢板厚相同；埋弧焊坡口采用对称双边U型坡口；焊接工艺参数：焊前预热，焊接电流450～700A，电弧电压30～32V，焊接速度30～50cm/min、焊接热输入量15～48KJ/cm、焊剂烘焙制度为350℃×2h；对厚度为40mm+40mm组合钢板埋弧焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，其焊缝层间温度控制在80℃～200℃。本发明接头具有优良的综合力学性能，焊缝具有优良的低温冲击韧性，实用性强、焊接操作简便、高效节能，适用于大型海洋结构及船舶推广应用。

Description

一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接领域，特别是涉及一种超高强海洋结构用钢埋弧焊焊接方法。

背景技术

随着我国海洋石油及天然气开发步伐向深海的不断迈进，大型海洋采油平台得到了迅速发展，对海洋采油平台用钢的规格及强度韧性要求越来越高，传统钢材已经不能满足这种要求，采用高强度高韧性的钢材势在必行。海洋采油平台在开发油气田工程中起着支撑所有设备及井架的作用，属于持续承受重压的大型构件，其重要性不言而喻。同时，海洋采油平台的工作条件也很苛刻，服役时间跨越四季，工作环境温差变化较大，在冬季更要经受低温的考验。随着钢材强度的提高，对钢材的焊接质量要求也随之提高，焊接是海洋结构用钢必需经历的一个重要的工艺过程，焊接接头是海洋结构的重要组成部分，其质量直接影响到海洋结构的使用安全可靠性。如果采油平台的焊接质量不过关，其后果不堪设想。要获得质量良好的焊接接头，必须解决高强度海洋结构的焊接关键技术。

为适应大型海洋结构建造需要及改善焊接性能，南京钢铁联合公司采用Nb和Ti等多元（微）合金化技术，大幅度降低碳含量，并借助于控轧控冷技术，利用细化晶粒强化、位错强化、析出强化和相变强化效果，研发生产的超高强海洋结构用钢板F460Z，实物水平抗拉强度Rm为630MPa，屈服强度ReH为500MPa，－60℃冲击功AKv达到285J，使钢达到极佳的强韧性匹配。

由于采用多元（微）合金化技术，F460Z的碳含量为0.06%，碳当量Ceq为0.42%，焊接氢致裂纹敏感性及焊接热影响区的性能恶化程度也随之降低，但由于海洋平台服役环境十分恶劣，除承受重力载荷处，还受到海浪、潮流、海冰、台风、季风等海洋环境因素的影响，这就需要海洋结构用钢焊接接头具有更高的韧性、更细的晶粒、更低的硫含量和较低的硬度，以提高焊接接头的抗裂性能，另外随着强度级别的提高，板厚的加大，海洋结构用钢冷裂纹倾向将增加。采用焊条电弧焊、药芯焊丝气保焊等焊接方法，所用焊接材料含氢量较高，焊接热输入量小，冷却速度快，会增加冷裂纹的敏感性，需要采取必要的焊接措施，如焊前预热等。

为确保高强度海洋结构用钢F460Z制造和运行安全，对F460Z钢焊接接头的力学性能要求严格。焊接接头的拉伸性能要求与母材基本相当；对接接头各部位的低温韧性Akv-60℃≥46JJ。该技术要求是目前我国海洋结构用钢中要求最高的，也是世界先进水平。众所周知，焊缝金属存在铸态组织，其强韧性主要由焊缝成分及焊接热循环等条件决定。这特点就决定了焊缝金属无论在成分上还是在组织结构上不可避免地与基材存在着一定的差异。焊缝金属组织结构显著影响焊接接头的完整性及性能。对于弧焊焊缝，焊缝金属合金含量、焊接方法及工艺是影响焊缝金属组织的主要影响因素，其中，焊缝金属合金含量起主导影响作用。合金元素Ni、Mo、Cr等元素对焊缝均有强化作用，同时在一定含量范围内有助于减少焊缝的先共析铁素体含量，从而提高焊缝的韧性。通过焊接材料对焊缝进行微合金化(Ti、B)，使焊缝获得细针状铁素体。细针状铁素体组织细小，无方向性排列，它既可增加焊缝强度，又可提高焊缝韧性，并具有优良的止裂性能。不同的焊接工艺如不同热输入量也会导致焊缝中产生不同的组织结构。焊接热输入量是影响焊接接头低温冲击韧性的关键。在较大焊接热输入条件下，焊缝金属产生粗大先共析铁素体、过热区产生粗大粒状贝氏体是焊接接头低温冲击韧性降低的主要原因，使接头性能下降到一个相对低的水平，往往是造成海洋结构产生断裂、诱发空难性事故的根源。

为防止F460Z焊接时焊缝金属脆化问题，合理匹配焊接材料、控制焊接热输入量的范围以保证焊接接头的各项力学性能满足上述技术要求是技术关键之一。为了在海洋平台实际建造过程中，兼顾高性能与高效率，使质量与成本达到合理的平衡，需要在焊接方法上进一步探索，针对F460Z钢特定的成分范围和技术条件，解决该钢的焊接热输入量适应性问题及相关的工艺问题。具体包括以下几个方面：

1.确定该钢焊前预热制度以避免接头部位产生冷裂纹；

2.确定该钢焊接热影响区－60℃冲击功≥47J的焊接热输入量控制范围；

3.针对该钢的接头形式和板厚，提出合理的坡口形式和焊接方法；

4.针对该钢焊接接头综合力学性能的要求，坡口形式和焊接方法，选用合适的焊接材料；

5.针对该钢及接头形式、坡口形式和焊接方法，提出合理的焊接工艺参数。

由此可见，超高强海洋用钢运用于海洋平台等大型结构的建造，符合海洋平台向高参数化发展方向，所涉及到的焊接工艺方法是确保海洋平台用钢板F460Z的焊接关键技术问题，使焊接接头的性能能够满足高标准的设计要求，同此确保了大型海洋结构的使用安全。

发明内容

解决目前超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接所存在的问题，本发明的目的是提供一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，该埋弧焊焊接方法采用与超高强海洋结构用钢板F460Z相匹配的材料，施焊前低温预热，焊后不进行热处理，能够保证焊接接头-60℃冲击韧性大于46J的高标准设计要求，焊接接头具有优良的接头综合性能，焊缝具有优良的低温冲击韧性，接头三区具有较高的冲击韧性储备及安全富裕度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于该埋弧焊接方法包括以下步骤：

1）采用与超高强海洋结构用钢板F460Z相匹配的焊接材料，抗拉强度Rm 570～720MPa，屈服强度ReH ≥460MPa，延伸率≥17%，－60℃冲击功AKv达到285J～303J的高强钢，且焊接材料厚度与钢板厚相同；

2）埋弧焊坡口采用对称双边U型坡口；

3）焊接工艺参数：焊前预热，焊接电流450～700A，电弧电压30～32V，焊接速度30～50cm/min、焊接热输入量15～48KJ/cm、焊剂烘焙制度为350℃×2h；对厚度为40mm+40mm组合钢板埋弧焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，其焊缝层间温度控制在80℃～200℃。

本发明步骤1）中，选用匹配的焊丝，焊丝抗拉强度大于570MPa，焊剂为8500,焊丝直径为Φ4mm。步骤2）中，U型坡口角度为25??，根部圆弧半径为8mm，钝边尺寸为2mm～6mm。步骤3）中，焊前预热温度为60℃。

本发明所采用的焊丝化学组分及重量百分比为：C：≤0.12％，Mn：≤1.60％，Si：≤0.80％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，Ni：0.70～1.10％，Mo：≤0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明中，所述超高强海洋结构用钢F460Z的化学组分及重量百分比为：C：0.04～0.07％，Mn：1.45～1.55％，Si：0.10～0.20％，P：≤0.010％，S：≤0.002％， Nb ：0.020～0.030％，Ti：≤0.02％，Ni：0.30～0.40％，Cr：≤0.25％，Mo：≤0.25％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述钢的碳当量Ceq≤0.42%，所述超高强海洋结构用钢F460Z的焊接接头部位的力学性能为：抗拉强度Rm：630MPa，接头侧弯d=3a，180?? 合格，母材、焊缝金属、热影响区熔合线及其线外2mm、5mm处-60℃冲击功AKv≥46J，焊接接头拉伸试验断于基材。

本发明中，为避免焊接接头部位产生冷裂纹的焊前预热条件，40mm厚度的F460Z钢在环境温度不低于20℃时，中等拘束条件下（如普通联系焊缝、角焊缝等）不预热焊接可以防止焊接冷裂纹的产生；高拘束条件下（如定位焊、对接焊根部焊道、补焊等）应进行60℃的低温预热。

上述超高强海洋结构用钢F460Z详细焊接工艺方案制订的理由如下：

（1）焊接预热温度

本发明按照GB9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》及GB4675.1 《斜Y坡口焊接裂纹试验》中规定的条件，研究了一种板厚为40mm的超高强海洋结构用钢F460Z室温（20℃）不预热及不同焊前预热温度、不同严格拘束条件下产生焊接冷裂纹的敏感性。其中试验用F460Z的化学组分及重量百分比为：C：0.06％，Mn：1.45％，Si：0.14％，P：0.005％，S：0.001％， Nb ：0.025％，Ti 0.01％，Ni：0.30％，Cr：0.20％，Mo： 0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质；试验采用气体保护焊工艺，焊丝采用直径为Φ1.2mm、ER55-G、保护气体为80％Ar＋20％CO2。结果表明，规格为40mm厚的F460Z钢板等拘束条件下（如普通联系焊缝、角焊缝等）不预热焊接可以防止焊接冷裂纹的产生；高拘束条件下（如定位焊、对接焊根部焊道、补焊等）应进行60℃的低温预热。

（2）焊接材料

针对所述钢，在选用焊接材料时，首先考虑的是焊缝金属的强度和-60℃冲击韧性与基材尽可能匹配，选用埋弧焊丝抗拉强度Rm≥570MPa，所采用焊丝化学组分及重量百分比为：C：≤0.12％，Mn：≤1.60％，Si：≤0.80％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，Ni：0.70～1.10％，Mo：≤0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质，配烧结焊剂8500作为焊接材料，形成的焊缝金属纯净度较高，且焊缝组织以细小的针状铁素体为主，强韧性兼具；所选用埋弧焊丝配8500焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度Rm≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥490MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功AKv≥46J。

（3）焊接热输入量

由于焊接热输入量变化将影响焊接热循环过程，由此将对焊接接头焊缝金属和热影响区的组织和力学性能带来影响。本发明研究了不同焊接热输入量条件下对板厚为40mm的超高强海洋结构用钢F460Z埋弧焊对接接头力学性能的影响，分别对焊接接头焊缝金属的拉伸性能、焊接接头各部位-60℃夏比V型缺口冲击功进行了测定和分析。试验用焊接材料为：埋弧焊丝抗拉强度Rm：590MPa，焊丝直径Φ4.0mm，焊剂S101G；所采用焊丝化学组分及重量百分比为：C：0.07％，Mn：1.17％，Si:0.17％，P：0.010％，S：0.005％，Ni：0.92％，Mo：0.21％,余量为Fe及不可避免的杂质。结果表明，焊接热输入量在15～48KJ/mm条件下，40mm厚的超高强海洋结构用钢F460Z埋弧焊对接接头力学性能焊缝金属抗拉强度Rm≥570 MPa，屈服强度ReH≥460 MPa，伸长率A≥20%，接头侧弯d=3a，180?? 合格，焊缝金属、熔合区、热影响区熔合线外2mm及5mm处-60℃冲击功AKv≥46J。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明满足低温条件下大厚度超高强海洋结构用钢F460Z的焊接关键技术。采用研究确定的焊接材料和焊接工艺能够保证焊接接头-60℃冲击韧性满足大于46J的高标准设计要求，埋弧焊对接接头抗拉强度、接头三区冲击功达到较高水平，接头具有优良的低温冲击韧性及安全储备；

2、在深入分析含F460Z焊接冶金特性的基础上，合理控制焊接热输入范围，选择匹配焊接材料以保证焊接接头的各项力学性能满足上述技术要求。采用降C增Mn并控制S、P、Al等杂质含量及O、N气体元素含量，采用Ni、Ti等（微）合金元素化技术，抑制焊缝金属中先共析铁素体组织，促进针状铁素体组织产生，攻克了F460Z焊接时焊缝脆化的技术关键。

3、本发明实现了大型海洋采油平台用钢F460Z对接接头厚板结构制造过程焊前低温预热，焊后不进行热处理的焊接工艺，在实施过程中，可以达到焊接接头力学性能优良和焊接效率较高二者兼顾的效果，实用性强、焊接操作简便、高效节能，适用于大型海洋结构及船舶推广应用。

本发明适用于屈服强度大于460MPa高强海洋结构用钢F460Z对接埋弧焊接中。

附图说明

图1为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头焊缝部位微观组织；

图2为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响粗晶区微观组织；

图3为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响正火区微观组织；

图4为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响不完全相变区微观组织；

图5为焊接厚板组合40mm+40mm的埋弧焊坡口示意图。

具体实施方式

实施例

一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，包括以下步骤：

采用热机械控轧控冷轧制工艺（TMCP）生产的屈服强度在≥4600MPa级的低超高强海洋结构用钢F460Z，厚板组合为40mm+40mm。试板尺寸为600mm×400mm×40mm；

匹配的焊接材料：

焊丝，其化学组分及重量百分比为：C：0.07％，Mn：1.17％，Si:0.17％，P：0.010％，S：0.005％，Ni：0.92％，Mo：0.21％,其余为Fe及不可避免的杂质。焊丝直径为Φ4mm，并与烧结焊剂8500匹配进行焊接；

埋弧焊坡口采用对称双边U型坡口，坡口角度为25??，根部圆弧半径为8mm，钝边尺寸为2mm；

焊接工艺参数：焊前预热60℃，焊接电流450A，电弧电压30V，焊接速度50cm/min、焊接热输入量15KJ/cm、焊剂烘焙制度为350℃×2h；对厚度为40mm+40mm组合钢板埋弧焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，其焊缝层间温度控制在80℃～200℃。

经对采用上述焊接方法焊接的低温风塔用钢板S355NL对接接头力学性能检测，其接头力学性能为：抗拉强度Rm：654MPa，断裂位置：基材，接头冷弯d=3a，180?? 合格，焊缝金属-60℃冲击功AKv：127J，热影响区熔合线处-60℃冲击功AKv：136J, 热影响区熔合线外2mm处-60℃冲击功AKv：308J，热影响区熔合线外5mm处-60℃冲击功AKv：313J。

实施例2

又一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，包括以下步骤：

匹配的焊接材料：

埋弧焊坡口采用对称双边U型坡口，坡口角度为25??，根部圆弧半径为8mm，钝边尺寸为6mm；

焊接工艺参数：焊前预热60℃，焊接电流700A，电弧电压32V，焊接速度30cm/min、焊接热输入量48KJ/cm、焊剂烘焙制度为350℃×2h；对厚度为40mm+40mm组合钢板埋弧焊对接接头采用多层多道连续施焊，直至焊缝填满为止，其焊缝层间温度控制在80℃～200℃。

经对采用上述焊接方法焊接的低温风塔用钢板S355NL对接接头力学性能检测，其接头力学性能为：抗拉强度Rm：645MPa，断裂位置：基材，接头冷弯d=3a，180?? 合格，焊缝金属-60℃冲击功AKv：76J，热影响区熔合线处-60℃冲击功AKv：121J, 热影响区熔合线外2mm处-60℃冲击功AKv：162J，热影响区熔合线外5mm处-60℃冲击功AKv：267J。

图1为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头焊缝部位微观组织；图2为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响粗晶区微观组织；图3为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响正火区微观组织；图4为热输入量为48KJ/cm时F460Z焊接接头热影响不完全相变区微观组织；图5为焊接厚板组合40mm+40mm的埋弧焊坡口示意图。

本发明采用与超高强海洋结构用钢板F460Z相匹配的焊接材料，施焊前低温预热，焊后不进行热处理，能够保证焊接接头-60℃冲击韧性大于46J的高标准设计要求，焊接接头具有优良的接头综合性能，焊缝具有优良的低温冲击韧性，接头三区具有较高的冲击韧性储备及安全富裕度。本发明解决了采用屈服强度大于460MPa级埋弧焊丝焊接F460Z钢，与高韧性的基材相比，焊缝金属-60℃低温韧性指标相差太大及焊接时产生冷裂纹的问题。

Claims

1.一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于该埋弧焊接方法包括以下步骤：

2）埋弧焊坡口采用对称双边U型坡口；

2.根据权利要求1所述的超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于：步骤1）中，选用匹配的焊丝，焊丝抗拉强度大于570MPa，焊剂为8500,焊丝直径为Φ4mm。

3.根据权利要求1所述的超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于：步骤2）中，U型坡口角度为25??，根部圆弧半径为8mm，钝边尺寸为2mm～6mm。

4.根据权利要求1所述的超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于：步骤3）中，焊前预热温度为60℃。

5.根据权利要求1所述的超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于：所采用的焊丝化学组分及重量百分比为：C：≤0.12％，Mn：≤1.60％，Si：≤0.80％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，Ni：0.70～1.10％，Mo：≤0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质。