CN102873439B

CN102873439B - 一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺

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Publication number: CN102873439B
Application number: CN201210393736.0A
Authority: CN
Inventors: 邓伟; 崔强; 李丽; 车马俊; 吴年春; 尹雨群; 刘朝霞; 李恒坤
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102873439A

Abstract

本发明涉及一种焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，采用与强韧性优良的海洋工程用钢板E36相匹配的焊接材料，母材的下屈服强度ReL360～390MPa，抗拉强度Rm530～560MPa，延伸率A30～45%，-40℃冲击功Akv＞200J；埋弧焊坡口采用对称K型坡口；焊前预热80℃，并对埋弧焊剂进行150℃×2h处理；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，焊缝层间温度为80～200℃。本发明焊接接头具有优良的综合力学性能，实用性强，适合于大型海洋结构及船舶焊接的推广。

Description

一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接领域，特别是涉及一种焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊焊接工艺。

背景技术

随着全球石油天然气能源需求的急剧增长、陆地资源日益枯竭和开采的难度日益加大，广阔的海洋已经成为全球石油天然气资源开采新的增长点，海洋工程装备制造业也日益成为世界各国着力发展的重点领域。我国海洋石油及天然气开发步伐逐步向深海迈进，大型海洋采油平台将会得到迅速发展，对采油平台用钢的厚度规格及强韧性也要求越来越高。

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须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性和可靠性。特别是厚规格的海洋工程用钢板，其焊接接头性能更是难以保证，这给海洋平台的焊接施工带来了困难。

为了适应我国当前对能源战略的迫切需要，开发出强韧性优良的海洋工程用特厚钢板并解决其焊接关键技术，对于完善我国能源体系、独立开发深海油气资源及保证国家能源安全具有重要意义。

由于海洋平台服役环境十分恶劣，除承受重力载荷外，还受到海浪、潮流、台风、季风、温差等海洋环境的影响，这就需要海洋平台用钢的焊接接头具有良好的强度和韧性匹配。为确保海洋平台用钢E36的制造和运行安全，对80mm厚E36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不低于母材，对接接头各部位的低温韧性Akv-40℃≥50J。该技术要求是目前我国海洋结构用钢中最高的，也是世界先进水平。焊接接头的强韧性是由成分及焊接热循环等条件决定的，不同的焊接工艺会导致焊缝和热影响区产生不同的组织，从而得到不同的强韧性能。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，焊缝金属产生粗大的先共析铁素体，而粗晶区产生粗大的粒状贝氏体，这是焊接接头低温冲击韧性降低的主要原因。较小的热输入虽然不会强烈恶化焊接接头的低温韧性，但是小热输入量的焊接效率低。

根据焊接热输入量的计算公式，焊接线能量与焊接电流和电压成正比、与焊接速度成反比，且焊接线能量对焊接速度更敏感。为防止E36海洋工程用钢焊接接头的脆化问题，合理匹配焊接材料、控制焊接热输入量、优化焊接工艺参数是技术关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提出一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，焊接接头强韧性优良，焊后免除热处理，焊接接头力学性能优良和焊接效率较高。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，包括以下步骤：

㈠采用与强韧性优良的海洋工程用钢板E36相匹配的焊接材料，母材的下屈服强度ReL 360～390MPa，抗拉强度Rm 530～560MPa，延伸率A 30～45%，-40℃冲击功Akv＞200J；

㈡坡口型式为对称K型坡口；

㈢埋弧焊接工艺参数：焊前预热，并对埋弧焊剂进行150℃×2h处理，焊接电流450～750A，焊接电压28～34V，焊接速度28～50cm/min，焊接热输入量15～50kJ/cm；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，其焊缝层间温度控制在80～200℃。

本发明进一步限定的技术方案是：

本发明步骤㈠中，选用匹配的焊丝，直径为Φ4mm，抗拉强度大于570MPa，焊剂为880M。步骤㈡中，K型坡口的正面坡口和反面坡口斜边角度均为45°～50°，根部不留钝边，坡口装配间隙为2～3mm。步骤㈢中，焊前预热温度为80℃。

本发明所采用的焊丝化学成分及重量百分比为：C：0.06～0.16%，Mn：0.9～1.4%，Si：0.35～0.75%，S：≤0.03%，P：≤0.03%，Ti：0.03～0.17%，Cu：≤0.35%，余量为Fe及不可避免杂质。

本发明所述焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢焊接接头部位的力学性能为：抗拉强度Rm：≥530MPa，接头侧弯d=3a，180°合格，钢板表层和1/2厚度的焊缝、熔合线及线外2mm、5mm处-40℃冲击功Akv≥50J，焊接接头拉伸试验断裂位置为母材，接头各部位-10℃CTOD特征值>0.50mm。

上述焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢详细的焊接工艺方案制定及理由如下：

⑴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-40℃冲击韧性与母材尽可能匹配，选用埋弧焊丝抗拉强度Rm≥570MPa，所用焊丝化学成分及重量百分比为：C：0.06～0.16%，Mn：0.9～1.4%，Si：0.35～0.75%，S：≤0.03%，P：≤0.03%，Ti：0.03～0.17%，Cu：≤0.35%，余量为Fe及不可避免杂质。

配烧结剂880M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，强韧性兼备；所选用埋弧焊丝配880M焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥470MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功Akv≥47J。

⑵焊接预热温度：

本发明按EN10225-2009附录G标准的规定进行可控热拘束(CTS)试验，用于评价钢材焊接热影响区氢致裂纹敏感性；按API RP 2Z-2005标准进行斜Y坡口焊接裂纹试验(又称小铁研试验)，用于评价对接接头焊接热影响区根部裂纹敏感性；按EN10225-2009附录F标准的规定进行表面堆焊硬度试验，用于评价钢材焊接冷裂纹倾向。通过不预热及不同焊前预热温度的上述试验，确定所用焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢低拘束条件下不预热焊接可防止焊接冷裂纹的产生；高拘束条件下应进行80℃的低温预热。

⑶焊接热输入量：

由于焊接热输入量变化影响焊接热循环过程，从而对焊接接头的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对80mm厚E36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-40℃夏比V型缺口冲击功和-10℃CTOD值进行了测定。结果表明，焊接热输入量在15～50kJ/cm条件下，80mm厚强韧性优良的E36海洋工程用钢埋弧焊焊接接头力学性能：抗拉强度Rm≥542MPa，屈服强度ReL≥368MPa，延伸率A≥32%，-40℃冲击功Akv≥101J，-10℃CTOD特征值＞0.50mm。

本发明的有益效果是：

⑴本发明满足低温条件下焊接接头强韧性优良的80mm特厚E36海洋工程用钢的焊接关键技术。采用合适的焊接材料和焊接工艺能够保证焊接接头强度不低于母材和-40℃冲击韧性远高于50J的高标准设计要求，焊接接头具有优良的强韧性匹配。

⑵本发明实现了大型海洋工程用80mm特厚E36钢板对接接头埋弧焊制造过程焊前低温预热，焊后免除热处理的焊接工艺，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，高效节能，适用于大型海洋工程推广应用。

附图说明

图1是本发明焊接工艺K型坡口型式。

具体实施方式

实施例1

一种焊接接头强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，包括以下步骤：

采用热机械控制轧制(TMCP)+正火生产的强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢，焊接试板组合为80mm+80mm，试板尺寸为900mm（长）×250mm（宽）×80mm（厚）；母材的下屈服强度ReL 370MPa，抗拉强度Rm 530MPa，延伸率A 30%，-40℃冲击功Akv＞200J；

匹配的焊接材料：

焊丝，其化学成分及重量百分比为：C：0.06%，Mn：1.4%，Si：0.35%，S：0.03%，P：0.01%，Ti：0.17%，Cu：0.35%，余量为Fe及不可避免杂质。焊丝直径为Φ4mm，焊丝抗拉强度大于570MPa，匹配焊剂为880M；所选用埋弧焊丝配880M焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥470MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功Akv≥47J。

埋弧焊坡口采用对称K型坡口，正面坡口和反面坡口角度均为45°，根部不留钝边，坡口装配间隙为2mm。

焊接工艺参数：焊前预热温度80℃，焊接电流450A，焊接电压28V，焊接速度50cm/min，焊接热输入量15kJ/cm、焊剂烘焙制度为150℃×2h；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，焊缝层间温度控制在150℃。

实施例2

采用热机械控制轧制(TMCP)+正火生产的强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢，焊接试板组合为80mm+80mm。试板尺寸为900mm（长）×250mm（宽）×80mm（厚）；母材的下屈服强度ReL 380MPa，抗拉强度Rm 550MPa，延伸率A 40%，-40℃冲击功Akv＞200J；

匹配的焊接材料：

焊丝，其化学成分及重量百分比为：C：0.16%，Mn：0.9%，Si：0.75%，S：0.02%，P：0.03%，Ti：0.03%，Cu：0.15%，余量为Fe及不可避免杂质。焊丝直径为Φ4mm，焊丝抗拉强度大于570MPa，匹配焊剂为880M；所选用埋弧焊丝配880M焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥470MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功Akv≥47J。

埋弧焊坡口采用对称K型坡口，正面坡口和反面坡口角度均为50°，根部不留钝边，坡口装配间隙为3mm。

焊接工艺参数：焊前预热温度80℃，焊接电流600A，焊接电压30V，焊接速度28cm/min，焊接热输入量35kJ/cm、焊剂烘焙制度为150℃×2h；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，焊缝层间温度控制在80℃。

实施例3

采用热机械控制轧制(TMCP)+正火生产的强韧性优良的80mm厚E36海洋工程用钢，焊接试板组合为80mm+80mm。试板尺寸为900mm（长）×250mm（宽）×80mm（厚）；母材的下屈服强度ReL 390MPa，抗拉强度Rm 560MPa，延伸率A 45%，-40℃冲击功Akv＞200J；

匹配的焊接材料：

焊丝，其化学成分及重量百分比为：C：0.09%，Mn：1.1%，Si：0.55%，S：0.01%，P：0.01%，Ti：0.10%，Cu：0.05%，余量为Fe及不可避免杂质。焊丝直径为Φ4mm，焊丝抗拉强度大于570MPa，匹配焊剂为880M；所选用埋弧焊丝配880M焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥470MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功Akv≥47J。

埋弧焊坡口采用对称K型坡口，正面坡口和反面坡口角度均为47°，根部不留钝边，坡口装配间隙为2.5mm。

焊接工艺参数：焊前预热温度80℃，焊接电流750A，焊接电压34V，焊接速度30cm/min，焊接热输入量50kJ/cm、焊剂烘焙制度为150℃×2h；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，焊缝层间温度控制在200℃。

经过上述实施例1～3的焊接方法对80mm厚E36海洋工程用钢进行埋弧焊焊接后，对焊接接头的力学性能进行检测。焊接接头的拉伸和侧弯性能如表1所示，冲击性能如表2所示，CTOD特征值如表3所示。

表1 焊接接头的拉伸及侧弯性能

表2 焊接接头的冲击性能

表3 焊接接头的CTOD性能

可见，实施例1～3得到的焊接接头的综合力学性能优良，达到了良好的强韧性匹配。下屈服强度ReL≥368MPa，抗拉强度Rm≥562MPa，延伸率A≥32%，-40℃冲击功平均值Akv≥101J，-10℃CTOD特征值≥0.54mm。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：

㈡坡口型式为对称K型坡口；

㈢埋弧焊接工艺参数：焊前预热，焊前预热温度为80℃，并对埋弧焊剂进行150℃×2h处理，焊接电流450～750A，焊接电压28～34V，焊接速度28～50cm/min，焊接热输入量15～50kJ/cm；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，其焊缝层间温度控制在80～200℃；

所述步骤㈠中，焊丝化学成分及重量百分比为：C：0.06～0.16%，Mn：0.9～1.4%，Si：0.35～0.75%，S：≤0.03%，P：≤0.03%，Ti：0.03～0.17%，Cu：≤0.35%，余量为Fe及不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：所述步骤㈡中，K型坡口的正面坡口和反面坡口斜边角度均为45°～50°，根部不留钝边，坡口装配间隙为2～3mm。

3.如权利要求1所述的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：所述步骤㈠中，选用匹配的焊丝，焊丝直径Φ4mm，焊丝抗拉强度大于570MPa，焊剂为880M。

4.如权利要求3所述的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：所选用埋弧焊丝配880M焊剂熔敷金属的力学性能：抗拉强度≥570MPa，屈服强度Rp0.2≥470MPa，延伸率A≥31%，-60℃冲击功Akv≥47J。

5.如权利要求1所述的80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：焊接接头部位的力学性能为：抗拉强度Rm：≥530MPa，接头侧弯d=3a，180°合格，钢板表层和1/2厚度的焊缝、熔合线及线外2mm、5mm处-40℃冲击功Akv≥50J，焊接接头拉伸试验断裂位置为母材，接头各部位-10℃CTOD特征值>0.50mm。