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  • 专辑

    • 超大线能量焊接用EH36厚钢板的开发及其焊接试验

    • Development of EH36 Thick Plate for Large Heat-input Welding and its Welding Properties

    • 曲之国

      ，

      王东明

      ，

      赵和明

      ，

      杨海峰

      ，

      张友建

      ，

      王立志

    • 2024年54卷第2期 页码：37-43   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.02.06     

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  • 曲之国，王东明，赵和明，等.超大线能量焊接用EH36厚钢板的开发及其焊接试验［J］.电焊机，2024，54（2）：37-43. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.02.06.
    QU Zhiguo, WANG Dongming, ZHAO Heming, et al.Development of EH36 Thick Plate for Large Heat-input Welding and its Welding Properties[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(2): 37-43. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.02.06.
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    摘要

    在大型建筑、桥梁、造船、重型机械等领域，经常需要焊接厚钢板，使用常规的焊接方法可能会遇到焊接效率低下、焊接质量不稳定等问题。开发了一种大线能量焊接用的EH36钢板（厚80 mm），并采用线能量532 kJ/cm的双丝气电立焊进行超大线能量焊接试验。结果表明，经过大线能量焊接热循环后，粗晶热影响区不可避免地出现了粗化问题，原奥氏体平均晶粒尺寸为312 μm，通过均匀分布的复合氧化物夹杂诱导，晶内可形成针状铁素体为主+少量侧板条铁素体的组织类型，使粗晶区能够获得较理想的韧性水平。其中，在-20 ℃条件下，钢板厚度中心熔合线冲击功为70~269 J，均值为179 J；在-40 ℃条件下，钢板厚度中心熔合线冲击功为50~216 J，均值为115 J。焊接接头各位置冲击性能良好，满足EH36钢板对焊接接头冲击性能的要求。

    译

    Abstract

    In the fields of large-scale construction, bridges, shipbuilding, and heavy machinery, welding of thick steel plates is often required, and problems such as low welding efficiency and unstable welding quality may be encountered using conventional welding methods. An EH36 steel plate (80 mm thick) for large wire energy welding was developed, and a large wire energy welding test was carried out by using dual-wire gas-electric riser welding with 532 kJ/cm heat-input. The results show that after the large wire energy welding thermal cycle, the coarse grain heat-affected zone is inevitably coarsened, the average grain size of the original austenite is 312 μm, and through the uniform distribution of the composite oxide inclusions induced, the intracrystalline can be formed into the organization type of acicular ferrite dominated + a small amount of lateral lath ferrite, so that the coarse grain zone can obtain a more desirable level of toughness. Among them, under the condition of -20 ℃, the fusion line impact work of steel plate thickness center is 70~269 J, with an average value of 179 J; under the condition of -40 ℃, the fusion line impact work of steel plate thickness center is 50~216 J, with an average value of 115 J. The impact performance of welded joints is good in all positions, which meets the requirements of impact performance of welded joints of EH36 steel plate.

    译

    关键词

    大线能量焊接; EH36钢板; 双丝气电立焊; 冲击功; 氧化物夹杂

    译

    Keywords

    large heat-input welding; EH36 steel; double wire gas electric vertical welding; impact energy; oxide inclusion

    译

    0 引言

    焊接是钢结构最主要的连接方式。对于厚钢板来说，为保证焊接接头质量，传统的结构用钢一般都需要严格控制焊接线能量、焊道布局、层间温度等，这在一定程度上限制了焊接作业效率，从而降低了制造企业的生产效能［

    1-2］。特别是近些年随着国内外造船及海洋工程的不断发展，海洋工程应用的钢板厚度不断增加，越来越多的造船企业从提高生产效率和制造质量的角度对钢板所适用的焊接线能量提出了更高要求［3］。我国作为钢铁生产大国和钢结构制造大国，在焊接线能量＞400 kJ/cm的高效焊接用厚钢板领域还落后于日本、韩国等国家。其中日本企业在该领域优势明显，EH40船板焊接热输入可达到680 kJ/cm［4］，屈服强度490 MPa的石油储罐钢板最大热输入可达到400 kJ/cm［5］；Q690GJC级高建钢最大热输入可达到400 kJ/cm［6］；韩国浦项EH40钢板最大线能量达到350 kJ/cm［1］。此类钢板的开发和应用，使下游制造企业竞争力大幅提升。国内的宝钢［7］、沙钢［8］、河钢［9］等也相继开发了适于大线能量焊接的厚钢板，但是无论是在适于的线能量还是钢板应用厚度方面，与国外先进水平相比均存在一定的差距。因此，有必要持续对工业试制的厚钢板的超大线能量焊接性能进行研究。
    译

    本文采用氧化物冶金处理方式试制80 mm厚EH36大线能量焊接用钢板，并对其进行焊接试验研究，分析其在超大线能量焊接（实际焊接线能量超过500 kJ/cm，双丝气电立焊）条件下的性能变化，对焊接接头力学性能进行检验并分析了钢板在超大线能焊接条件下性能变化的原因，以便为此类钢板的工业应用提供试验支持，通过研究提高我国在高效焊接用厚钢板领域的生产技术水平，提升国内制造企业的竞争力。

    译

    1 大线能量焊接用EH36厚板的开发

    1.1 试验钢冶炼及过程控制

    试验钢采用氧化物冶金处理方式进行生产，工艺流程为：KR预处理→转炉→LF精炼→RH真空处理→328 mm断面连铸。其中转炉出钢后采用Si、Mn弱脱氧，LF炉调温并控制过程铝质脱氧剂的添加，在钢中自由氧调整至适当范围后，采用含Mg复合脱氧剂进行终脱氧。

    译

    终脱氧后造白渣脱硫并控制钢中总Al含量不超过0.01%，LF精炼结束后炉渣w（FeO+MnO）≤1.5%，调整合金至目标成分。RH处理高真空时间≥15 min，破空后喂入钙线并软吹一定时间，连铸过程控制中间包过热度25±5 ℃，坯料中心偏析≤C类2.0级。冶炼钢化学成分如表1所示。

    译

    表1  EH36化学成分范围（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition range of EH36 （wt.%）
    CSiMnPS
    0.06 0.16 1.49 0.009 0.002
    AltTiVCr+Mo+Ni+CuCEpcm
    ≤0.01 0.014 0.024 0.65 ≤0.21
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    采用牛津AZTEC夹杂物自动分析软件对钢中夹杂物（尺寸≥0.5 μm）在不同工序时的变化情况进行分析，具体结果见表2。由表2可知，钢中夹杂物密度除喂Ca线后略有增加外，其余均随冶炼过程的进行而降低，表明部分夹杂物在冶炼过程中上浮被炉渣捕获而去除；钢中夹杂物平均等效直径基本保持稳定，未随着冶炼过程进行而出现聚集长大的情况。经过能谱分析，钢中夹杂物以CaO-MgO-Al2O3系夹杂为主。

    译

    表2  钢中夹杂物演变情况
    Table 2  Evolution of inclusions in steel
    工序

    夹杂物密度

    /（个·mm-2）

    平均等效直径

    /μm

    夹杂物面积比

    /%

    RH进站 142 2.65 0.12
    喂Ca线后 152 2.45 0.084
    软吹后 108 2.38 0.068
    成品 95 2.42 0.062
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    1.2 钢板轧制及力学性能

    试验钢板在5 m宽的厚板轧机进行轧制，控制加热温度在1 200~1 260 ℃之间，钢坯在炉时间≥300 min，轧制过程采用严格的二阶段控温轧制，粗轧展宽后道次压下率≥15%，精轧终轧温度≤830 ℃，轧后采用超快冷+ACC冷却相结合的模式进行控冷，控制钢板返红温度≤420 ℃。检验钢板力学性能是否满足标准要求，无论1/4t还是1/2t位置钢板的-40 ℃冲击功均≥250 J，-60 ℃冲击功则均≥180 J，说明试验的80 mm EH36钢板厚度方向性能均匀，较标准要求具有较大的余量。具体见表3。

    译

    表3  试验钢板力学性能
    Table 3  Mechanical properties of experimental steel plates
    性能

    屈服强度

    /MPa

    抗拉强度

    /MPa

    伸长率

    /%

    -40 ℃

    冲击功/J

    -60 ℃

    冲击功/J

    1/4t 387 517 26 373、355、371 216、207、236
    1/2t 378 501 26 271、271、330 195、221、185
    标准要求 ≥355 ≥490 ≥21 ≥50 —
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    80 mm EH36钢板1/4t位置组织类型为准多边形铁素体+少量珠光体，如图1所示。由于钢板较厚，受冷速及实际返红温度影响，钢板1/2t位置出现一定比例的多边形铁素体，并且珠光体的数量及珠光体团的尺寸均显著增加，组织细化程度较1/4t略差。

    译

    fig
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    图1  80 mm EH36钢板组织

    Fig.1  80 mm EH36 steel plate structure

    2 80 mm厚EH36钢板的大线能量焊接性能研究

    2.1 双丝气电立焊实焊

    对钢板取样进行大线能量焊接试验，取样方向为垂直轧制方向，取样尺寸为250 mm×1 000 mm。焊接方法为双丝气电立焊，焊接小车采用韩国格威德双丝气电立焊小车，该小车采用双枪同步运动的模式控制焊丝在钢板厚度方向的位置，焊接电源为松下电源，平特性，额定输出电流为600 A。实际焊接过程中采用V形坡口双丝单道次一次焊满，其中钢板根部组对间隙10 mm，坡口角度14°，面侧采用水冷铜滑块，跟侧采用水冷铜衬垫，使熔池两侧均能达到强制成形的效果。焊接坡口及焊枪布置如图2所示。

    译

    fig

    图2  焊接坡口及焊枪布置示意

    Fig.2  Schematic diagram of welding groove and welding gun layout

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    采用双丝气电立焊专用的inlinegraphic1.6 mm药芯焊丝（进口），焊前不预热，实际焊接长度970 mm，一道次成形用时32.75 min，总焊接线能量为532 kJ/cm。具体焊接参数如表4所示。

    译

    表4  焊接参数
    Table 4  Welding parameters
    位置

    电流

    /A

    电压

    /V

    焊接速度

    /（cm·min-1）

    热输入量

    /（kJ·cm-1）

    		停留时间（前）/s停留时间（后）/s

    摆动幅度

    /mm

    跟侧 370 36 2.962 269.8 1.0 0.9 50
    面侧 360 36 2.962 262.5 1.0 0.9 50
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    焊缝实际成形情况如图3所示，试验焊缝超声波探伤结果达到GB/T 11345—2013标准规定。焊接接头宏观酸蚀形貌如图4所示，未发现咬边、气孔、裂纹等内外部缺陷。

    译

    fig

    图3  焊道双面成形情况

    Fig.3  Double sided forming of weld bead

    （a）面侧　　　　　　　　（b）跟侧

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    fig

    图4  对接接头断面宏观酸蚀形貌

    Fig.4  Macro acid corrosion morphology of butt joint cross-section

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    2.2 焊接接头性能分析

    2.2.1 拉伸试验接头性能

    按GB/T2652—2008规定取4个横向拉伸焊接接头测试其拉伸强度，抗拉强度为500~523 MPa之间，满足标准490 MPa的下限要求，且有较好的裕量，拉伸断裂位置在母材。

    译

    表5  对接接头拉伸试验结果
    Table 5  Tensile test results of butt joints
    钢板位置试样编号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断裂位置
    EH40

    试板

    底部

    		面侧 386 510 母材
    跟侧 387 523 母材

    试板

    上部

    		面侧 376 500 母材
    跟侧 383 509 母材
    标准要求 ≥490 母材
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    fig

    图5  对接接头拉伸试验照片

    Fig.5  Photo of tensile test for butt joint

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    2.2.2 冲击试验接头性能

    按照GB/T2650—2008规定，对接头面侧、厚度中心、跟侧的焊缝、熔合线及熔合线外不同位置取冲击试样进行-20 ℃和-40 ℃冲击试验，不同位置冲击功均值趋势如图6所示，具体数值如表６所示。由上述结果可知，在大线能量焊接条件下，焊接接头各位置冲击性能良好，满足EH36钢板对焊接接头冲击性能的要求。

    译

    fig
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    图6  不同位置冲击功均值趋势

    Fig.6  Trend of average impact energy at different positions

    表6  对接接头冲击试验结果
    Table 6  Impact Test Results of Butt Joint
    位置

    -20 ℃

    冲击功/J

    均值

    /J

    -40 ℃

    冲击功/J

    均值

    /J

    面侧 焊缝 129~146 138 90~138 111

    熔合线及以

    外各位置

    		≥200 — ≥121 ≥150

    厚度

    中心

    		焊缝 62~104 77 68~81 72
    熔合线 70~269 179 50~216 115
    热影响区 ≥150 — ≥100 —
    跟侧 焊缝 137~147 144 122~129 126

    熔合线及熔合

    线+2 mm位置

    		≥200 — ≥150 —
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    2.2.3 侧弯性能

    按照GBT2653—2008规定在试板底部、上部分别取2个侧弯试样，按照D=4a进行冷弯，弯曲后拉伸面均无裂纹产生。弯曲后试样形貌如图7所示。

    译

    fig

    图7  接头侧弯试样形貌

    Fig.7  Morphology of joint side bending specimen

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    2.2.4 硬度

    按照GB/T2654—2008规定，参照图8的形式对接头不同位置进行HV10硬度检测。接头硬度结果如表7所示。可见，焊接接头硬度满足≤350 HV10的标准要求，其中焊缝硬度最高，为228~246 HV10，热影响区硬度最低，为151~176 HV10。

    译

    fig

    图8  焊接接头硬度检测示意

    Fig.8  Schematic diagram of hardness testing for welded joints

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    表7  焊接接头硬度（HV10）
    Table 7  Hardness of welded joints （HV10）
    位置基体热影响区
    面侧 193.5，183.4，183.8 151.2，160.5，174.6
    厚度1/2 187.5，172.6，182.3 168.9，165.3，170.6
    跟侧 199.9，186.5，183.9 152.0，157.0，176.2
    位置熔合线焊缝
    面侧 186.2，194.9，196.9 229.5，233.8，231.0
    厚度1/2 193.8，190.5，201.4 228.9，241.0，246.9
    跟侧 199.2，197.6，196.9 233.4，238.0，235.7
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    3 讨论分析

    焊接接头各位置典型组织形貌如图9所示。其中焊缝为典型的针状铁素体+少量珠光体+少量粒贝的组织类型（见图9a），晶粒均匀细小，为获得优异的焊缝韧性奠定了基础。由于热输入较大，熔池高温停留时间长，导致整个焊接接头的热影响区宽度较大，约为15~20 mm。其中从熔合线至过热区之间的粗晶热影响区宽度约为1.5~2 mm，由于双丝气电立焊热输入达到532 kJ/cm，熔合线附近粗晶热影响区的最高温度将达到1 350~1 500 ℃且停留时间较长，导致粗晶热影响区的奥氏体晶粒存在急剧长大的问题，相变后沿原奥氏体晶界析出的先共析铁素体能够清楚地勾勒出粗大奥氏体的形态，如图9c、9d所示，采用金相显微镜人工测量的方式统计从熔合线至熔合线+1 mm范围内100个粗晶区原奥氏体晶粒尺寸，奥氏体晶粒尺寸分布在150~420 μm范围内，平均为312 μm。至熔合线+2 mm位置这种奥氏体异常长大的情况明显减少，相变后组织转变为铁素体+珠光体为主的组织，仅存在少量奥氏体转变为侧板条铁素体或针状铁素体的情况，如图9d所示。随着距熔合线距离的继续增加，热影响区的最高温度逐步降低，相变后组织转变为相对较均匀的铁素体+珠光体组织，且晶粒也逐步细化 ，对应区域硬度较母材大幅降低、冲击韧性则显著提升，如图9e、9f所示。至熔合线+12 mm位置则处于临界区，由于温度较低仅发生部分奥氏体化，至熔合线+15 mm位置则完全处于回火区，仅发生母材组织的回复及板条组织合并长大等，具体见图9g~9h。

    译

    fig
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    图9  焊接接头典型组织形貌

    Fig.9  Typical microstructure of welded joints

    fig
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    图10  粗晶热影响区显微组织

    Fig.10  Microstructure of Coarse Grain Heat Affected Zone

    熔合线附近粗大的原奥氏体晶粒尺寸是导致粗晶热影响区成为整个焊接接头韧性最薄弱区域的根本原因［

    10］，但是通过氧化物冶金效果的引入，一方面可以通过细小氧化物夹杂物和TiN的钉扎作用，抑制加热过程中原奥氏体的过分长大，另一方面可以通过晶内分布的复合氧化物夹杂诱导晶内针状铁素体形核，提高相变后粗晶热影响区的韧性［11-12］。在本试验条件下，典型粗晶热影响区相变后组织形貌如图10a所示。可见，相变后粗晶热影响区原奥氏体晶界位置形成晶界铁素体，铁素体间分布少量珠光体，原奥氏体晶内则形成以针状铁素体为主+少量侧板条铁素体的组织类型。这种针状铁素体交叉互锁的形貌有利于细化有效晶粒尺寸，降低较粗大的原奥氏体晶粒对韧性的影响，同时，针状铁素体相邻晶粒间属于大角度晶界，对裂纹的扩展也具有抑制作用，同样能达到提升韧性的效果［13-14］。同时，通过图10b可见，粗晶区分布较广的尺寸在2 μm左右的CaO-MgO-Al2O3系复合夹杂物在经过高温热循环后作为晶内形核核心，产生了诱导晶内针状铁素体形核的效果。
    译

    4 结论

    （1）采用氧化物冶金处理方式试制了80 mm厚EH36大线能量焊接用钢板，各项性能满足国标要求，其中-40 ℃冲击功均≥250 J，-60 ℃冲击功则均≥180 J。

    译

    （2）采用双丝气电立焊的方式对试制的80 mm EH36钢板进行大线能量焊接，实际焊接线能量为532 kJ/cm。在-20 ℃的条件下，面侧熔合线及以外各位置冲击功单值均在200 J以上，厚度中心熔合线冲击功70~269 J，均值179 J，跟侧熔合线及熔合线+2 mm位置冲击功单值均在200 J以上；在-40 ℃条件下，面侧熔合线及以外各位置冲击功单值最低121 J，均值均在150 J以上，厚度中心熔合线冲击功50~216 J，均值115 J，其余热影响区各位置冲击功均在100 J以上，跟侧熔合线及熔合线+2 mm位置冲击功单值均在150 J以上。焊接接头各位置冲击性能良好，满足EH36钢板对焊接接头冲击性能的要求。

    译

    （3）经过焊接热循环，粗晶热影响区不可避免的出现粗化问题，原奥氏体平均晶粒尺寸为312 μm，通过均匀分布的复合氧化物夹杂诱导晶内形成针状铁素体为主+少量侧板条铁素体的组织类型，仍能使粗晶区获得较理想的韧性水平。

    译

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