專利名稱：一種超高強海洋結構用鋼板f460z埋弧焊接方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鋼鐵材料焊接領域，特別是涉及一種超高強海洋結構用鋼埋弧焊焊接 方法。
背景技術：
隨著我國海洋石油及天然氣開發(fā)步伐向深海的不斷邁進，大型海洋采油平臺得到 了迅速發(fā)展，對海洋采油平臺用鋼的規(guī)格及強度韌性要求越來越高，傳統(tǒng)鋼材已經(jīng)不能滿 足這種要求，采用高強度高韌性的鋼材勢在必行。海洋采油平臺在開發(fā)油氣田工程中起著 支撐所有設備及井架的作用，屬于持續(xù)承受重壓的大型構件，其重要性不言而喻。同時，海 洋采油平臺的工作條件也很苛刻，服役時間跨越四季，工作環(huán)境溫差變化較大，在冬季更要 經(jīng)受低溫的考驗。隨著鋼材強度的提高，對鋼材的焊接質量要求也隨之提高，焊接是海洋結 構用鋼必需經(jīng)歷的一個重要的工藝過程，焊接接頭是海洋結構的重要組成部分，其質量直 接影響到海洋結構的使用安全可靠性。如果采油平臺的焊接質量不過關，其后果不堪設想。 要獲得質量良好的焊接接頭，必須解決高強度海洋結構的焊接關鍵技術。為適應大型海洋結構建造需要及改善焊接性能，南京鋼鐵聯(lián)合公司采用Nb和Ti 等多元(微)合金化技術，大幅度降低碳含量，并借助于控軋控冷技術，利用細化晶粒強化、 位錯強化、析出強化和相變強化效果，研發(fā)生產(chǎn)的超高強海洋結構用鋼板F460Z，實物水平 抗拉強度Rm為630MPa，屈服強度ReH為500MPa，一 60°C沖擊功AKv達到285J，使鋼達到極 佳的強韌性匹配。由于采用多元(微)合金化技術，F(xiàn)460Z的碳含量為0. 06%，碳當量Ceq為0. 42%， 焊接氫致裂紋敏感性及焊接熱影響區(qū)的性能惡化程度也隨之降低，但由于海洋平臺服役環(huán) 境十分惡劣，除承受重力載荷處，還受到海浪、潮流、海冰、臺風、季風等海洋環(huán)境因素的影 響，這就需要海洋結構用鋼焊接接頭具有更高的韌性、更細的晶粒、更低的硫含量和較低的 硬度，以提高焊接接頭的抗裂性能，另外隨著強度級別的提高，板厚的加大，海洋結構用鋼 冷裂紋傾向將增加。采用焊條電弧焊、藥芯焊絲氣保焊等焊接方法，所用焊接材料含氫量較 高，焊接熱輸入量小，冷卻速度快，會增加冷裂紋的敏感性，需要采取必要的焊接措施，如焊 前預熱等。為確保高強度海洋結構用鋼F460Z制造和運行安全，對F460Z鋼焊接接頭的力 學性能要求嚴格。焊接接頭的拉伸性能要求與母材基本相當；對接接頭各部位的低溫韌性 Akv-60°C ≥ 46JJ。該技術要求是目前我國海洋結構用鋼中要求最高的，也是世界先進水平。 眾所周知，焊縫金屬存在鑄態(tài)組織，其強韌性主要由焊縫成分及焊接熱循環(huán)等條件決定。這 特點就決定了焊縫金屬無論在成分上還是在組織結構上不可避免地與基材存在著一定的 差異。焊縫金屬組織結構顯著影響焊接接頭的完整性及性能。對于弧焊焊縫，焊縫金屬合 金含量、焊接方法及工藝是影響焊縫金屬組織的主要影響因素，其中，焊縫金屬合金含量起 主導影響作用。合金元素Ni、Mo、Cr等元素對焊縫均有強化作用，同時在一定含量范圍內 有助于減少焊縫的先共析鐵素體含量，從而提高焊縫的韌性。通過焊接材料對焊縫進行微合金化(Ti、B)，使焊縫獲得細針狀鐵素體。細針狀鐵素體組織細小，無方向性排列，它既可 增加焊縫強度，又可提高焊縫韌性，并具有優(yōu)良的止裂性能。不同的焊接工藝如不同熱輸入 量也會導致焊縫中產(chǎn)生不同的組織結構。焊接熱輸入量是影響焊接接頭低溫沖擊韌性的關 鍵。在較大焊接熱輸入條件下，焊縫金屬產(chǎn)生粗大先共析鐵素體、過熱區(qū)產(chǎn)生粗大粒狀貝氏 體是焊接接頭低溫沖擊韌性降低的主要原因，使接頭性能下降到一個相對低的水平，往往 是造成海洋結構產(chǎn)生斷裂、誘發(fā)空難性事故的根源。為防止F460Z焊接時焊縫金屬脆化問題，合理匹配焊接材料、控制焊接熱輸入量 的范圍以保證焊接接頭的各項力學性能滿足上述技術要求是技術關鍵之一。為了在海洋平 臺實際建造過程中，兼顧高性能與高效率，使質量與成本達到合理的平衡，需要在焊接方法 上進一步探索，針對F460Z鋼特定的成分范圍和技術條件，解決該鋼的焊接熱輸入量適應 性問題及相關的工藝問題。具體包括以下幾個方面1.確定該鋼焊前預熱制度以避免接頭部位產(chǎn)生冷裂紋；2.確定該鋼焊接熱影響區(qū)一 60°C沖擊功> 47J的焊接熱輸入量控制范圍；3.針對該鋼的接頭形式和板厚，提出合理的坡口形式和焊接方法；4.針對該鋼焊接接頭綜合力學性能的要求，坡口形式和焊接方法，選用合適的焊 接材料；5.針對該鋼及接頭形式、坡口形式和焊接方法，提出合理的焊接工藝參數(shù)。由此可見，超高強海洋用鋼運用于海洋平臺等大型結構的建造，符合海洋平臺向 高參數(shù)化發(fā)展方向，所涉及到的焊接工藝方法是確保海洋平臺用鋼板F460Z的焊接關鍵技 術問題，使焊接接頭的性能能夠滿足高標準的設計要求，同此確保了大型海洋結構的使用 安全。

發(fā)明內容
解決目前超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接所存在的問題，本發(fā)明的目的是 提供一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，該埋弧焊焊接方法采用與超高強海 洋結構用鋼板F460Z相匹配的材料，施焊前低溫預熱，焊后不進行熱處理，能夠保證焊接接 頭_60°C沖擊韌性大于46J的高標準設計要求，焊接接頭具有優(yōu)良的接頭綜合性能，焊縫具 有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，接頭三區(qū)具有較高的沖擊韌性儲備及安全富裕度。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于該埋弧焊接方法包括以 下步驟1)采用與超高強海洋結構用鋼板F460Z相匹配的焊接材料，抗拉強度Rm 570 720MPa,屈服強度ReH≥460MPa,延伸率≥17%, — 60°C沖擊功AKv達到285J 303J的高 強鋼，且焊接材料厚度與鋼板厚相同；2 )埋弧焊坡口采用對稱雙邊U型坡口；3)焊接工藝參數(shù)焊前預熱，焊接電流450 700A，電弧電壓30 32V，焊接速度30 50cm/min、焊接熱輸入量15 48KJ/cm、焊劑烘焙制度為350°C X2h ；對厚度為40mm+40mm 組合鋼板埋弧焊對接接頭采用多層多道連續(xù)施焊，直至焊縫填滿為止，其焊縫層間溫度控 制在 80 °C 200 0C 。
本發(fā)明步驟1)中，選用匹配的焊絲，焊絲抗拉強度大于570MPa，焊劑為8500，焊絲 直徑為Φ4πιπι。步驟2)中，U型坡口角度為25 ，根部圓弧半徑為8mm，鈍邊尺寸為2mm 6mm。步驟3)中，焊前預熱溫度為60°C。本發(fā)明所采用的焊絲化學組分及重量百分比為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 為1 及不可避免的雜質。本發(fā)明中，所述超高強海洋結構用鋼F460Z的化學組分及重量百分比為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%，余量為 Fe 及不 可避免的雜質。所述鋼的碳當量Ceq ^ 0. 42%，所述超高強海洋結構用鋼F460Z的焊接接頭 部位的力學性能為抗拉強度Rm:630MPa，接頭側彎d=3a，180 合格，母材、焊縫金屬、熱 影響區(qū)熔合線及其線外2mm、5mm處-60°C沖擊功AKv≥46J，焊接接頭拉伸試驗斷于基材。本發(fā)明中，為避免焊接接頭部位產(chǎn)生冷裂紋的焊前預熱條件，40mm厚度的F460Z 鋼在環(huán)境溫度不低于20°C時，中等拘束條件下(如普通聯(lián)系焊縫、角焊縫等)不預熱焊接可 以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；高拘束條件下(如定位焊、對接焊根部焊道、補焊等)應進行60°C 的低溫預熱。上述超高強海洋結構用鋼F460Z詳細焊接工藝方案制訂的理由如下 (1) 焊接預熱溫度本發(fā)明按照GB9446《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》及GB4675. 1《斜Y坡口焊接裂紋試 驗》中規(guī)定的條件，研究了一種板厚為40mm的超高強海洋結構用鋼F460Z室溫(20°C)不預 熱及不同焊前預熱溫度、不同嚴格拘束條件下產(chǎn)生焊接冷裂紋的敏感性。其中試驗用F460Z 的化學組分及重量百分比為: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%，余量為 Fe 及不可避免的 雜質；試驗采用氣體保護焊工藝，焊絲采用直徑為Φ1. 2mm、ER55-G、保護氣體為80% Ar + 20% C02。結果表明，規(guī)格為40mm厚的F460Z鋼板等拘束條件下(如普通聯(lián)系焊縫、角焊縫 等)不預熱焊接可以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；高拘束條件下(如定位焊、對接焊根部焊道、補 焊等)應進行60°C的低溫預熱。(2) 焊接材料針對所述鋼，在選用焊接材料時，首先考慮的是焊縫金屬的強度和-60°C沖擊韌性 與基材盡可能匹配，選用埋弧焊絲抗拉強度Rm ≥ 570MPa，所采用焊絲化學組分及重量百 分比為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%，余量為Fe及不可避免的雜質，配燒結焊劑8500作 為焊接材料，形成的焊縫金屬純凈度較高，且焊縫組織以細小的針狀鐵素體為主，強韌性兼 具；所選用埋弧焊絲配8500焊劑熔敷金屬的力學性能抗拉強度Rm ≥ 570MPa,屈服強度 RpO. 2 ≥ 490MPa,延伸率 A ≥ 31%, _60°C沖擊功 AKv ≥ 46J。(3) 焊接熱輸入量由于焊接熱輸入量變化將影響焊接熱循環(huán)過程，由此將對焊接接頭焊縫金屬和熱影響 區(qū)的組織和力學性能帶來影響。本發(fā)明研究了不同焊接熱輸入量條件下對板厚為40mm的超高強海洋結構用鋼F460Z埋弧焊對接接頭力學性能的影響，分別對焊接接頭焊縫金屬的 拉伸性能、焊接接頭各部位-60°C夏比V型缺口沖擊功進行了測定和分析。試驗用焊接材料 為埋弧焊絲抗拉強度Rm :590MPa，焊絲直徑Φ4. 0mm，焊劑SlOlG ；所采用焊絲化學組分及 重量百分比為:C :0. 07%, Mn :1. 17%, Si:0. 17%, P :0. 010%, S :0. 005%, Ni :0. 92%, Mo 0.21% ,余量為及不可避免的雜質。結果表明，焊接熱輸入量在15 48KJ/mm條件下， 40mm厚的超高強海洋結構用鋼F460Z埋弧焊對接接頭力學性能焊縫金屬抗拉強度570 MPa，屈服強度ReH≥460 MPa，伸長率A≥20%，接頭側彎d=3a，180 合格，焊縫金屬、熔合 區(qū)、熱影響區(qū)熔合線外2mm及5mm處_60°C沖擊功AKv≥46J。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明滿足低溫條件下大厚度超高強海洋結構用鋼F460Z的焊接關鍵技術。采用研 究確定的焊接材料和焊接工藝能夠保證焊接接頭_60°C沖擊韌性滿足大于46J的高標準設 計要求，埋弧焊對接接頭抗拉強度、接頭三區(qū)沖擊功達到較高水平，接頭具有優(yōu)良的低溫沖 擊韌性及安全儲備；2、在深入分析含F(xiàn)460Z焊接冶金特性的基礎上，合理控制焊接熱輸入范圍，選擇匹配 焊接材料以保證焊接接頭的各項力學性能滿足上述技術要求。采用降C增Mn并控制S、P、 Al等雜質含量及0、N氣體元素含量，采用Ni、Ti等(微)合金元素化技術，抑制焊縫金屬中 先共析鐵素體組織，促進針狀鐵素體組織產(chǎn)生，攻克了 F460Z焊接時焊縫脆化的技術關鍵。3、本發(fā)明實現(xiàn)了大型海洋采油平臺用鋼F460Z對接接頭厚板結構制造過程焊前 低溫預熱，焊后不進行熱處理的焊接工藝，在實施過程中，可以達到焊接接頭力學性能優(yōu)良 和焊接效率較高二者兼顧的效果，實用性強、焊接操作簡便、高效節(jié)能，適用于大型海洋結 構及船舶推廣應用。本發(fā)明適用于屈服強度大于460MPa高強海洋結構用鋼F460Z對接埋弧焊接中。


圖1為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭焊縫部位微觀組織； 圖2為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭熱影響粗晶區(qū)微觀組織； 圖3為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭熱影響正火區(qū)微觀組織；圖4為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭熱影響不完全相變區(qū)微觀組織； 圖5為焊接厚板組合40mm+40mm的埋弧焊坡口示意圖。
具體實施方式
實施例 一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，包括以下步驟采用熱機械控軋控冷軋制工藝(TMCP)生產(chǎn)的屈服強度在≥ 4600MPa級的低超高強海 洋結構用鋼F460Z，厚板組合為40mm+40mm。試板尺寸為600mmX 400mmX 40mm ； 匹配的焊接材料焊絲，其化學組分及重量百分比為C :0. 07%, Mn :1. 17%, Si:0. 17%, P :0.010%, S 0. 005%, Ni 0. 92%, Mo :0.21%，其余為!^e及不可避免的雜質。焊絲直徑為Φ4πιπι，并與 燒結焊劑8500匹配進行焊接；埋弧焊坡口采用對稱雙邊U型坡口，坡口角度為25 ，根部圓弧半徑為8mm，鈍邊尺寸 為 2mm ；焊接工藝參數(shù)焊前預熱60°C，焊接電流450A，電弧電壓30V，焊接速度50cm/min、焊接 熱輸入量15KJ/cm、焊劑烘焙制度為350°C X2h ；對厚度為40mm+40mm組合鋼板埋弧焊對接 接頭采用多層多道連續(xù)施焊，直至焊縫填滿為止，其焊縫層間溫度控制在80°C 200°C。經(jīng)對采用上述焊接方法焊接的低溫風塔用鋼板S355NL對接接頭力學性能檢測， 其接頭力學性能為抗拉強度Rm:654MPa，斷裂位置基材，接頭冷彎d=3a，180 合格，焊 縫金屬_60°C沖擊功AKv :127J，熱影響區(qū)熔合線處-60°C沖擊功AKv :136J，熱影響區(qū)熔合 線外2mm處-60°C沖擊功AKv :308J，熱影響區(qū)熔合線外5mm處_60°C沖擊功AKv :313J。 實施例2又一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，包括以下步驟 采用熱機械控軋控冷軋制工藝(TMCP)生產(chǎn)的屈服強度在> 4600MI^級的低超高強海 洋結構用鋼F460Z，厚板組合為40mm+40mm。試板尺寸為600mmX 400mmX 40mm ； 匹配的焊接材料焊絲，其化學組分及重量百分比為C :0. 07%, Mn :1. 17%, Si:0. 17%, P :0.010%, S 0. 005%, Ni :0. 92%, Mo :0.21%，其余為!^e及不可避免的雜質。焊絲直徑為Φ4πιπι，并與 燒結焊劑8500匹配進行焊接；埋弧焊坡口采用對稱雙邊U型坡口，坡口角度為25 ，根部圓弧半徑為8mm，鈍邊尺寸 為 6mm ；焊接工藝參數(shù)焊前預熱60°C，焊接電流700A，電弧電壓32V，焊接速度30cm/min、焊接 熱輸入量48KJ/cm、焊劑烘焙制度為350°C X2h ；對厚度為40mm+40mm組合鋼板埋弧焊對接 接頭采用多層多道連續(xù)施焊，直至焊縫填滿為止，其焊縫層間溫度控制在80°C 200°C。經(jīng)對采用上述焊接方法焊接的低溫風塔用鋼板S355NL對接接頭力學性能檢測， 其接頭力學性能為抗拉強度Rm:645MPa，斷裂位置基材，接頭冷彎d=3a，180 合格，焊 縫金屬_60°C沖擊功AKv :76J，熱影響區(qū)熔合線處-60°C沖擊功AKv :121J，熱影響區(qū)熔合 線外2mm處-60°C沖擊功AKv 162J，熱影響區(qū)熔合線外5mm處-60°C沖擊功AKv :267J。圖1為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭焊縫部位微觀組織；圖2為熱輸入量 為48KJ/cm時F460Z焊接接頭熱影響粗晶區(qū)微觀組織；圖3為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z 焊接接頭熱影響正火區(qū)微觀組織；圖4為熱輸入量為48KJ/cm時F460Z焊接接頭熱影響不 完全相變區(qū)微觀組織；圖5為焊接厚板組合40mm+40mm的埋弧焊坡口示意圖。本發(fā)明采用與超高強海洋結構用鋼板F460Z相匹配的焊接材料，施焊前低溫預 熱，焊后不進行熱處理，能夠保證焊接接頭-60°C沖擊韌性大于46J的高標準設計要求，焊 接接頭具有優(yōu)良的接頭綜合性能，焊縫具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，接頭三區(qū)具有較高的沖 擊韌性儲備及安全富裕度。本發(fā)明解決了采用屈服強度大于460MI^級埋弧焊絲焊接F460Z 鋼，與高韌性的基材相比，焊縫金屬-60°C低溫韌性指標相差太大及焊接時產(chǎn)生冷裂紋的問 題。
權利要求
1.一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于該埋弧焊接方法包括 以下步驟1)采用與超高強海洋結構用鋼板F460Z相匹配的焊接材料，抗拉強度Rm 570 720MPa,屈服強度ReH≥460MPa,延伸率≥17%, — 60°C沖擊功AKv達到285J 303J的高 強鋼，且焊接材料厚度與鋼板厚相同；2)埋弧焊坡口采用對稱雙邊U型坡口；3)焊接工藝參數(shù)焊前預熱，焊接電流450 700A，電弧電壓30 32V，焊接速度30 50cm/min、焊接熱輸入量15 48KJ/cm、焊劑烘焙制度為350°C X2h ；對厚度為40mm+40mm 組合鋼板埋弧焊對接接頭采用多層多道連續(xù)施焊，直至焊縫填滿為止，其焊縫層間溫度控 制在 80 °C 200 0C ο
2.根據(jù)權利要求1所述的超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于 步驟1)中，選用匹配的焊絲，焊絲抗拉強度大于570MPa，焊劑為8500，焊絲直徑為Φ 4mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于 步驟2)中，U型坡口角度為25 ，根部圓弧半徑為8mm，鈍邊尺寸為2mm 6mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于 步驟3)中，焊前預熱溫度為60°C。
5.根據(jù)權利要求1所述的超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，其特征在于 所采用的焊絲化學組分及重量百分比為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%，余量為 Fe 及不可避 免的雜質。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高強海洋結構用鋼板F460Z埋弧焊接方法，采用與超高強海洋結構用鋼板F460Z相匹配的焊接材料，抗拉強度Rm570～720MPa，屈服強度ReH≥460MPa，延伸率≥17%，－60℃沖擊功AKv達到285J～303J的高強鋼，且焊接材料厚度與鋼板厚相同；埋弧焊坡口采用對稱雙邊U型坡口；焊接工藝參數(shù)焊前預熱，焊接電流450～700A，電弧電壓30～32V，焊接速度30～50cm/min、焊接熱輸入量15～48KJ/cm、焊劑烘焙制度為350℃×2h；對厚度為40mm+40mm組合鋼板埋弧焊對接接頭采用多層多道連續(xù)施焊，直至焊縫填滿為止，其焊縫層間溫度控制在80℃～200℃。本發(fā)明接頭具有優(yōu)良的綜合力學性能，焊縫具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，實用性強、焊接操作簡便、高效節(jié)能，適用于大型海洋結構及船舶推廣應用。
文檔編號B23K9/095GK102049599SQ20111000261
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者劉朝霞, 張顯輝, 李麗, 李定金, 楚覺非, 王徐, 王端軍, 邱紅雷 申請人:南京鋼鐵股份有限公司