海洋工程用S355NL低温厚钢板焊接试验研究.pdf
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1、2024年 第1期 热加工47焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g海洋工程用S355NL低温厚钢板焊接试验研究白晓科,孙爱丽,王旭蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司 山东烟台 265607摘要:采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)和埋弧焊(SAW)两种工艺分别焊接了70mm厚的S355NL试板,其中FCAW的焊接位置为横焊和立焊,验证了在不同热输入下的焊接接头性能。按照欧洲规范进行拉伸、弯曲、低温冲击(50)、硬度和裂纹尖端张开位移试验(CTOD,10)。试验充分验证了选用焊接工艺的合理性,保证了厚板S355NL钢的海洋工程焊接质量。关键词:焊接工艺;低温钢;S355NL钢
2、;CTODExperimental study on welding procedure of low temperature thick plate S355NL for offshore engineeringBAI Xiaoke,SUN Aili,WANG XuPenglai Jutal Offshore Engineering Heavy Industries Co.Ltd.,Yantai 265607,Shandong,ChinaAbstract:In this paper,FCAW and SAW are used to weld 70mm thick S355NL test pl
3、ates separately.The welding positions of FCAW are horizontal welding and vertical welding to verify the performance of welded joints within different heat input.Tensile,bending,low-temperature impact(50),hardness and crack tip opening displacement testing(CTOD,10)are carried out in accordance with E
4、uropean standards.The rationality of the selected welding process has been fully verified.The offshore engineering welding quality of thick plate S355NL is ensured.Keywords:welding procedure;low temperature steel;S355NL;CTOD1 序言海洋工程包括海上油气开发工程和海上风电工程等,由于海洋结构常年处于严酷的海上环境中,要经受海浪、风暴、潮流、地震和寒冷流冰等的侵袭,因此海洋工程
5、对钢材和其焊接质量具有严苛的要求,通常要求钢材具有较高的强度、耐低温韧性、良好的焊接性和Z向性能等。依据某欧洲浮式海上风电平台项目技术规范,要求整体按照EN 1090-2:2018钢结构和铝结构的施工第2部分:钢结构技术要求进行建造和验收。该项目采用的低温厚钢板为S355NL,是按照欧洲钢铁标准EN 10025-3:2004结构钢的热轧产品第3部分:正火/正火轧制可焊接的细晶粒结构钢的技术供货条件生产的正火钢板,是屈服强度为355MPa级别的高强度高韧性钢材,可以应用于50的低温工况。目前,在海洋工程中多采用船级社钢板(如ABS EH36N等),少有采用此钢种的工程案例。本文按照ISO 156
6、14-1:2017金属材料焊接基金项目:山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2020CXGC010304)。第一作者:白晓科,工程师,主要从事海洋工程和承压设备的焊接工艺开发与研究工作,E-mail:。2024年 第1期 热加工48焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g工艺规程及评定-焊接工艺评定试验第1部分:钢的电弧焊和气焊、镍及镍合金的电弧焊进行焊接工艺评定试验,选用了药芯焊丝气体保护焊(FCAW)和埋弧焊(SAW)这两种焊接方法,FCAW的焊接位置为横焊和立焊,分别验证不同热输入时的焊接接头性能。鉴于海洋工程的重要性和严苛性,通常要求对50mm以上的厚板焊接
7、进行焊后消除应力热处理(PWHT)或通过CTOD试验来确保性能符合要求。但是由于海洋工程的结构尺寸很大,进行焊后整体热处理比较困难,而局部热处理又容易造成尺寸变形,因此CTOD试验是海洋工程中评价断裂韧性的重要途径,也是需要解决的技术难点。2 低温钢S355NL的焊接性分析2.1 钢板化学成分对板厚70mm的S355NL钢板进行化学成分分析,wP0.010%,wS0.0017%,其他合金元素含量见表1。药芯焊丝选用京群GFR-81K2(型号为ISO 17632 A-T46 1.5Ni P C1 1),SAW焊接材料选用伯乐T Union SA Ni1UV C 418 TT-M(型号为ISO 1
8、4171-A S 50 6 FB SZ 2Ni1),这两种焊接材料熔敷金属的化学成分见表1。表1 钢材和焊接材料熔敷金属的化学成分及碳当量 (%)牌号母材及熔敷金属化学成分(质量分数)CEVCSiMnAlNbVCrNiCuTiMoS355NL0.110.231.540.0370.0410.0550.050.190.040.0110.010.41GFR-81K20.0260.321.230.010.021.850.010.010.36T Union SA Ni1UV C 418 TT-M0.070.211.220.0150.0020.070.890.070.190.39注:1.根据IIW(国际焊
9、接学会)公式,碳当量CEVCMn/6(CrMoV)/5(NiCu)/15。2.在S355NL钢中,wN0.0058%,wB0.0007%。2.2 钢板力学性能依据EN 10025-3:2004,对70mm厚S355NL钢板力学性能的要求及药芯焊丝和埋弧焊焊接材料熔敷金属力学性能的技术要求见表21。由表2可知,拟选用焊接材料的强度和韧性等均能够满足S355NL钢板的要求。表2 钢材和焊接材料熔敷金属的力学性能牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率(%)冲击试验温度/冲击吸收能量/JS355NL325470630215027GFR-81K2470550690206047T Union SA N
10、i1UVC 418 TT-M4705507002060472.3 预热和层间温度从表1可看出,钢材的CEV值已经超过0.40%,具备一定的淬硬倾向。特别是对于厚板焊接,当预热温度较低时,由于冷却速度较快,容易在内应力作用下产生冷裂纹,因此可通过硬度试验进行焊接接头显微组织的冷裂纹敏感性度量,按照ISO 15614-1:2017的要求,对于S355NL钢的焊接接头,允许的最高硬度值为380HV10。为制定合理的预热温度并能够通过焊接工艺评定试验,可按照EN 1011-2:2001焊接金属材料的焊接建议第2部分:铁素体钢的电弧焊附录C中的方法B进行预热温度计算。两种焊接材料的扩散氢含量均为H5级别
11、的低氢焊接材料,焊接热输入按照标准条款1.4中范围的最小值,计算得出板厚为70mm的S355NL钢的最低预热温度为1152。为确保工艺评定试验可以顺利通过,将焊接试板的预热温度设定为最低130。当层间温度过高时,由于接头降温缓慢,因此会造成热影响区组织晶粒粗大,导致其低温冲击韧度下降。考虑到CTOD试验对韧性要求的严苛性,以及以往的试验经验,将最大层间温度设定为200。特别需要注意的是,在试板的焊接过程中,每道焊缝的层间温度,都应不低于要求的最小预热温度。2.4 焊接热输入焊接热输入的大小会影响熔池的冷却速度,较小的焊接热输入可能会造成淬硬组织的产生,进而造成硬度升高和冲击韧度下降。焊接过程中
12、热输入提高,碳化物和氮化物颗粒溶解并失去其作为晶粒长大抑制剂功效的可能性就越大,在热影响区粗晶粒区域的冲击韧度降低3。2024年 第1期 热加工49焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g综合考虑后,将试板的FCAW焊接热输入设定为0.62.0kJ/mm,SAW焊接热输入设定为1.32.5kJ/mm。需要注意的是:由于EN 1011-1:2009焊接金属材料的焊接建议第1部分:电弧焊通用指南规定,每种焊接方法有不同的有效热输入系数,其中FCAW的有效热输入系数为0.8,SAW的有效热输入系数为1.0,本文中热输入值均已乘以有效热输入系数4。2.5 焊接性分析S355NL
13、属于低温结构钢,其碳当量相对较高,而且厚度较大。因此,在焊接时应选用具有CTOD评价且与母材强度级别相当的焊接材料,必须在焊前进行预热,严格控制焊接热输入,并保持层间温度不低于预热温度,以控制冷却速度,才能保证焊接接头质量符合标准规范和使用要求。3 焊接工艺评定试验3.1 试验方案为验证焊接接头在不同焊接热输入下的力学性能均能够满足质量要求,结合拟定的产品焊接方法和工艺,决定采用FCAW工艺焊接立焊和横焊试板各1块,分别对应高、低热输入,采用SAW工艺焊接平焊试板1块。由于按照ISO 15653:2018金属材料焊缝准静态断裂韧性测定的试验方法的要求,焊缝和热影响区均需要进行CTOD试验,因此
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