邢 军，吴保桥，张 建，夏 勐

(马鞍山钢铁股份有限公司技术中心 安徽马鞍山 243000)

海洋石油平台长期受海浪冲击和各种低温冲击载荷的作用，服役环境恶劣，因而要求其所使用的热轧H型钢具有强度高、韧性好的特点[1]、[3]。平台施工大量采用焊接工艺，因而选择合适的焊接工艺方法和保证焊接接头的性能，尤其是低温韧性，是海洋石油平台安全可靠服役运行的关键因素[3]。药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术具有焊接飞溅小，保护效果好，焊接效率高，焊缝成型美观，可进行水下湿法焊接操作等优势，在海洋石油平台用H型钢焊接方面受到日益广泛的关注。[4]

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的海洋石油平台用热轧H型钢为高韧性SM490YB热轧H型钢，其化学成分和力学性能见表1和表2。在SM490YB 热轧H型钢翼板上，采用火焰切割方式切割500 mm×250 mm×24 mm作为焊接试板。

表1 SM490YB热轧H型钢的熔炼成分(Wt. %)

试验选择直角边和单V坡口试板对焊。根据EN10225-2009标准要求，坡口角度为40°，钝边尺寸2 mm，装配间隙8 mm。采用FRONIUS TPS4000型数字脉冲气体保护焊机，二氧化碳为保护气体，采用多层多道焊工艺进行焊接。焊接电流170 A-210 A，焊接电压26.5 V，焊接速度5 mm/s，层间温度控制在150 ℃-200 ℃。焊材选用ESAB Dual Shield 81HS药芯焊丝，其化学成分及力学性能见表3和表4。

表2 SM490YB热轧H型钢的力学性能

1.2 试验方法

母材、热影响区、焊缝区的焊接接头试样经打磨抛光后，经4%的硝酸酒精中腐蚀后，利用Olympus PME3光学显微镜和JEOL JSM-6490LV扫描电子显微镜观察显微组织。

表4 Dual Shield 81HS药芯焊丝力学性能

按照EN10225-2009标准要求分别制备显微硬度测试试样，室温拉伸试验试样和夏比摆锤冲击试验试样。硬度测试在美国 Buehler Wilson VH3100全自动维氏硬度计上进行，载荷10 kg，加载时间15 s。焊接接头硬度测量4个区域，分别标记为A、B、C、D，每个区域测量7点(1、2、3点在熔合线外测，沿熔合线方向分布；2、4、5、6、7点沿远离熔合线向母材进行测量)，如图1所示。

图1 硬度测试位置示意图

采用Zwick/Roell Z100试验机进行焊接接头室温拉伸试验。夏比系列冲击试验采用V型缺口，试验温度为-20 ℃。冲击试样垂直于焊缝，分别在熔合线向内2 mm(FL-2 mm)、熔合线(FL)、熔合线向外2 mm(FL+2 mm)和熔合线向外5 mm(FL+5 mm)各取3个试样，每个试样分为上、下两部分，以C、R表示。冲击试验后采用NANO SEM 430型场发射扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 试验结果与分析

2.1 接头显微组织

由OM和SEM观察结果可知，接头组织由焊缝至母材，依次可分为焊缝区、粗晶区、细晶区、不完全重结晶区四个区域。采用多层多道焊接工艺，后焊焊道对前一道焊缝有部分重熔和热处理作用，图2为焊缝区和焊缝重熔区显微组织，由图可见，焊缝区显微组织主要由针状铁素体、先共析铁素体以及少量的侧板条铁素体组成。奥氏体晶界完全被先共析铁素体覆盖，侧板条铁素体由奥氏体晶界向晶内生长；晶内为针状铁素体。多层多道焊经过重熔后，焊缝区微观组织几乎没有变化，晶粒相对细小，柱状晶转变为等轴晶组织。

图2 FCAW焊缝区和焊缝重熔区的显微组织

粗晶区经过后焊焊道的热循环，其微观组织相应发生较大改变。焊缝粗晶区由未变粗晶区(UA CGHAZ)，过临界粗晶区(SC CGHAZ)和临界粗晶区(IC CGHAZ)构成，微观组织如图3所示。图3 (a)为未变粗晶区(UA CGHAZ)的微观组织，其组织与单焊道焊接热影响区粗晶区的微观组织一样，为贝氏体和马氏体的混合组织。原奥氏体晶界内相邻板条束的界面清晰，板条之间存在断续的残余奥氏体薄膜。

图3(b)为过临界粗晶区(SC CGHAZ)的微观组织，该区域主要由先共析铁素体和贝氏体组织构成，晶粒存在一定程度上的细化。图3(c)是临界粗晶区(IC CGHAZ)的微观组织，该区域主要为铁素体和珠光体组织，晶粒相对细小。由粗晶区的微观组织分析可见，小线能量的多层多道对于改善焊接热影响区粗晶区组织有益处，有利于提高接头HAZ的力学性能。但是，在未变粗晶区，小线能量的焊接工艺导致马氏体组织生成，使接头韧性降低。因此需要合理设计焊接工艺参数，保证焊接接头的低温韧性。

图3 多层多道焊粗晶区微观组织

图4是焊接接头细晶区微观组织，由图可见细晶区组织为铁素体和珠光体。随着到熔合区的距离不断增加，焊接峰值HAZ温度逐渐下降，加热过程中奥氏体晶粒尺寸逐渐减少，冷却相变后晶粒细小。图5为不完全重结晶区组织，由于母材相变不完全，主要由晶粒尺寸大小不均匀铁素体和珠光体构成。

图5 焊接接头不完全重结晶区微观组织

2.2 接头力学性能

(1)室温拉伸性能

SM490YB热轧H型钢FCAW焊接接头拉伸实验结果表明，FCAW焊接接头抗拉强度为527.0 MPa，接头均断裂在母材上，满足EN10225-2009标准要求。拉伸过程中出现缩颈现象，可见焊接接头的焊缝强度高于母材强度，表现为塑性断裂。

(2)硬度

SM490YB热轧H型钢FCAW焊接接头硬度测试结果如图6所示。由图可知，总体上由熔合线经焊接热影响区至母材，硬度呈梯度降低，且热影响区硬度明显高于母材。热影响区最高硬度为268 HV10，低于325 HV10，满足EN10225-2009标准要求。热影响区内未有明显硬度降低区域，说明焊接接头未出现软化现象。由沿熔合线测量的1、2、3点的硬度分布发现：焊缝上部区域A、D内均为近表面的1点硬度最高，材料内部的3硬度最低；而焊缝底部B、C区位于材料内部的1点硬度最低，近表面的3点硬度高，这说明焊缝热影响区靠近上、下表面区域的硬度较材料内部的硬度高。

图6 FCAW接头硬度分布

(3)接头冲击韧性

表5为FCAW焊接接头不同部位冲击实验结果。有表可知FCAW获得的焊接接头-20 ℃冲击吸收功平均值都大于36 J，具有良好的冲击韧性。焊缝区冲击吸收功最高，焊缝中大量细小的针状铁素体提高其低温冲击韧性。熔合线外2 mm处焊接热影响区的冲击吸收功低于母材，主要是因为粗晶区生成马氏体和贝氏体组织，且未变粗晶区内晶粒粗大导致粗晶区韧性下降。粗晶区(FL+2)冲击韧性高于不完全重结晶区(FL+5)，说明在多层多道焊过程中，未变粗晶区范围很小，后续焊道热处理作用明显。由表5可见，在不同位置上部试样冲击功大于底部试样冲击功，主要是多层多道焊积累的热塑性变形导致的韧性下降。

表5 -20 ℃FCAW接头冲击试验结果

3 结语

采用FCAW焊接方法对SM490YB热轧H型钢进行焊接，分析了焊接接头微观组织及其力学性能，主要结论如下：

焊缝的显微组织主要由针状铁素体、先共析铁素体以及少量的侧板条铁素体组织。多层多道焊时热影响区粗晶区组织变化较大，未变粗晶区组织为贝氏体和马氏体的混合组织，过临界粗晶区微观组织由先共析铁素体和贝氏体组织构成，临界粗晶区组织为铁素体和珠光体组织。细晶区和不完全重结晶区组织多边形铁素体和珠光体。

FCAW焊接接头没有出现软化区。热影响区的显微硬度都高于母材的硬度，最高硬度值为268 HV10。

SM490YB热轧H型钢药芯焊丝气体保护焊焊接接头抗拉强度为527.0 MPa，拉伸断裂位置在母材。焊接工艺满足EN10225标准要求。

在-20 ℃时，FCAW焊接接头各位置-20 ℃冲击功均大于36 J，针状铁素体的存在是良好冲击韧性的保证；接头不同部位冲击韧性差别较大，熔合线外5 mm处韧性最低。