国产船用耐蚀钢手工焊接接头组织和性能

国产船用耐蚀钢手工焊接接头组织和性能摘要：采用我国自主研发耐蚀手工焊条CJ507NS对国产船用耐蚀钢DH32分别进行横位置和立位置焊接，利用光学显微镜、万能应力试验机、维氏硬度计对两种位置焊接接头的组织和性能进行了研究。试验结果表明，国产耐蚀手工焊条与国产耐蚀DH32具有较好匹配性，横位置焊接头的抗拉强度达到516MPa，-20℃平均冲击值为235J；立位置焊接接头抗拉强度达到526MPa，-20℃平均冲击值达到103J。两种位置焊接接头的硬度均小于350HV，经过168h内底板腐蚀试验接头表面都没有不连续台阶，经过98天上甲板腐蚀试验，焊缝与母材交界处无明显台阶，都满足现有船规和IMO标准要求。引言远洋运输的油船货油舱，由于原油成分的多样性和含有多种酸性腐蚀介质造成的原油腐蚀，都是船舶运行中常见的腐蚀问题。2010年5月，国际海事组织(IMO)海上安全委员会第87届会议通过了《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》。从而使《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》成为《国际海上人命安全(SOLAS)公约》框架内的强制性要求，并将于2014年1月1日正式实施。耐蚀钢已成为IMO油船货油舱涂层标准唯一的替代方案。耐蚀钢技术的推出不仅对造船界的影响举足轻重，也将对钢铁等相关行业产生深远影响[1-6]。日本已在耐蚀钢领域进行了多年的研究，油船耐蚀钢的生产及相关焊接、评价技术仍为日本企业所垄断，且日本正在我国申请相关专利。因此，耐蚀钢性能标准的通过对国内相关造船企业、钢铁企业都将产生显著影响，短期内可能形成日本耐蚀钢的垄断性供应，甚至可能对我国承接船舶订单形成技术壁垒。目前国产耐蚀钢刚刚推出，还没有一种适用于原油船货油舱用国产耐蚀钢的手工焊焊接方法。本文针对国产船用耐蚀钢DH32采用我国自主研发耐蚀手工焊条CJ507NS进行横位置、立位置焊接，对焊接接头进行常规力学性能检测以及腐蚀性能试验，对国产手工焊条和耐蚀钢匹配性进行了研究。1试验材料与方法试验用母材为国产船用耐蚀DH32钢，屈服强度为384MPa，抗拉强度为445MPa，-20℃冲击韧性值为333J，板厚20mm，主要化学成分如表1所示。试验用焊材为自主研发的CJ507NS耐蚀手工焊条，焊条直径分别为3.2mm和4.0mm，焊条焊芯化学成分见表2。为了考察船用耐蚀钢手工焊接头性能，根据焊接位置不同，选用立位置焊和横位置焊。其中，横位置焊采用非对称双面V型坡口，单侧坡口角度分别为10°、40°；立位置焊坡口采用对称双面V型坡口，坡口角度为50°，坡口形式如图1所示。焊前将坡口附近油污、铁锈和杂质清理干净，试板焊前不预热，焊后无热处理。焊条试验前需在350——400℃烘焙1.5-2h。横位置焊接过程中先采用直径3.2mm焊条打底，填充和盖面均采用直径4.0mm的焊条。立位置焊接过程全采用直径3.2mm焊条。具体工艺参数如表3所示。焊接后依据GB/T2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》、GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》、GB/T2650—2008《焊接接头冲击试验方法》、CB/T3770—2013《船用钢材焊接接头维氏硬度》、、《原油油船货油舱耐腐蚀钢材检验指南》CB/T3380—2013《船用钢材焊接接头宏观组织及缺欠酸蚀试验方法》分别对焊接接头进行拉伸性能、弯曲性能、冲击韧性、抗腐蚀性能以及焊缝组织进行检测和分析；试验设备分别为WE-1000液压式万能试验机、ZBC3452-A摆锤式冲击试验机、尼康EPIPHOT300倒置式金相显微镜。内底板腐蚀试验时将焊接接头试样放置于PH值为0.85的10%NaCl溶液中，试验温度为30℃，168小时后去除表面腐蚀产物，将去除产物的每片试样切取两片平行分析试样，取试样侧面为观察面，经水磨抛光和硝酸酒精腐蚀后利用光学显微镜观察焊缝熔合区。上甲板腐蚀试验中，试验装置中通入一定比例的腐蚀气体（氧气、二氧化碳，二氧化硫，硫化氢，余量为氮气），试样高温保持温度为50℃，持续18.5h，低温保持温度为25℃，持续2.5h，升降温时间均为1.5h，水浴温度为27.8℃，低温高温阶段循环进行，试验时间为98天。试验后腐蚀试样去除表面腐蚀产物，每片腐蚀试样选取两片平行分析试样，腐蚀抛光后观察焊缝熔合区显微组织。2试验结果与分析2.1手工焊焊接接头显微组织不同位置手工焊焊接接头焊缝组织如图1所示。由图1可知，两种焊接位置焊接接头显微组织均由先共析铁素体（晶界铁素体）、侧板条铁素体和针状铁素体组成。横位置焊时焊缝组织的针状铁素体组织比例显著高于立位置焊时焊缝中的针状铁素体组织。针状铁素体是由相邻的细小的大倾角铁素体组成，晶内分布有高密度的位错，因此能阻止裂纹扩展而具有较好的止裂性能，表现为高的焊缝冲击韧性。如果形成先共析铁素体、侧板体铁素体或其他的过热组织，对韧性大为不利，这些组织为裂纹的扩展提供了通道。由于立位置焊时的热输入大于横位置焊时热输入，因此前者焊缝凝固过程中过冷奥氏体的转变温度高于后者。奥氏体向铁素体转变是扩散型相变，转变过程受温度和时间的影响较大。热输入高时，接头的热积累大，高温停留时间长，因此奥氏体转变时的转变温度高，合金元素，尤其是碳的扩散更加充分，在晶界处容易形成先共析铁素体。还因为转变温度高，沿晶界铁素体还会出现向奥氏体晶内生长的侧板条铁素体。这使得立位置焊缝中的晶界铁素体和侧板条铁素体的含量和比例增加，使焊缝中的针状铁素体含量的比例降低，导致立位置焊时焊缝的冲击韧性低。横位置焊时热输入相对较低，焊缝凝固时过冷奥氏体转变趋向于较低的转变温度，此时碳的扩散能力相对降低，使过冷奥氏体晶界处的先共析铁素体和侧板条铁素体的转变受到限制，因此，使焊缝中针状铁素体的比例大为增加，显著增加了焊缝的韧性。另外，焊接热输入高时，焊缝凝固时容易形成粗大的柱状晶，使焊缝金属的t8/5的冷却速度降低，为C、N化物的析出提供了条件，同时也使得焊缝金属中的N、O含量增加，显著降低了焊缝的韧性（见表4）。2.2手工焊焊接接头力学性能两种位置焊接接头拉伸试验和侧弯弯曲试验验结果如表3所示。由表3可知，两种位置焊接接头抗拉强度均高于510MPa。与母材DH32抗拉强度445MPa相比，焊接接头抗拉强度高出母材16%-19%，表现出良好的抗拉强度。由图1可知，两种焊接位置焊接时接头焊缝的组织主要以针状铁素体为主，因此接头表现出较高拉伸性能。同时，两种焊接位置焊接时接头弯曲试验结果均合格，表明焊接接头经过室温缓慢加载弯曲后，其外侧在5倍放大镜下无裂纹和分层等冶金缺陷，表现出良好的弯曲性能。根据中国船级社标准要求，横位置和立位置焊接接头的抗拉强度均高于母材DH32的抗拉强度，且侧弯弯曲试验合格，符合标准要求。现有船规要求DH32船用钢焊接接头冲击试验温度为0℃，为进一步检验船用耐蚀钢冲击韧性值裕量，将冲击试验温度改为-20℃。采用ZBC3452-A摆锤式冲击试验机，在温度-20℃环境下对不同位置焊接接头进行冲击试验。船用耐蚀钢DH32钢手工焊横位置和立位置焊接接头冲击韧性如表4所示。根据船规要求，船用DH32钢在0℃环境下手工焊横位置冲击韧性平均值须≥34J，立位置冲击韧性冲击平均值须≥47J。如表4所示可知，无论是横位置焊接还是立位置焊接，焊缝中心冲击韧性值最低，横位置焊缝中心冲击值为235J，立位置焊缝中心冲击值为103J；横位置焊接接头熔合线外2mm处冲击值为306J，熔合线外5mm处冲击值为263J；立位置焊接接头熔合线外2mm处冲击值为315J，熔合线外5mm处冲击值为287J。不同位置焊接接头整个焊缝区域在-20℃环境中，冲击韧性平均值均高于100J，远远超出现有船规要求。尽管立位置反面焊缝中心冲击值有一个低于标准值34J，只有33J，但根据船规要求该冲击韧性值不低于标准值70%且三个平行试样中只有一个试样冲击值低于标准值，视为合格。焊接接头显微硬度测试选择距离焊缝上表面2mm处、焊缝交接处、距离焊缝下表面2mm为测试部位，分别测试母材、热影响区、焊缝区域硬度，测试部位如图2所示，测试结果如表5所示，硬度变化曲线如图3所示。由表5和图3知，立位置焊接接头焊缝硬度为209-253HV，最高253HV、母材硬度178-204HV、热影响区硬度为182-241HV。横位置焊接接头母材硬度191-222HV、热影响区硬度为190-237HV、焊缝中心硬度为194-253HV。由此可知，两种位置焊接时接头焊缝的硬度低于253HV，热影响区未出现软化现象。根据现有船规要求，船用DH32钢焊接接头硬度值应低于350HV，说明横位置和立位置焊接接头硬度符合船规要求2.3手工焊焊接接头腐蚀性能两种位置焊接时接头试样经7天内底板腐蚀试验去除表面腐蚀层后，对焊缝区域进行显微组织观察，金相试验结果如图4所示。由图4可知，两种位置焊接时内底板焊接接头的腐蚀面都很平整，母材腐蚀平面与焊缝腐蚀平面重合，均无腐蚀台阶出现。依据中国船级社2013年2月《原油油船货油舱耐腐蚀钢材检验指南》中判定依据，两种焊接位置焊接时接头未见不连续表面，符合标准要求。这主要与焊缝中添加一定量的Cr元素有效提高其在酸性盐溶液中耐蚀性。考虑到立位置焊接过程中热输入量较大，针对立位置焊接接头进行98天上甲板板腐蚀试验，试验后去除表面腐蚀层后，对焊缝区域进行显微组织观察，显微组织如图5所示。由图5可知，横位置焊接接头试样母材平均表面线均低于焊缝平均表面线，可直接判定被测焊接接头台阶合格，没有不连续表面，符合《原油油船货油舱耐腐蚀钢材检验指南》中判定要求。表明立位置焊接接头具有良好的耐蚀钢性能。上甲板腐蚀试验为冷热干湿交替环境，焊接接头表现出良好的耐蚀性主要由于焊缝中存在适量的Cu元素，Cu元素能提高焊缝抵抗在干湿反复环境下酸性水引起的均匀腐蚀，并在硫化氢存在的情况下通过形成难溶性硫化物改善锈层而提高耐均匀腐蚀性和耐点蚀性。3结论1）采用我国自主研发耐蚀手工焊条CJ507NS对国产船用耐蚀钢DH32进行横位置、立位置焊接，可获得力学性能和耐腐蚀性能良好的焊接接头，表明国产手工焊条与国产船用耐蚀钢匹配性良好。2）横位置焊接接头抗拉强度可达到516MPa，侧弯性能合格，-20℃冲击韧性可达到235J，硬度值为178-253HV；立位置焊接接头抗拉强度可达到526MPa，侧弯性能合格，-20℃冲击韧性可达到103J，硬度值为190-253HV。3）横位置、立位置焊接接头经过内底板腐蚀试验后接头表面未见不连续台阶；立位置焊接接头经过上甲板腐蚀试验后接头表面无不连续台阶。参考文献：[1]赵奇.另辟蹊径，加快船用耐蚀钢研究[J].船舶经济贸易,2011(1):36.[2]肖珩，黄振中，汪崧，等.新型耐海水腐蚀低合金钢10CrCuSiV锈层分析研究报告[J].北京科技大学学报，1997，9(5)：476-479.[3]王建民，陈学群，李国民，常万顺.两类船用低合金钢耐点蚀性能的比较[J].中国腐蚀与防护学报，2005，25(6)：356-360.[4]孔小东，杨明波，童康明，朱梅五.焊接工艺对低合金海洋用钢焊接接头耐蚀性的影响[J].兵器材料科学与工程，2007，30(5):22-23.[5]曹国良，李国明，陈珊，常万顺，陈雪群.Ni+Cu+P钢耐蚀点蚀性能的机理研究[J].材料工程，2010,8：38-43.[6]孔小东，杨明波，朱梅五.不同合金化体系的合金钢焊接接头的耐蚀性比较[J].金属铸锻焊技术，2010，13(4)：34-37.[7]娄宇航,肖红军,彭云,等.690MPa级低合金高强钢焊接接头组织性能[J].材料科学与工艺，2012,20（2）：101-107[8]许鸿吉，王光大，张忠和,等.BWELDY700QL4低合金高强钢焊接接头组织与力学性能[J].大连交通大学学报,2012,33(3):41-44.