Q690E钢厚板窄间隙旋摆电弧MAG立焊工艺及冶金特点研究

摘要

随着国家海洋战略的逐步实施，自升式钻井平台作为近海石油勘探开发的主流产品之一，平台工作区域水深不断向更深的海域发展，工作环境也越来越苛刻，相应的用来建造海洋结构的海洋工程用钢的强度级别和厚度规格随之增加。桩腿齿条是自升式钻井平台升降系统的核心零部件，承载着整个平台的全部重量和载荷，其焊接质量将直接决定海洋平台的作业安全和服役效果。目前国内大厚壁高强度齿条用钢主要采用手工焊条电弧焊，工艺复杂落后，焊接效率低下，产品质量不稳定，工作环境恶劣，急需一种绿色、优质、高效的高强钢厚板焊接新工艺。本文正是在这种背景下，提出并采用窄间隙旋摆电弧MAG(NG-S2MAG)机器人立焊工艺实现了400ft(～189m)自升式钻井平台桩腿齿条分段接长，相比于传统工艺，节约焊材消耗约80％，缩短焊接周期近50％。在此基础上，研究了177.8mm厚Q690E先进调质高强钢NG-S2MAG立焊的工艺特点、热特点、接头组织与性能特点。
　　发掘了坡口间隙18～22mm时的“窄间隙-细丝-气体保护-一层一道-旋摆电弧-立焊”的接头成形特点及其热成因。NG-S2MAG立焊实质是电弧移动在坡口两侧壁之间的往复旋摆加热以及旋摆停顿时沿坡口近侧壁长度方向的直线行进加热。采用坐标变换法建立了NG-S2MAG立焊三维动态数学热源模型，温度场模拟结果表明，与传统直通或小摆幅焊接坡口双侧侧壁的同步熔合不同，NG-S2MAG立焊双侧侧壁的熔合是“分时”完成的，单侧母材“脉冲”热输入量(～12.5 kJ/cm)约占电弧总能量的1/2，也正是该部分热量造成了母材HAZ总宽度较窄(～3.0mm)，而过热粗晶区(CGHAZ)仅约0.8mm。NG-S2MAG立焊电弧“近侧壁直线段长时慢移动、坡口间旋摆段短时快移动”的特点以及液态熔敷金属的动态再分配，决定了新工艺的焊缝成形似“积木”以及焊层厚度较薄(2.5～4.0mm)。
　　阐明了“窄间隙-细丝-气体保护-一层一道-旋摆电弧-立焊”热循环曲线的双重“多峰”热特点，并明晰了NG-S2MAG单道多层立焊接头母材原 CGHAZ的亚区划分。提出并采用一种近侧壁隐藏布置热电偶测温法，直接获取了NG-S2MAG多层立焊母材CGHAZ的热循环曲线。分析发现，在实现坡口双侧侧壁“分时”熔合过程中，电弧的逐次逼近而后远离造成温度的“多峰”性，使得母材CGHAZ在1200℃以上的高温区停留时间不及传统直通电弧MAG立焊的1/3，且在较小线能量条件下即可获得传统直通电弧MAG立焊大线能量时的冷却速度;后焊层热源对先焊层的多次重热过程造成的“多峰”，使得母材原CGHAZ可细分为七个亚区，FG3-CG2-CG1HAZ、 IC3-CG2-CG1HAZ、 SC3-CG2-CG1HAZ、 SC3-FG2-CG1HAZ、FG2-CG1HAZ、IC2-CG1HAZ和SC2-CG1HAZ，各区面积比例约为4％、8％、28％、16％、23％、12％和9％，无CGHAZ和CG2-CG1HAZ，并且经历较低温度重热（包括亚温处理和回火处理）的亚区面积达到70％左右，说明NG-S2MAG立焊工艺本身具有独特的“自优化”功能。
　　揭示了Q690E钢NG-S2MAG立焊母材原CGHAZ的脆化与增韧机制。焊接热模拟试验结果表明，试验钢对1200℃以上高温时原奥氏体晶粒长大敏感，母材CGHAZ和CG2-CG1HAZ主要是粗大的板条马氏体，组织硬而脆，低温冲击断裂主要为穿晶解理断裂。峰值温度低于1200℃的重热过程对改善试验钢原CGHAZ的低温韧性有利，但同珠光体钢或贝氏体钢不同的是，高温回火和亚温处理后的韧性提高比例(40～50％)较正火后的(20～40％)要高，说明母材原CGHAZ的板条马氏体回火成回火马氏体或回火索氏体要比正火成新鲜马氏体具有更好的抑制裂纹扩展能力。
　　找到了优化Q690E钢NG-S2MAG立焊接头性能的工艺措施。从控制试验钢CGHAZ韧性恶化的角度出发，可通过进一步微调焊接电流、焊接速度以及坡口两侧停留时间等参数，缩短1200℃以上高温停留时间和控制焊层厚度在3.5mm以内。而对于近表层焊缝及其热影响区的性能，可采用回火焊道技术来改善。
　　上述研究结果，一方面丰富了800MPa级先进高强钢厚板“窄间隙-细丝-气体保护-一层一道-旋摆电弧-立焊”的工程试验数据及相关焊接理论;另一方面为船舶与海洋工程装备行业大厚壁高强钢结构件的高效焊接提供了新的工艺方法和理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 厚板窄间隙焊接技术研究现状

1．2．1 窄间隙焊接方法分类及特点

1．2．2 窄间隙GMAW焊接技术进展

1．3 海洋平台齿条钢焊接工艺研究现状

1．3．1 焊接冷裂纹

1．3．2 热影响区组织与韧性的关联

1．4 目前研究存在的问题

1．5 论文主要研究内容

第2章 试验条件及方法

2．1 焊接设备

2．2 试验材料

2．3 焊接规范

2．4 试验方法

2．4．1 焊接热循环曲线测量

2．4．2 焊接热模拟试验

2．4．3 力学性能测试分析

2．4．4 断口形貌观察分析

2．4．5 显微组织观察分析

第3章 窄间隙旋摆电弧MAG立焊的工艺特点

3．1 新工艺的基本原理

3．2 焊接接头成形特点

3．3 电弧移动过程分析

3．4 熔池形貌演变分析

3．5 本章小结

第4章 窄间隙旋摆电弧MAG立焊的热特点

4．1 焊接温度场模拟

4．1．1 热源模型推导

4．1．2 模型网格划分

4．1．3 模型参数设置

4．1．4 模拟结果验证

4．2 热影响区亚区划分

4．2．1 单层立焊

4．2．2 多层立焊

4．3 热循环曲线分析

4．4 本章小结

第5章 Q690E钢窄间隙旋摆电弧MAG立焊的接头性能特点

5．1 实际接头的力学性能

5．1．1 接头硬度

5．1．2 强度和塑性

5．1．3 低温韧性

5．2 热影响区韧性演变分析

5．2．1 热模拟试验结果

5．2．2 低温冲击断口分析

5．3 与实际接头韧性差异分析

5．4 本章小结

第6章 Q690E钢窄间隙旋摆电弧MAG立焊的冶金特点

6．1 实际接头的显微组织

6．2 热影响区组织演变分析

6．2．1 模拟一次热循环组织

6．2．2 模拟两次热循环组织

6．3 显微组织对冲击韧性的影响

6．4 热影响区脆化机制讨论

6．4．1 粗晶脆化

6．4．2 组织脆化

6．5 实际工艺优化措施

6．6 本章小结

结论

本文的主要创新之处

下一步研究工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢