Q690E鋼厚板窄間隙旋擺電弧MAG立焊工藝及冶金特點(diǎn)研究.pdf

1、隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，自升式鉆井平臺(tái)作為近海石油勘探開(kāi)發(fā)的主流產(chǎn)品之一，平臺(tái)工作區(qū)域水深不斷向更深的海域發(fā)展，工作環(huán)境也越來(lái)越苛刻，相應(yīng)的用來(lái)建造海洋結(jié)構(gòu)的海洋工程用鋼的強(qiáng)度級(jí)別和厚度規(guī)格隨之增加。樁腿齒條是自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)的核心零部件，承載著整個(gè)平臺(tái)的全部重量和載荷，其焊接質(zhì)量將直接決定海洋平臺(tái)的作業(yè)安全和服役效果。目前國(guó)內(nèi)大厚壁高強(qiáng)度齒條用鋼主要采用手工焊條電弧焊，工藝復(fù)雜落后，焊接效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，工作環(huán)境惡劣

2、，急需一種綠色、優(yōu)質(zhì)、高效的高強(qiáng)鋼厚板焊接新工藝。本文正是在這種背景下，提出并采用窄間隙旋擺電弧MAG(NG-S2MAG)機(jī)器人立焊工藝實(shí)現(xiàn)了400ft(～189m)自升式鉆井平臺(tái)樁腿齒條分段接長(zhǎng)，相比于傳統(tǒng)工藝，節(jié)約焊材消耗約80％，縮短焊接周期近50％。在此基礎(chǔ)上，研究了177.8mm厚Q690E先進(jìn)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼NG-S2MAG立焊的工藝特點(diǎn)、熱特點(diǎn)、接頭組織與性能特點(diǎn)。
　　發(fā)掘了坡口間隙18～22mm時(shí)的“窄間隙-細(xì)絲-氣體

3、保護(hù)-一層一道-旋擺電弧-立焊”的接頭成形特點(diǎn)及其熱成因。NG-S2MAG立焊實(shí)質(zhì)是電弧移動(dòng)在坡口兩側(cè)壁之間的往復(fù)旋擺加熱以及旋擺停頓時(shí)沿坡口近側(cè)壁長(zhǎng)度方向的直線(xiàn)行進(jìn)加熱。采用坐標(biāo)變換法建立了NG-S2MAG立焊三維動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)熱源模型，溫度場(chǎng)模擬結(jié)果表明，與傳統(tǒng)直通或小擺幅焊接坡口雙側(cè)側(cè)壁的同步熔合不同，NG-S2MAG立焊雙側(cè)側(cè)壁的熔合是“分時(shí)”完成的，單側(cè)母材“脈沖”熱輸入量(～12.5 kJ/cm)約占電弧總能量的1/2，也正是該部

4、分熱量造成了母材HAZ總寬度較窄(～3.0mm)，而過(guò)熱粗晶區(qū)(CGHAZ)僅約0.8mm。NG-S2MAG立焊電弧“近側(cè)壁直線(xiàn)段長(zhǎng)時(shí)慢移動(dòng)、坡口間旋擺段短時(shí)快移動(dòng)”的特點(diǎn)以及液態(tài)熔敷金屬的動(dòng)態(tài)再分配，決定了新工藝的焊縫成形似“積木”以及焊層厚度較薄(2.5～4.0mm)。
　　闡明了“窄間隙-細(xì)絲-氣體保護(hù)-一層一道-旋擺電弧-立焊”熱循環(huán)曲線(xiàn)的雙重“多峰”熱特點(diǎn)，并明晰了NG-S2MAG單道多層立焊接頭母材原 CGHAZ的亞區(qū)

5、劃分。提出并采用一種近側(cè)壁隱藏布置熱電偶測(cè)溫法，直接獲取了NG-S2MAG多層立焊母材CGHAZ的熱循環(huán)曲線(xiàn)。分析發(fā)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)坡口雙側(cè)側(cè)壁“分時(shí)”熔合過(guò)程中，電弧的逐次逼近而后遠(yuǎn)離造成溫度的“多峰”性，使得母材CGHAZ在1200℃以上的高溫區(qū)停留時(shí)間不及傳統(tǒng)直通電弧MAG立焊的1/3，且在較小線(xiàn)能量條件下即可獲得傳統(tǒng)直通電弧MAG立焊大線(xiàn)能量時(shí)的冷卻速度;后焊層熱源對(duì)先焊層的多次重?zé)徇^(guò)程造成的“多峰”，使得母材原CGHAZ可細(xì)分為七個(gè)

6、亞區(qū)，F(xiàn)G3-CG2-CG1HAZ、 IC3-CG2-CG1HAZ、 SC3-CG2-CG1HAZ、 SC3-FG2-CG1HAZ、FG2-CG1HAZ、IC2-CG1HAZ和SC2-CG1HAZ，各區(qū)面積比例約為4％、8％、28％、16％、23％、12％和9％，無(wú)CGHAZ和CG2-CG1HAZ，并且經(jīng)歷較低溫度重?zé)幔ò▉啘靥幚砗突鼗鹛幚恚┑膩唴^(qū)面積達(dá)到70％左右，說(shuō)明NG-S2MAG立焊工藝本身具有獨(dú)特的“自?xún)?yōu)化”功能。
　

7、　揭示了Q690E鋼NG-S2MAG立焊母材原CGHAZ的脆化與增韌機(jī)制。焊接熱模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼對(duì)1200℃以上高溫時(shí)原奧氏體晶粒長(zhǎng)大敏感，母材CGHAZ和CG2-CG1HAZ主要是粗大的板條馬氏體，組織硬而脆，低溫沖擊斷裂主要為穿晶解理斷裂。峰值溫度低于1200℃的重?zé)徇^(guò)程對(duì)改善試驗(yàn)鋼原CGHAZ的低溫韌性有利，但同珠光體鋼或貝氏體鋼不同的是，高溫回火和亞溫處理后的韌性提高比例(40～50％)較正火后的(20～40％)要高，說(shuō)

8、明母材原CGHAZ的板條馬氏體回火成回火馬氏體或回火索氏體要比正火成新鮮馬氏體具有更好的抑制裂紋擴(kuò)展能力。
　　找到了優(yōu)化Q690E鋼NG-S2MAG立焊接頭性能的工藝措施。從控制試驗(yàn)鋼CGHAZ韌性惡化的角度出發(fā)，可通過(guò)進(jìn)一步微調(diào)焊接電流、焊接速度以及坡口兩側(cè)停留時(shí)間等參數(shù)，縮短1200℃以上高溫停留時(shí)間和控制焊層厚度在3.5mm以?xún)?nèi)。而對(duì)于近表層焊縫及其熱影響區(qū)的性能，可采用回火焊道技術(shù)來(lái)改善。
　　上述研究結(jié)果，一方面