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摘要： 为了研究用于高强度结构钢（屈服强度为420 MPa、460 MPa）的焊接工艺，采用药芯焊丝气体保护焊工艺对国产高强度钢（EH420Z35和EH460Z35）进行了焊接试验、力学性能试验及CTOD试验测试。试验结果表明，焊接接头的各项性能均满足相关标准的要求，且具有较好的断裂韧性和疲劳性能，满足标准的设计要求，能有效降低海洋结构物总体重量、施工难度和开发成本。
关键词： 中图分类号： TG457.11
Abstract： In order to research the welding process of high strength structural steels （yield strengths are 420 MPa and 460 MPa respectively）， the welding test， mechanical property tests and CTOD test for high strength steel are carried out by adopting the fluxedcored arc welding process. Test results show that the properties of welded joints all meet the requirements of the related standard， and the welded joints possess good fracture toughness and fatigue performance， which also meet the design requirements of standards. This research effectively reduces the overall quality of marine structure， construction difficulty and the cost of development.
Key words： high strength structural steel； welding procedure； fracture toughness； fatigue performance
0 前言
[HT]隨着船舶及海洋工程技术的发展，尤其是大型船舶和深海海洋工程建造技术的发展，要求大幅度提高焊接结构的承载能力。采用高强度或超高强度钢来提高承载能力或在结构承载能力不变的情况下，大大减轻结构自身质量，这已成为重要工程结构设计的趋势[1]。
近期公司参与的投标项目里面多个项目都涉及到高强度结构钢（屈服强度为420 MPa、460 MPa，以下简称为S420和S460钢），其中投标的导管架项目为2个3×10.4 t的导管架，其主体结构为S420钢，最大壁厚为100 mm。项目要求厚度大于50 mm的焊接接头要做CTOD测试。此外，公司投标的另一个项目为2个张力腿平台，平台总质量约为10 104 t，其主体结构中有60%为S460/S420高强度结构钢。S420/S460高强度结构钢用于焊接结构，对于降低建造成本，提高结构承载能力有着极大的优势，但该钢材对焊接技术要求较高，焊接工艺参数控制要求较严，焊接生产过程监控较严。对S420、S460级别高强度结构钢进行焊接工艺开发，使公司掌握该强度级别钢材的焊接技术，形成公司自有成套焊接工艺，提升公司焊接技术水平，进而提升公司海洋工程的制造能力，有利于公司后续承揽相关工程项目。高强度结构钢中，尤其以TMCP高强度结构钢应用最广，以GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP（分别为S420和S460强度级别的一种）高强度结构钢为例，通过计算碳当量，分析其焊接性能，进行了焊接工艺设计和开发。
1 TMCP高强度结构钢性能特点
TMCP （Thermo Mechanical Control Process）钢是通过控制轧制和控制冷却工艺，实现晶粒细化和细晶强化，从而改善钢材力学性能的新型工程用钢。TMCP钢以其优良的常低温强韧性、良好的焊接性、良好的抗腐蚀能力在船舶、压力容器、油气管道及海洋工程结构中得到大规模应用。
根据国内常用S420、S460级别高强度结构钢种特点，选用了GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP高强度结构钢为试验材料，其规格为1 000 mm×300 mm×80 mm，试验件的化学成分和力学性能分别见表1和表2。为避免火焰切割对试件力学性能的影响，坡口加工采用机加工的方式。坡口形式如图1所示，K形坡口分别开在EH420-Z35和EH460-Z35侧。
2 试验钢材焊接性能分析
钢材焊接性能的差异可用焊接性表示。钢材的焊接性是指在一定的工艺条件下焊接时，能获得优质焊接接头的能力，通常用碳当量来评价。按照国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式[2]，并结合表1中的化学成分计算得出EH420-Z35和EH460-Z35钢的碳当量分别为0.38%和0.40%。
当碳当量<0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热。
当碳当量为0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热、控制热输入等工艺措施。
当碳当量>0.6%时，淬硬倾向强，属于较难焊的钢材，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施等。
单纯从碳当量分析，试验钢材的焊接性较好，但TMCP钢的高强度、高韧性是控轧工艺致使晶粒细化的结果。在焊接热循环作用下，其热影响区组织不可避免的发生晶粒长大现象，使得其高强度、高韧性的特点严重丧失，出现比一般正火钢更为严重的热影响区脆化和软化现象。 3 焊接工艺设计和开发
根据对试验钢材焊接性能的分析，在焊接工艺设计时着重考虑以下方面：
（1）焊前选择合适的预热温度，根据EH420-Z35和EH460-Z35钢的性能特点和AWS D1.1/D1.1M：2010标准的要求，最终确定最低预热温度为110 ℃，焊接过程中最高温度不要超过210 ℃；
（2）焊接过程中严格控制热输入，根据EH420-Z35和EH460-Z35钢的性能特点，参考多方面资料，最终确定热输入尽量控制在1.0～2.5 kJ/mm。
根据公司现有的焊接设备，着重开发了药芯焊丝气体保护焊接工艺，对EH420-Z35和EH460-Z35钢对接进行焊接工艺设计和开发。
3.1 焊前准备
根据项目需要，选择3G位置（立向上）进行焊接试验，焊接材料的选型是本次工艺研究的重点。一般根据材料等强匹配的原则选用焊接材料，但考虑根部刚性较强，因此打底焊条强度采用低一个级别。打底焊条为 LB-52NSU，型号为AWS A5.5 E7016-G；填充和盖面药芯焊丝牌号为DW-A55L，型号为AWS A5.29 E81T1-K2M（同S460钢材等强匹配），保护气体为混合气，其成分为氩气和二氧化碳，占比分别为80%和20%，气体流量为15～25 L/min。
焊前应采取打磨等措施彻底清除坡口表面及附近25 mm内的铁锈、油污异物。
3.2 焊接工艺
（1）焊前预热温度在110～120 ℃之间，焊接过程中层间温度控制在110～200 ℃之间。预热宽度为焊缝中心两侧各80 mm范围内，用接触式测温仪在距焊缝中心50 mm处对称测量。加热采用电阻加热器加热。
（2）采用多层多道焊，打底焊道采用焊条电弧焊（简称为SMAW），厚度为4～5 mm，后续填充盖面采用多层多道焊，焊接方法为药芯焊丝气体保护焊（以下简称为FCAW-G），每层焊缝厚度3～4 mm。焊接热输入控制在1.0～2.5kJ/mm。
（3）焊接参数如表3所示。为了保证焊接质量，所有焊道的热输入都控制在1.0～2.5 kJ/mm。
4 检验及结果分析
4.1 无损检验
焊接完成48 h后进行无损检验，包括焊缝外观检验、磁粉检验和超声波检测，检验结果均满足AWS D1.1/D1.1M：2010标准的要求。
4.2 力学性能试验
4.2.1 拉伸试验
拉伸试样采用机加工的方法进行取样，取样尺寸参考AWS D1.1/D1.1M：2010。试样在拉伸载荷下破断，并应测定最大荷载。横截面的面积应由宽度乘以厚度得到。拉伸强度应为最大荷载除以横截面积所得之商。结果表明，EH 420-Z35的拉伸强度的最小值为565 N/mm.2，大于AWS D1.1/D1.1M：2010标准所规定的最小值530 N/mm.2。EH 460-Z35的拉伸强度的最小值为570 N/mm.2，正好等于标准所规定的最小值570 N/mm.2，拉伸试验测试合格。
4.2.2 彎曲试验
在万能试验机上进行侧弯试验，弯曲试样参考AWS D1.1/D1.1M：2010标准。其中试验压头直径为50.8 mm，弯曲角度为180°。EH420-Z35钢与EH460-Z35钢弯曲试验结果均符合AWS D1.1/D1.1M：2010标准所规定的弯曲试验合格判据，弯曲试验合格。
4.2.3 冲击试验
按照标准AWS D1.1/D1.1M：2010进行夏比V型冲击试验，试验结果如图2所示。焊接规格书冲击试验最低值是50 J， 由图2可知 EH420-Z35和EH460-Z35的冲击试验值均合格。焊缝中心及焊缝根部中心的冲击值较其他部位低，熔合线及FL+1 mm、FL+5 mm的冲击值依次升高。焊缝中心冲击值低的直接原因是存在于焊缝中的微观氧化物夹杂的聚集及硫、磷等有害相的偏析等，其形态为多边形微观夹杂，形成冲击试样的裂纹源，尺寸较大的氧化物夹杂，可作为解理核心，引起试样脆性断裂。冲击数值最低的位置出现在根部焊缝。该材料为大厚壁板，在中心板处会出现成分偏析，造成硫化物等杂质较多，此外，该部位拘束很大，应力较大，因此此处为冲击最薄弱位置。
4.2.4 硬度试验
硬度试样应光洁并能清晰地显示焊缝的轮廓。按ASTM A370标准[3]所规定的要求进行硬度试验。结果表明，硬度数值主要在167～237 HV10之间，小于规格书要求的最大值350 HV10。说明该焊接接头韧性较好。
4.2.5 裂纹尖端张开位移试验
裂纹尖端张开位移试验（Crack Tip Opening Displacement，简称CTOD）按BS 7448 Part2[4]和DNV-OS-C401[5]执行，试验结果如表4所示。根据标准要求，CTOD最小值为0.15 mm。由表可知，CTOD结果满足标准要求，均大于标准要求的最小值。CTOD最小值出现在EH460-Z35侧，最大值出现在EH420-Z35侧。可见，强度越高，抗脆性断裂能力越差。
4.2.6 疲劳扩展速率和门槛值
疲劳裂纹扩展速率按着GB/T 6398—2000[6]和ASTM E647-2000[7]的要求进行疲劳试验。EH460-Z35热影响区、EH420-Z35热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展速率分别为2.05×10.-13（ΔK）.4.21， 2.24×10.-13（ΔK）.4.18和2.33×10.-12（ΔK）.3.44， EH460-Z35热影响区、EH420-Z35热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展门槛值分别为8.734 MPa·m.1/2，8.608 MPa·m.1/2和5.966 MPa·m.1/2。根据BS7910标准[8]的要求，门槛值的最小值为2 MPa·m.1/2。实验结果远远高于标准的要求。 5 結论
（1）根据AWS D1.1/D1.1M：2010标准成功地对EH420-Z35和EH460-Z35材料进行了药芯焊丝气体保护焊工艺开发，各项结果均满足标准的要求。焊接接头具有较好的强度、韧性和低温冲击性能，满足海洋工程设计要求。
（2）对药芯焊丝气体保护焊工艺的焊接接头进行断裂韧性CTOD试验，试验结果表明：-10 ℃服役条件下断裂韧性CTOD试验结果均满足DNV-OS-C401标准大于0.15 mm的要求，表明该焊接接头具有良好的抗裂性能。
（3）对药芯焊丝气体保护焊工艺的焊接接头进行疲劳裂纹扩展速率测定。试验结果表明：疲劳裂纹扩展门槛值大于BS7910规定的最小值2 MPa·m.1/2。表明该焊接接头抗疲劳性能优良。
参考文献
[1] 侯晓英. 海洋平台用钢的开发及应用现状[J]. 莱钢科技， 2014（6）： 1-3.
[2] American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M：2010， Structural welding code-steel[S]. 22nd ed. USA： American Welding Society， 2010.
[3] American Society for Testing and Materials. ASTM A370-2016， Standard test methods and definition for mechanical testing of steel products[S]. USA： American Society for Testing and Materials， 2016.
[4] British Standard Institution. BS 7448：2：1997， Fracture mechanics toughness tests， Part 2. method for determination of KIC， critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S]. British： British Standard Institution， 1997.
[5] Det Norske Veritas. DNV-OS-C401—2010， Fabrication and testing of offshore structures[S]. Norway： Det Norske Veritas， 2010.
[6] 国家质量技术监督局. GB/T 6398—2000 金属材料疲劳裂纹扩展速率试样方法[S]. 北京：中国标准出版社，2001：142-143.
[7] American Society for Testing and Materials. ASTM E647-2000， Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates[S]. USA： American Society for Testing and Materials， 2000.
[8] British Standard Institution. BS 7910：2005. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]. British： British Standard Institution， 1997.
关键词： 中图分类号： TG457.11
Abstract： In order to research the welding process of high strength structural steels （yield strengths are 420 MPa and 460 MPa respectively）， the welding test， mechanical property tests and CTOD test for high strength steel are carried out by adopting the fluxedcored arc welding process. Test results show that the properties of welded joints all meet the requirements of the related standard， and the welded joints possess good fracture toughness and fatigue performance， which also meet the design requirements of standards. This research effectively reduces the overall quality of marine structure， construction difficulty and the cost of development.
Key words： high strength structural steel； welding procedure； fracture toughness； fatigue performance
0 前言
[HT]隨着船舶及海洋工程技术的发展，尤其是大型船舶和深海海洋工程建造技术的发展，要求大幅度提高焊接结构的承载能力。采用高强度或超高强度钢来提高承载能力或在结构承载能力不变的情况下，大大减轻结构自身质量，这已成为重要工程结构设计的趋势[1]。
近期公司参与的投标项目里面多个项目都涉及到高强度结构钢（屈服强度为420 MPa、460 MPa，以下简称为S420和S460钢），其中投标的导管架项目为2个3×10.4 t的导管架，其主体结构为S420钢，最大壁厚为100 mm。项目要求厚度大于50 mm的焊接接头要做CTOD测试。此外，公司投标的另一个项目为2个张力腿平台，平台总质量约为10 104 t，其主体结构中有60%为S460/S420高强度结构钢。S420/S460高强度结构钢用于焊接结构，对于降低建造成本，提高结构承载能力有着极大的优势，但该钢材对焊接技术要求较高，焊接工艺参数控制要求较严，焊接生产过程监控较严。对S420、S460级别高强度结构钢进行焊接工艺开发，使公司掌握该强度级别钢材的焊接技术，形成公司自有成套焊接工艺，提升公司焊接技术水平，进而提升公司海洋工程的制造能力，有利于公司后续承揽相关工程项目。高强度结构钢中，尤其以TMCP高强度结构钢应用最广，以GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP（分别为S420和S460强度级别的一种）高强度结构钢为例，通过计算碳当量，分析其焊接性能，进行了焊接工艺设计和开发。
1 TMCP高强度结构钢性能特点
TMCP （Thermo Mechanical Control Process）钢是通过控制轧制和控制冷却工艺，实现晶粒细化和细晶强化，从而改善钢材力学性能的新型工程用钢。TMCP钢以其优良的常低温强韧性、良好的焊接性、良好的抗腐蚀能力在船舶、压力容器、油气管道及海洋工程结构中得到大规模应用。
根据国内常用S420、S460级别高强度结构钢种特点，选用了GB 712—2011 EH420-Z35和EH460-Z35 TMCP高强度结构钢为试验材料，其规格为1 000 mm×300 mm×80 mm，试验件的化学成分和力学性能分别见表1和表2。为避免火焰切割对试件力学性能的影响，坡口加工采用机加工的方式。坡口形式如图1所示，K形坡口分别开在EH420-Z35和EH460-Z35侧。
2 试验钢材焊接性能分析
钢材焊接性能的差异可用焊接性表示。钢材的焊接性是指在一定的工艺条件下焊接时，能获得优质焊接接头的能力，通常用碳当量来评价。按照国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式[2]，并结合表1中的化学成分计算得出EH420-Z35和EH460-Z35钢的碳当量分别为0.38%和0.40%。
当碳当量<0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热。
当碳当量为0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热、控制热输入等工艺措施。
当碳当量>0.6%时，淬硬倾向强，属于较难焊的钢材，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施等。
单纯从碳当量分析，试验钢材的焊接性较好，但TMCP钢的高强度、高韧性是控轧工艺致使晶粒细化的结果。在焊接热循环作用下，其热影响区组织不可避免的发生晶粒长大现象，使得其高强度、高韧性的特点严重丧失，出现比一般正火钢更为严重的热影响区脆化和软化现象。 3 焊接工艺设计和开发
根据对试验钢材焊接性能的分析，在焊接工艺设计时着重考虑以下方面：
（1）焊前选择合适的预热温度，根据EH420-Z35和EH460-Z35钢的性能特点和AWS D1.1/D1.1M：2010标准的要求，最终确定最低预热温度为110 ℃，焊接过程中最高温度不要超过210 ℃；
（2）焊接过程中严格控制热输入，根据EH420-Z35和EH460-Z35钢的性能特点，参考多方面资料，最终确定热输入尽量控制在1.0～2.5 kJ/mm。
根据公司现有的焊接设备，着重开发了药芯焊丝气体保护焊接工艺，对EH420-Z35和EH460-Z35钢对接进行焊接工艺设计和开发。
3.1 焊前准备
根据项目需要，选择3G位置（立向上）进行焊接试验，焊接材料的选型是本次工艺研究的重点。一般根据材料等强匹配的原则选用焊接材料，但考虑根部刚性较强，因此打底焊条强度采用低一个级别。打底焊条为 LB-52NSU，型号为AWS A5.5 E7016-G；填充和盖面药芯焊丝牌号为DW-A55L，型号为AWS A5.29 E81T1-K2M（同S460钢材等强匹配），保护气体为混合气，其成分为氩气和二氧化碳，占比分别为80%和20%，气体流量为15～25 L/min。
焊前应采取打磨等措施彻底清除坡口表面及附近25 mm内的铁锈、油污异物。
3.2 焊接工艺
（1）焊前预热温度在110～120 ℃之间，焊接过程中层间温度控制在110～200 ℃之间。预热宽度为焊缝中心两侧各80 mm范围内，用接触式测温仪在距焊缝中心50 mm处对称测量。加热采用电阻加热器加热。
（2）采用多层多道焊，打底焊道采用焊条电弧焊（简称为SMAW），厚度为4～5 mm，后续填充盖面采用多层多道焊，焊接方法为药芯焊丝气体保护焊（以下简称为FCAW-G），每层焊缝厚度3～4 mm。焊接热输入控制在1.0～2.5kJ/mm。
（3）焊接参数如表3所示。为了保证焊接质量，所有焊道的热输入都控制在1.0～2.5 kJ/mm。
4 检验及结果分析
4.1 无损检验
焊接完成48 h后进行无损检验，包括焊缝外观检验、磁粉检验和超声波检测，检验结果均满足AWS D1.1/D1.1M：2010标准的要求。
4.2 力学性能试验
4.2.1 拉伸试验
拉伸试样采用机加工的方法进行取样，取样尺寸参考AWS D1.1/D1.1M：2010。试样在拉伸载荷下破断，并应测定最大荷载。横截面的面积应由宽度乘以厚度得到。拉伸强度应为最大荷载除以横截面积所得之商。结果表明，EH 420-Z35的拉伸强度的最小值为565 N/mm.2，大于AWS D1.1/D1.1M：2010标准所规定的最小值530 N/mm.2。EH 460-Z35的拉伸强度的最小值为570 N/mm.2，正好等于标准所规定的最小值570 N/mm.2，拉伸试验测试合格。
4.2.2 彎曲试验
在万能试验机上进行侧弯试验，弯曲试样参考AWS D1.1/D1.1M：2010标准。其中试验压头直径为50.8 mm，弯曲角度为180°。EH420-Z35钢与EH460-Z35钢弯曲试验结果均符合AWS D1.1/D1.1M：2010标准所规定的弯曲试验合格判据，弯曲试验合格。
4.2.3 冲击试验
按照标准AWS D1.1/D1.1M：2010进行夏比V型冲击试验，试验结果如图2所示。焊接规格书冲击试验最低值是50 J， 由图2可知 EH420-Z35和EH460-Z35的冲击试验值均合格。焊缝中心及焊缝根部中心的冲击值较其他部位低，熔合线及FL+1 mm、FL+5 mm的冲击值依次升高。焊缝中心冲击值低的直接原因是存在于焊缝中的微观氧化物夹杂的聚集及硫、磷等有害相的偏析等，其形态为多边形微观夹杂，形成冲击试样的裂纹源，尺寸较大的氧化物夹杂，可作为解理核心，引起试样脆性断裂。冲击数值最低的位置出现在根部焊缝。该材料为大厚壁板，在中心板处会出现成分偏析，造成硫化物等杂质较多，此外，该部位拘束很大，应力较大，因此此处为冲击最薄弱位置。
4.2.4 硬度试验
硬度试样应光洁并能清晰地显示焊缝的轮廓。按ASTM A370标准[3]所规定的要求进行硬度试验。结果表明，硬度数值主要在167～237 HV10之间，小于规格书要求的最大值350 HV10。说明该焊接接头韧性较好。
4.2.5 裂纹尖端张开位移试验
裂纹尖端张开位移试验（Crack Tip Opening Displacement，简称CTOD）按BS 7448 Part2[4]和DNV-OS-C401[5]执行，试验结果如表4所示。根据标准要求，CTOD最小值为0.15 mm。由表可知，CTOD结果满足标准要求，均大于标准要求的最小值。CTOD最小值出现在EH460-Z35侧，最大值出现在EH420-Z35侧。可见，强度越高，抗脆性断裂能力越差。
4.2.6 疲劳扩展速率和门槛值
疲劳裂纹扩展速率按着GB/T 6398—2000[6]和ASTM E647-2000[7]的要求进行疲劳试验。EH460-Z35热影响区、EH420-Z35热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展速率分别为2.05×10.-13（ΔK）.4.21， 2.24×10.-13（ΔK）.4.18和2.33×10.-12（ΔK）.3.44， EH460-Z35热影响区、EH420-Z35热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展门槛值分别为8.734 MPa·m.1/2，8.608 MPa·m.1/2和5.966 MPa·m.1/2。根据BS7910标准[8]的要求，门槛值的最小值为2 MPa·m.1/2。实验结果远远高于标准的要求。 5 結论
（1）根据AWS D1.1/D1.1M：2010标准成功地对EH420-Z35和EH460-Z35材料进行了药芯焊丝气体保护焊工艺开发，各项结果均满足标准的要求。焊接接头具有较好的强度、韧性和低温冲击性能，满足海洋工程设计要求。
（2）对药芯焊丝气体保护焊工艺的焊接接头进行断裂韧性CTOD试验，试验结果表明：-10 ℃服役条件下断裂韧性CTOD试验结果均满足DNV-OS-C401标准大于0.15 mm的要求，表明该焊接接头具有良好的抗裂性能。
（3）对药芯焊丝气体保护焊工艺的焊接接头进行疲劳裂纹扩展速率测定。试验结果表明：疲劳裂纹扩展门槛值大于BS7910规定的最小值2 MPa·m.1/2。表明该焊接接头抗疲劳性能优良。
参考文献
[1] 侯晓英. 海洋平台用钢的开发及应用现状[J]. 莱钢科技， 2014（6）： 1-3.
[2] American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M：2010， Structural welding code-steel[S]. 22nd ed. USA： American Welding Society， 2010.
[3] American Society for Testing and Materials. ASTM A370-2016， Standard test methods and definition for mechanical testing of steel products[S]. USA： American Society for Testing and Materials， 2016.
[4] British Standard Institution. BS 7448：2：1997， Fracture mechanics toughness tests， Part 2. method for determination of KIC， critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S]. British： British Standard Institution， 1997.
[5] Det Norske Veritas. DNV-OS-C401—2010， Fabrication and testing of offshore structures[S]. Norway： Det Norske Veritas， 2010.
[6] 国家质量技术监督局. GB/T 6398—2000 金属材料疲劳裂纹扩展速率试样方法[S]. 北京：中国标准出版社，2001：142-143.
[7] American Society for Testing and Materials. ASTM E647-2000， Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates[S]. USA： American Society for Testing and Materials， 2000.
[8] British Standard Institution. BS 7910：2005. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]. British： British Standard Institution， 1997.