（材料加工工程专业论文）海洋结构用钢dh36厚板焊接接头断裂韧性的研究.pdf

摘要随着海洋资源的不断开发和应用，海洋结构用钢强度越来越高，厚度越来越大，高强钢厚板焊接接头的断裂韧性问题日益突出。研究海洋结构厚板焊接接头的断裂韧性问题，不但可以提高结构的安全性和可靠性，而且还可以缩短建造周期，降低建造成本。本文依据b s 7 4 4 8 、i s 0 1 2 1 3 5 和i s 0 15 6 5 3 标准中裂纹尖端张开位移c t o d试验方法，对海洋结构用钢d h 3 6 厚板焊接接头的断裂韧性进行了研究。研究结果表明：双丝埋弧焊焊缝区和热影响区的c t o d 值均低于单丝埋弧焊，而且不满足免除焊后热处理的最低值要求；若采用低温韧性优越的焊丝可以使双丝埋弧焊焊缝区c t o d 值提高，但热影响区的c t o d 值并未提高。为了改善双丝埋弧焊接头的断裂韧性，通过焊缝成形、硬度、冲击韧性及焊接效率的综合评价对焊接工艺进行了优化，结果表明：将焊接热输入控制在2 9 k j m m 左右时，合理的焊接工艺参数组合使焊缝和热影响区的c t o d 值明显提高。经过消应力退火处理的双丝埋弧焊接头，屈服强度和热影响区硬度略有下降：焊缝区断裂韧性c t o d 值明显提高，其中常规工艺焊缝c t o d 值由0 0 2 0 2 m m 提高到0 4 1 0 m m ，优化工艺后的焊缝c t o d 值由0 2 - - 0 4 m m 提高到0 9 - - 1 5 m m 但是，经过焊后热处理后，热影响区的c t o d 值存在一定的分散性，有的试样c t o d 值升高，有的则降低。评定试验中的p o p i n 效应并分析其产生原因，其中在裂纹尖端局部出现夹渣缺陷，粗大的侧板条铁素体，网状碳化物等会造成局部脆化产生p o p i n 效应；探讨了预制疲劳裂纹最大力及温度对药芯焊丝气保焊焊缝c t o d 试验中p o p i n效应的影响，经过试验对比，提高预制疲劳裂纹最大力或升高试验温度会导致p o p i n 效应消失。关键词：断裂韧性；裂纹尖端张开位移c t o d ；双丝埋弧焊：焊后热处理；p o p i n效应；局部脆化a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm a r i n er e s o u r c e s ，t h es t r e n g t ha n dt h i c k n e s so ft h es t e e lu s e di nm a r i n es t r u c t u r ei n c r e a s e s f r a c t u r et o u g h n e s so fh i g h s t r e n g t hs t e e lw e l d e dj o i n t si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s t u d yo nf r a c t u r et o u g h n e s so ft h i c kp l a t ew e l d e dj o i n t s ，n o to n l yc a ni m p r o v es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e s ，b u ta l s oc a ns h o r t e nf a b r i c a t i o nt i m ea n dr e d u c eb u i l dc o s t s t h ep a p e ri sb a s e do nb s 7 4 4 8 ，i s 0 1 2 1 3 5a n di s 0 1 5 6 5 3s t a n d a r d sa b o u tc r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e n tc t o dt e s tm e t h o d ，f r a c t u r et o u g h n e s so fw e l d e dj o i n t sd h 3 6s t e e lt h i c kp l a t eu s e di nm a r i n es t r u c t u r e sw e r es t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec t o dv a l u e so fw e l dz o n ea n dh a zo fd o u b l e w i r es u b m e r g e da r ca r el o w e rt h a nt h es i n g l e - w i r es u b m e r g e da r cw e l d ，a n di td i dn o tm e e tt h em i n i m u mv a l u er e q u i r e m e n to fe x e m p tp o s tw e l dh e a tt r e a t m e n t ；i ft h es u p e r i o rt o u g h n e s so fw i r e u s e di nd o u b l e - w i r es a w , c t o dv a l u e so fw e l dm e t a li n c r e a s e d ，b u tc t o dv a l u e so fh a zd i dn o ti n c r e a s e a f t e ra n a l y s i st h er e a s o n so fp o o rt o u g h n e s si nd o u b l e - w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n g ，d e s i g np r o c e s so fd o u b l e - w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n g t h ew e l d i n gh e a ti n p u ti s2 9 k j m m ，a n dw i t ht h er e a s o n a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r , t h ec t o dv a l u eo fw e l dm e t a ia n dh e a ta f f e c t e dz o n ei n c r e a s e ds u b s t a n t i a l l y y i e l ds t r e n g t ha n dh a r d n e s so fh e a ta f f e c t e dz o n ei nw i r es u b m e r g e da r cw e l d i n gj o i n t sd e c r e a s e ds l i g h t l y , a f t e rt h es t r e s sr e l i e v e da n n e a l e d ；f r a c t u r et o u g h n e s so ft h ew e l dz o n ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , c t o dv a l u e so fc o n v e n t i o n a lw e l d i n gp r o c e s s e si n c r e a s e df r o mo 0 2 0 2 m mt o0 4 1 0 m m t h ec t o dv a l u eo fo p t i m i z a t i o np r o c e s si n c r e a s e df r o mo 2 o 4 m mt o0 9 - 1 5 r a m ；h o w e v e r , a f t e rp o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n t ，t h ec t o dv a l u e so fh a za r eq u i t ed i s p e r s e d ，a n dc t o dv a l u eo fs o m es a m p l ei n c r e a s e d ，w h i l eo t h e r sa r er e d u c e d a s s e s s e dt h ep o p i np h e n o m e n o na n da n a l y z e di t sc a u s e s ，r e s e a r c hf o u n dt h a ts l a gd e f e c t s ，c o a r s ef e r r i t es i d ep l a t e ，n e t w o r kc a r b i d ea p p e a r e di nc r a c kt i pc a u s e dl o c a lb r i a l ez o n e ，t h e np o p - i np h e n o m e n o na p p e a r e d ；w i t ht h em a x i m u mf a t i g u ep r e c r a c k i n ga n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，p o p - i np h e n o m e n o nd i s a p p e a r e di nc t o dt e s to f f c a ww e l dm e t a l k e y w o r d s ：f r a c t u r et o u g h n e s s ，c t o d ，d o u b l e - w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n gp w h t p o p - i np h e n o m e n o n ，l o c a lb r i t t l e第一章绪论1 1 选题背景第一章绪论随着现代社会的飞速发展和科学技术的进步，人类对能源的需求和依赖越来越大。石油是当今世界最主要的能源之一，由于陆上油气资源经过长期大规模的开发，已经无法满足社会生产和发展的需要，因此，油气勘探与开发逐步转向了占地球表面7 1 左右且生物资源和矿物资源的海洋【l ，2 j 。海洋资源开发需要具有海上系泊设备、海底挖掘设备、深水调查船、海底管道及海洋平台等各种大型结构，其中海洋平台是海洋石油开发的关键设备 3 - 5 1 。海洋平台结构复杂，体积庞大，造价昂贵，与陆地结构相比，其所处的环境恶劣，承受着多种随机荷载，如波浪、海流、风、潮汐、海冰等，同时还受到低温环境和地震作用的威胁，服役环境异常恶劣【6 ，7 】。海洋钢结构产生破坏形式主要有5种，分别为：极限强度破坏、失稳破坏、脆性破坏、疲劳破坏、腐蚀破坏，其中脆性断裂属于低应力突然破坏，破坏之前难以发现及预防，因此最为危险，后果也最严重【8 - 1 0 1 。海洋钢结构是典型的大型焊接结构，多采用大厚板，在大厚板多层多道焊的生产制造及服役期间易产生脆性断裂。海洋结构大厚板焊接接头易产生低应力脆性断裂的原因主要有以下几方面 5 , 9 , 1 1 】：海洋结构板厚大，焊接接头繁多，接头形式复杂，接头处易产生应力集中如k t y 节点位置；大厚板多层多道焊过程中，更易产生焊接缺陷如：夹渣、气孔、未熔合等，同时产生高数值焊接残余应力，而且在焊接热循环作用下焊接接头易出现粗大组织、应变时效脆化等，从而使焊接区域成为整个结构中最薄弱的部位；海洋平台结构处在低温、海浪等恶劣的环境条件下，焊接接头部位易产生裂纹。因此，海洋钢结构大厚板焊接接头除了要求具有足够高的强度和良好的耐腐蚀性外，还需要具有良好的韧性。近年来，随着断裂力学在海洋工程中的应用，厚板焊接接头断裂韧性的重要性日益凸显 1 0 , 1 1 。尤其是随着海洋钢结构焊接接头强度的不断提高，服役在低温环境下的大型焊接结构，断裂韧性问题更加突出。目前，英国、挪威和美国等国家对厚板焊接接头低温韧性测试技术的研究较多，并相继提出了自己的规范。而我国海洋结构焊接接头在韧性测试技术的研究和应用方面还存在相当大的空间【l l l3 1 。目前，在海洋结构生产制造中，大厚板焊接接头断裂韧性方面仍存在大量的第一章绪论问题【1 1 】，而解决海洋结构厚板焊接接头断裂韧性的问题，保证厚板焊接接头的断裂韧性，不仅可以提高结构的安全可靠性，而且还可以缩短建造周期，降低建造成本。因此，本文针对海洋结构用钢d h 3 6 厚板焊接接头的断裂韧性进行了研究。1 2 焊接接头韧性测试方法概述材料的韧性是指材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力，即材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，是材料强度和塑性的综合表现【1 4 ，1 5 1 。其中断裂韧性是指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关 1 2 , 1 5 】。1 2 1 韧性测试方法分类及简介在焊接结构的防断设计中，为防止焊接结构发生脆性破坏，要求在焊接结构最薄弱的环节即焊接接头处应具有一定的抵抗脆性裂纹产生的能力即抗开裂性能：同时，要求其周围的材料具有抑制裂纹扩展的能力即止裂能力，综合经济性和可靠性等多方面因素，目前，抗开裂性能试验应用较广 1 0 , 1 2 。在断裂力学中衡量韧性的主要参数有三个：应力强度因子k 、j 积分和裂纹尖端张开位移c t o d ，它们的临界值k i c 、j i c 和8i c 都称为断裂韧度【9 ，l o 屹】。k 主要适用于线弹性材料，在小范围屈服条件下近似适用，k 试验主要用于线弹性及小范围屈服条件下的评定；j 积分主要适用于弹塑性材料和大范围屈服，但不适用于裂纹扩展，不能用于全面屈服，因此j 积分试验主要适用于弹塑性材料和大范围屈服情况下的评定；c t o d 试验既适用于弹塑性材料，也适合于大范围屈服和全面屈服，且适用于裂纹扩展，适用范围最广【1 2 】。下面简单介绍：宽板拉伸试验、k i c 试验、j 积分试验等静载抗开裂性能试验以及冲击试验。由于在海洋结构中多采用高韧性钢，采用c t o d 试验测试断裂韧性应用最为广泛，因此在1 2 2 中重点介绍c t o d 试验。1 宽板拉伸试验宽板拉伸试验是能在实验室中重现低应力脆性断裂的大型试验方法之一，由于它能够对结构的一些参数如材料厚度、焊接工艺影响( 冶金损伤和残余应力) 、载荷和应变量、裂纹部位( 尖锐度和尺寸) 、加载速率等一系列因素进行实际模拟。采用宽板拉伸试验测定钢板及其焊接接头的韧性，由于需要大吨位拉力试验机，试板尺寸较大，因此试验耗资较大，成本较耐1 1j 。2第一章绪论2 平面应变断裂韧度k i ck i c 试验要求保证裂纹长度范围内满足小范围屈服条件，即保证试样处于平面应变状态。对于魄比较高的高强钢，试样厚度较小就能满足平面应变要求，试验方便。但是，海洋结构焊接中多采用大厚板，且材料韧性较好，对这些材料，试样尺寸足够大才能满足平面应变状态要求。于是造成试样加工困难，还需要大吨位试验机【l 引。3 临界j 积分值j k临界j 积分值j 。c ，在美国发展较快，应用较广。研究认为，对于硬化特征比较明显的材料，用j i c 表征其韧度较为适宜。而对于硬化特征不太明显的材料，用c t o d 表征其韧度比较好【1 1 】。此外，在试验测试方面j r 阻力曲线测试困难，试验要求高，不易实现，试验数量较多。4 夏比( c h a r p y ) 冲击夏l 匕( c h a r p y ) 冲击试验是评定焊接接头韧度的重要试验方法。常用来控制钢材质量和用作验收性试验。夏l t ( c h p a r y ) 冲击试验方法简便，费用较低，能大批量进行试验，应用广泛。但是，夏比冲击韧度本质上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标，它不能全面反映焊接接头的真实韧度 1 1 , 1 5 , 1 6 】。另一个局限，是它的取样受到限制。因为冲击试样尺寸小，用部分代替整体，难免以偏概全，对于整体厚度来说未必准确。除此之外，夏比冲击试验是在一次冲击下完成的，加载速度大，往往与实际结构的加载速度相差甚远。1 2 2 裂纹尖端张开位移c t o d 试验海洋结构厚板焊接接头断裂韧性测试采用c t o d 试验较多 1 1 , 1 3 , 1 6 】，其原因主要有以下几方面：( 1 ) 海洋结构钢焊接过程中多采用大厚板焊接，对于厚钢板焊接接头焊缝和热影响区的材料拉伸曲线可视为理想的弹塑性，符合c t o d 理论的假设条件，采用c t o d 试验更为合适。( 2 ) 钢板厚度对韧度的影响是比较大的，c t o d 试验的试样采用全厚度钢板焊接接头，不但反应结构尺寸的影响，而且能较好地模拟实际结构的焊接条件，因此用全厚度焊接接头的c t o d 试验得到的韧度指标能更好的反映出实际结构焊接接头的韧性好坏。( 3 ) c t o d 试验时，可在规范规定的范围内，选择不同的加载速度，以尽可能接近实际的加载速度。因此，对于海洋结构厚板焊接接头采用c t o d 试验测试其断裂韧性更为合适。c t o d 的概念是1 9 6 3 年由w e l l s 提出【12 1 ，他认为当裂纹尖端附近的某个塑性应变超过某一临界值时，裂纹开始扩展，即裂纹尖端张开位移c t o d ( c r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 。c t o d 指的是裂纹体受张开型载荷作用后原始裂纹尖端两表面所张开的相对距离，如图1 1 所示，用6 表示。c t o d 值的大小，反映了第一章绪论裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。在试验中，把待测材料做成带有预制裂纹的试样，加载荷后测定裂纹尖端处张开位移c t o d 值。c t o d 值越大，裂纹尖端材料的抗开裂性能越好，即韧性越好；反之，韧性越差。目前，应用最多最广的规范为英国的b s 7 4 4 8 和欧盟的i s 0 1 2 1 3 5 及i s 0 1 5 6 5 3 ，c t o d 的测试流程基本一致 1 7 - 2 0 o，原始裂纹( 加载前)加载后裂纹图1 1c t o d 定义1 3 焊接接头断裂韧性的应用及研究现状1 3 1 焊接接头断裂韧性在海洋工程中的应用目前，世界海洋石油开采的重点已由浅海逐步转移到深海，因此对海洋结构的强度要求越来越高，厚度越来越大，这一方面对焊接的质量提出了更高的要求，也使断裂韧性的重要性进一步凸显。在海洋工程建造过程中，大厚板焊接接头的低温断裂韧性问题越来越受到关注【3 ，1 3 1 6 】。从安全角度出发，在海洋结构大厚板焊接中，为了消除焊后残余应力，改善焊接接头的断裂韧性，常常要求对大厚板焊接接头处进行焊后热处理p w h t ( p o s tw e l d i n gh e a tt r e a t m e n t ) 保证海洋平台安全运行【2 2 ，2 3 1 。然而，海洋结构规模巨大且焊接部位较多，进行热处理的施工周期长，成本高，因此，在一定条件下免除热处理的研究，对缩短海洋平台结构的制造周期，降低制造成本意义重大3 ，7 , 1 3 , 1 6 2 。目前相关研究较多，其中挪威船级社在d n v - o s f 1 0 1 标准中规定“当断裂韧性达到一定要求值时，可免除焊后热处理”，断裂韧性可通过断裂力学方法测试，其中裂纹尖端张开位移c t o d 测试应用最为广泛【2 2 2 4 1 。此外，由于海洋结构用钢强度级别要求越来越高，一些调质高强钢、热轧控冷钢( t m c p 钢) 及复杂结构不能进行热处理，只能通过提高焊接接头的断裂韧性保证结构的安全性【”- 2 9 。同时在海洋结构建造中如海底管线、海洋平台的安全性第一章绪论和可靠性的评定，寿命预测掣9 1 3 ，3 0 1 ，常进行e c a ( e n g i n e e rc r i t i c a la s s e s s m e n t )评估，其中断裂韧性是重要的指标，对评定结果起主要作用。1 3 2 厚板焊接接头断裂韧性研究的进展钢材的成分和性能对厚钢板焊接接头热影响区的断裂韧性有重要影响 2 9 , 3 1 ，为改善热影响区的断裂韧性，钢材不断改进工艺和配方，目前新型大焊接热输入焊接用钢板及t m c p 钢等得到广范应用【3 2 3 4 1 。大焊接热输入焊接用钢通过添加微量t i 、c r 、m o 、n b 、v 、t i 、b 等获得足够的强度，同时利用t i n 、t i o 等沉淀物抑制奥氏体长大，增加针状铁素体；t m c p 钢添加微量m o 、n b 、v 、t i 元素，同时利用控轧快冷的工艺细化晶粒、强化基体，同时具有良好的焊接性，焊后获得良好的断裂韧性【弭3 7 j 。目前高韧性的焊接材料及药芯焊丝可以使焊缝金属获得良好的断裂韧性，而且已逐步得到推广应用【了卜3 9 】。通过在焊丝中添加各种微量的合金元素如n b 、t i ，抑制晶粒长大，获得韧性好的组织 4 0 - 4 3 】。清华大学陈伯蠡教授等【删的研究表明，采用合理的合金元素种类和配方获得细小的针状铁素体有利于提高高强焊缝的韧性；洛阳船舶材料研究所 4 5 】的研究表明采用n b v - t i 复合微合金化处理，可以使埋弧焊焊缝获得良好的韧性；杜则裕等【4 6 】的研究表明微量合金元素n i 、n b 、m o 、t i 等在一定范围内时，有利于增加针状铁素，针状铁素含量大于6 5 时焊缝韧性最好；b b e i d o k h t i 等1 4 7 】研究表明将t i 和m n 控制在合理的范围内，可以使低合金高强钢s a w 焊缝获得良好的韧性；余圣甫等【4 8 】的研究表明y j 5 0 1 药芯焊丝中的a l 、t i 在冶金反应中有利于针状铁素体形成，从而在2 0 。c 具有良好的断裂韧性。在焊接方法方面，天津大学李桓教授等【4 9 。5 l 】提出采用脉冲埋弧焊的方法可以合理控制热输入，同时利用脉冲电弧的搅拌作用细化晶粒，改善韧性。此外，利用电磁搅拌技术开发的电磁搅拌埋弧焊技术，可以起到细化晶粒的作用，改善焊缝的韧性，这也是将来发展的方向之一。此外，多丝埋弧焊技术及有限元模拟技术在断裂韧性和焊接工艺模拟方面得到广泛应用 5 2 - 5 3 ，m m p a t r a a 和p a t h a k a k等1 5 3 - 5 5 j 利用有限元模拟技术预测了埋弧焊热影响区不同区域的组织；在c t o d测试技术方面，可以利用有限元分析裂纹尖端塑性变形区应力状态，裂纹长度对c t o d 试验结果的影响【5 6 | 。1 3 3 厚板焊接接头断裂韧性有待研究的问题尽管现在对厚板焊接接头断裂韧性的研究有了很大的进展，但是，厚板焊接第一章绪论接头断裂韧性仍存在一些未解决的问题和困难。1 双丝埋弧焊焊接效率与断裂韧性的矛盾海洋结构的高速发展对焊接效率的要求越来越高，焊接高效化、自动化已成为一种趋势【j 卜5 8 j 。双丝自动埋弧焊熔深大、生产效率高、机械程度高且焊接质量好，不但在很大程度上提高生产效率，还能节约人力资源，降低生产成本【3 ，5 引。但是，双丝埋弧焊在一些韧性要求比较高的场合应用受到一定的限制。采用大热输入的双丝埋弧焊可以大大提高焊接效率，但焊接接头的韧性却难以保证，因此在韧性要求较高的服役条件下有一定的局限性。海洋结构用钢厚板焊接接头若想获得良好的断裂韧性，除了要选择具备良好韧性的焊接材料外，合理的焊接工艺是保证焊接接头断裂韧性的关键。焊接过程中合理的控制焊接热输入，才能保证焊接接头具备良好的断裂韧性【5 3 1 。在焊条电弧焊和药芯焊丝气保焊中，焊接热输入比较小，一般不会使熔池过热而导致奥氏体晶粒严重长大，出现粗晶脆化现象。但是双丝埋弧焊焊接热输入较大，过热区温度高，高温停留时间长，奥氏体晶粒显著长大，同时一些难熔质点如氮化物和碳化物等溶解后，在冷却过程中来不及析出使焊缝金属变脆，韧性下降【3 1 , 5 3 】。2 焊后热处理p w h t 对焊接接头断裂韧性的影响对于海洋结构大厚板焊接接头，当板厚超过5 0 m m 时，一般要求进行焊后热处理【2 距引。焊后热处理主要的目的是消除焊接残余应力，促使氢逸出，同时对焊接接头的组织、硬度和强度有一定的改善【5 9 】。然而，对于不同的钢种和焊接材料，焊后热处理对焊接接头韧性的影响也不尽相同，焊后热处理的加热温度和保温时间若不合理，很可能会造成韧性的下降。同时要考虑焊后热处理是否会导致焊接接头出现回火脆性。近年来的研究表明，焊后热处理对厚板焊接接头的影响是复杂的f 2 5 ，2 6 1 。一般情况下，对于通过淬硬性获得强化的焊缝金属经过焊后热处理后，其韧性有可能提耐6 1j ；而对于含有大量碳化物形成元素的焊缝金属，经过焊后热处理其韧性可能会下降 2 6 , 5 9 。陈伯蠡等删在金属焊接性中提到焊后热处理对粗晶区的韧性不一定总是好的效果，若钢中引起沉淀强化的元素增加，焊后热处理会导致h a z 韧性下降；西南交通大学王一戎掣6 1 】对1 5 m n m o v n 、s t e 6 9 0 、h q s 0 焊接接头h a z韧性的研究也表明，经过焊后热处理后，h a z 韧性有的提高有的下降；大连交通大学张慧敏等【6 2 】对1 0 n i 5 c r m o v 钢热影响区冲击韧性的研究表明，若焊后热处理工艺设计合理，h a z 粗晶区的韧性会有所提高；西安石油大学徐学利等【6 3 1对管线钢x 5 2 粗晶区韧性的研究中发现，焊后热处理有利于粗晶区韧性的提高。z s t e r j o v s k i 等畔j 对调质钢压力管焊后热处理次数的研究发现，当焊后热处理的的次数增加时，断裂韧性c t o d 下降。6第一章绪论在a w sd 1 1 钢结构焊接规范【2 7 】中提到，缺口韧性试验表明，焊后热处理会削弱焊缝金属和热影响区的韧性，有时在焊接热影响粗晶区中出现晶间裂纹。d n v 的标准f 2 2 2 3 】中也提到，若断裂力学试验能证明焊接接头具备一定的韧性，且不考虑应力腐蚀裂纹等特殊需要时，可以不进行焊后热处理。对于海洋结构厚板焊接接头，焊后热处理是否有利于改善断裂韧性，尤其是热影响区的断裂韧性，目前国内外的研究很少，还有待于进一步研究。3 c t o d 测试中的p o p i n 效应在c t o d 试验中，随着载荷的不断增加，出现载荷位移曲线( f v 曲线) 不连续的现象，即载荷突然下降，位移增加的现象称之为p o p i n 效应【1 7 - 2 0 1 。p o p i n效应是c t o d 试验中常出现的一种现象，p o p i n 效应的出现对c t o d 值有重要的影响。过于保守的认为p o p i n 效应出现时即是临界脆性起裂的开始，会造成资源的浪费；而忽略p o p i n 现象，认为它对结构安全无影响，也是不合理的 6 5 - 6 7 j 。当p o p i n 效应出现后，需要进行有效的评定，判断其是否会对结构造成危害。在c t o d 试验相关标准中对p o p i n 效应的评定有着严格的流程，但标准的规定仍需进一步改进和补充。而对于c t o d 试验中p o p i n 效应产生的原因，目前的研究很少，大多认为峄5 6 7 j除了材料本身的影响，还受外界因素的影响，如：加载速率、预制疲劳裂纹、机器的稳定性、局部出现冰点等对p o p i n 效应的产生都有一定的影响。断裂力学的相关理论和试验研究发现，p o p - i n 效应产生的主要原因是脆性裂纹增殖并止裂于疲劳裂纹所在平面。d a w e sm g t 6 5 j 通过在裂纹尖端预制局部脆化区( l b z ) ，证明了脆性裂纹增殖并止裂于疲劳裂纹所在平面主要是裂纹尖端局部脆化导致的。但是对于实际生产制造中，厚板焊接接头c t o d 试验中p o p - i n 效应产生的原因，目前国内外的研究很少。因此，对于海洋结构厚板焊接接头中常出现的p o p i n效应需要进一步研究，探讨其出现的原因，指导生产实践。1 4 本文研究目的和内容本文针对海洋结构大厚板焊接接头断裂韧性c t o d 进行研究，以海洋结构用钢d h 3 6 为母材，分别对单丝埋弧焊、双丝埋弧焊、药芯焊丝气保焊等焊接接头进行c t o d 测试。首先，分析c t o d 试验结果并探讨其中存在的问题。在分析了埋弧焊焊接接头c t o d 结果后，针对双丝埋弧焊由于热输入大导致焊缝及热影响区组织粗大，韧性变差的情况，设计了几种不同的双丝埋弧焊工艺，利用交流方波的优越性，控制焊接热输入，改善双丝埋弧焊焊接接头的韧性。通过优化工艺在保证一第一章绪论定焊接效率的同时改善焊接接头断裂韧性，为海洋结构生产建造节约成本，提高海洋结构的安全性和可靠性。其次，研究焊后热处理对海洋结构厚板焊接接头组织及性能的影响，重点探究海洋结构厚板焊接接头经过焊后热处理，其焊缝及热影响区断裂韧性是否得到改善，为海洋结构大厚板焊接可否通过断裂韧性c t o d 试验免除焊后热处理提供科学依据。最后，对试验过程中出现的p o p i n 现象进行了宏微观断口分析、组织及能谱分析，研究p o p i n 产生的原因，并对p o p i n 进行评定；同时探讨了c t o d 试验过程中，预制疲劳裂纹最大力和温度效应对p o p i n 效应的影响。从而在实际的焊接过程中，有效地避免其产生，保证焊接接头具有良好的断裂韧性。第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验2 1c t o d 试验海洋结构大厚板焊接接头c t o d 试验多采用英国焊接研究提出的规范b s 7 4 4 8 及国际标准i s 0 1 2 1 3 5 和i s 0 1 5 6 5 3 t 1 7 - 1 9 1 ，因此，本文所有的c t o d 试验均按照b s 7 4 4 8 、i s 0 1 2 1 3 5 和i s 0 1 5 6 5 3 执行。2 1 1 试验材料及焊接方法试验母材为海洋结构用钢d h 3 6 ，属于低合金高强钢，即在碳素钢的基础上添加一定的合金元素，以锰为主要合金元素，并添加微量的细化晶粒元素如铌、钛等。母材d h 3 6 的化学成分见表2 1 ，力学性能见表2 - 2 。表2 - 1d h 3 6 钢的化学成分焊接方法分别采用单丝埋弧焊、双丝埋弧焊及药芯焊丝气保焊。第一组：单丝埋弧焊，编号为a ，焊缝区试样编号为a w ，热影响区试样编号为a - h 。单丝埋弧焊焊丝直径巾4 m m ，a 1 和a 2 采用不同的焊丝，焊丝的化学成分见表2 3 ，焊剂采用s j l 0 1 。第二组：双丝埋弧焊，编号为b ，不同焊接工艺编号为b 1 、b 2 、b 3 ，焊缝区试样编号为b w ，热影响区试样编号为b h 。b l 采用的焊丝及焊剂与单丝埋弧焊a 1 相同。b 2 & b 3 采用的焊缝化学成分见表2 3 ，焊剂采用s j l 0 1 。第三组：采用药芯焊丝c 0 2 焊，编号为c ，不同工艺编号为c l 、c 2 、c 3 、c 4 ，焊缝区试样编号为c w ，热影响区试样编号为c h ，焊丝化学成分见表2 - 4 。第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验2 1 2 试样制备c t o d 测试目的是最大程度的反映材料的真实韧性，因此本试验所有试样的制备均以此为出发点，严格按照标准执行，试样均采用三点弯曲试样( b w ，w = b ) ，如图2 1 ( a ) 所示。1 取样厚度c t o d 采用全厚度试样测试，即要求试样厚度应保持试板原始厚度，由于加工要求，试样加工后可以比原厚板小，但应尽可能接近试板厚度，绝不能为了提高c t o d 试验结果而刻意降低厚度。2 取样方向断裂韧度值与机械加工的主应变方向、各向异性( 晶粒流变) 、裂纹平面取向和裂纹扩展方向有关1 2 】，试样的取样方向应取在性能最薄弱的方向。对于海洋结构钢来说，钢材轧制方向即纵向的力学性能往往要好于横向的性能，特别是断裂韧性，因此，试样取样均沿着横向方向。取样方向如图2 1 ( b ) 所示，取样方向为n p 方向。f( a ) c t o d - a 弯曲试样( b ) c t o d 试样取样方向图2 - 1c t o d 试样及取样方向3 缺口位置试样的缺口位置是试样加工的关键，也决定着最终试验能否测试到规定的区域。本试验测试焊接接头的断裂韧性，因此，标准要求测试焊缝区及热影响区，第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验缺口的位置分别位于焊缝中心及熔合线0 5 r a m 范围内。缺口均沿厚度方向取，其中熟影响区试样为了保证缺口落在测试区域内，一般采用k 形坡口，如图2 - 2所示。缺口位置确定后，依据标准规定尺寸线切割( 或机加工) 出机械缺口。焊缝中心熟影响区图2 - 2c t o d 试样缺口位置4 局部压缩由于焊接接头试样一般存在焊接残余应力，若直接预制疲劳裂纹，很可能会导致疲劳裂纹不平直而使试验结果作废。为消除焊接残余应力的影响，在预制疲劳裂纹前需进行局部压缩。局部压缩的具体方法是：采用硬度较大的钢块在包括裂纹缺口尖端在内的8 8 - 9 2 韧带( w - a o ) 区域进行挤压，使其产生小于1 b的压缩塑性变形。本试验采用双面压缩的方式，因此要求保证两个面均产生小于0 5 b 的压缩塑性变形 1 7 , 1 9 。5 预制疲劳裂纹，预制疲劳裂纹的目的是为了模拟结构真实的根部半径为零的裂纹，它也是试样制备过程中最重要的环节。预制疲劳裂纹必须保证裂纹扩展平直，偏离缺口位置中心线不能超过1 0 。，试样两面的裂纹长度应大致相等。此外，为了防止试样裂纹尖端发生塑性变形，不能模拟自然的裂纹，规范中对预制疲劳裂纹最大力进行了规定。b s 7 4 4 8 及i s 0 1 2 1 3 5 规范规定在最后的1 3 m m 或5 0 预制裂纹扩展量时的最大荷载不得超过式2 - 1 ( b s 7 4 4 8 中规定)或式2 2 ( i s 0 1 2 1 3 5 中规定) 的最低值【1 8 2 们。凡：垒( 鲨二笪f 坠生里2 ( 2 - 1 )4sf ：(22)r0 8 ( w - a o ) 2 a s。s式中：o r s p - 屈服强度o t s p 一抗拉强度本试验采用2 0 0 k n 高频疲劳试验机预制疲劳裂纹，在预制疲劳裂纹时，采用的最大载荷均远小于二者中的最小值。预制疲劳裂纹过程如图2 3 所示。第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验2 1 3 试验流程图2 3 预制疲劳裂纹试验设备采用微型计算机控制的万能试验机，试验具体过程如下：( 1 ) 试样开始前，需对试验机的载荷及引伸计进行标定；( 2 ) 试验开始前，在0 。c 进行保温，保温时间根据试样尺寸而定；( 3 ) 试验开始，在线弹性阶段加载速率控制在0 5 3 0 m p a m o5 s 。1 范围内；( 4 ) 试验采用一次加载方式直至失稳破坏，同时记录载荷位移( f v ) 曲线；( 5 1 试样失稳破坏后，将其取出，经过进一步冷却后，在试验机上快速压断；( 6 ) 测量原始裂纹长度口n 。采用九点测量法测原始裂纹长度口0 ，具体方法为，沿试样厚度方向取9 个位置分别测量，其中最外侧的两个点位于距试样表面i b处，然后在这两个点之间等间距的取7 个测试位置。原始裂纹长度的计算公式如式2 3 所示，试样原始裂纹长度测量如图2 4 所示。= 丢c 半+ 妻q ，1 2( 2 3 )第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验图2 - - 4 原始裂纹测量示意图2 2c t o d 试验结果及有效性判定2 2 1c t o d 试验结果c t o d 试验完成后，根据载荷位移曲线及相关测量数据，进行计算。因为试验采用三点弯曲试样，c t o d 特征值的计算公式如式2 4 及2 - 5 所示，试验结果见表2 - 5 和毒2 - 6 。6 ：斋借) 2 错+ 而0 4 ( w - a o ) v p 4 ，其中，23 ( 参) 0 5 1 9 9 一诬a o ! ：二亟a o ：兰：二：二亟a o 二二匠a o 翌2 ( 1 + 等) ( 1 一a 秽o )( 2 5 )式中：b 试样厚度，w 二试样宽度，口o 原始裂纹长度，v 一泊松比，z - 刀口高度，g y s 屈服强度( 试验温度下的屈服强度) ，e - 弹性模量，f - 最大载荷，s _ 跨距，v p - 塑性张开位移。表2 - 5 埋弧焊试样c t o d 试验结果- - 一试样编号缺口位置b x w m m试n n n 。c6 m m有效性a 1wu 3 3 d17同舣a i w 2焊缝中心9 0 9 000 4 7 9 4有效a 1 w 3 ! ：婴!塑鏊一a 1 h 1“、7 7a 1 一h 2焊缝中心9 0 9 0o0 4 7 3 71 骜a l - h 30 7 7 0 4蔓蝥车a 2 - w l0 1 5 1 3蔓銎a 2 w 2焊缝中心9 0 x 9 00l 1 2 1 0夏銎a 2 w 31 2 8 9 1塑骜b i - w 10 0 5 5 8亳罄b l - w 2焊缝中心9 0 9 00o 1 2 8 1亳骜b 1 w 30 1 6 6 4享罄b 1 - h 10 0 3 9 3享骜、b i - h 2热影响区9 0 9 00o 1 0 8 1蔓銎b l - h 30 1 7 4 7亨登b 2 w 10 7 3 5 6享登b 2 - w 2焊缝中心9 0 9 00o 3 31 9享罄b 2 一w 30 5 2 1 8亨罄b 2 - h 10 0 9 0 1衰罄b 2 h 2热影响区9 0 x 9 000 1 0 0 5享罄b 2 h 30 1 3 2 2翌蝥木b 3 - w10 0 2 8 3衰登b 3 w 2焊缝中心8 5 8 500 2 2 5 8皇蝥b 3 w 30 7 9 8 51 蝥b 3 w 41 2 8 9 0蔓罄b 3 w 5焊缝中心8 5 8 501 1 2 1 0有效- i幸! ：! 里坠- - - q e b 3 - w 6_ _ 一注：表中带t 的试样为出现p o p i i l 效应的试样表2 - 6 药芯焊丝气保焊试样c t o d 试验结果木c 1 w 1。1 1。?c 1 w 2焊缝中心9 2 9 2oo 1 4 3 61 骜c 1 w 30 1 2 1 7皂登忱w 10 1 6 0 81 孳枣c 2 w 2焊缝中心9 2 9 2oo 2 1 3 5毫罄蛾w 3o 1 1 5 2窆鍪螂w 10 2 2 7 2皇骜枣c 3 w 2焊缝中心9 2 9 2oo 2 5 3 1皇彗螂w 30 2 7 7 61 茎誊c 4 w 10 2 1 3 21 蝥术c 4 w 2焊缝中心9 2 9 200 2 5 9 5有效吲w 31 ：! 生型【_l 一注：( a ) 表中带幸的试样为出现p o p - i n 效应的试样第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验2 2 2c t o d 试验结果有效性判定c t o d 试验结果计算完成后，试验程序并没有结束，必须进行有效性检验。有效性检验是试验的一个重要部分，目的是确保试样的试验过程都符合要求，防止出现无效的试样导致试验结果并未反映材料的真实韧性。按照规范中的要求焊接接头c t i o d 试样必须满足以下条件：( 1 ) 试样原始裂纹长度口。均在0 4 5 0 7 0 w 范围内；( 2 ) 任意两个裂纹长度的差值均不大于2 0 a o ，即墨坠地! 曼o 口o ；( 3 ) 疲劳裂纹在最后1 3m m 或2 5 w 时( 取二者中较大值) ，f f 符合要求；( 4 ) 对于所有的热影响区试样，还需进行剖面检查，确保裂纹尖端落在指定的范围内。剖面取样示意图如图2 5 所示，取样后经粗磨、精磨、抛光后，用4 的硝酸酒精溶液腐蚀并照相，按图2 - 6 进行评定，板厚超过8 0 m m ，所以h a z测量的目标区域应入i 1 2 m m ，所有试样均符合要求。综上，c t o d 试验的结果经判定均有效。疲劳裂纹图2 - 5h a z 试样剖面取样图第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验二一护九l + k 2 + b = 1 7 7 2 r a m图2 - 6h a z 试样有效性评定2 3c t o d 试验结果分析2 3 1 试验结果对比图2 - 7 为单丝埋弧焊及双丝埋弧焊的c t o d 试验结果进行对比，其中( a ) 为单丝埋弧焊a 1 与双丝埋弧焊b 1 、b 2 焊缝区c t o d 试验结果对比，( b ) 为单丝埋弧焊a 1 与双丝埋弧焊b 1 、b 2 热影响区c t o d 试验结果对比。兰e理qo卜u( a ) 焊缝区c t o d 结果对比( b ) 热影响区c t o d 结果对比图2 7 埋弧焊c t o d 试验结果对比1 6第二章海洋结构厚板焊接接头c t o d 试验从表2 5 和图2 7 中可知，采用相同的焊接材料，单丝埋弧焊接头焊缝区及热影响区的c t o d 值明显高于双丝埋弧焊b l 。由于双丝埋弧焊b 2 采用的焊丝级别高于b 1 ，b 2 焊缝区的韧性相对于b 1 明显提高，但是从图2 7 中( b ) 可以看出，双丝埋弧焊b 1 和b 2 的热影响区韧性都很差，尽管b 2 采用了韧性更好的焊材，但热影响区的韧性并没有提高，因此，双丝埋弧焊b 1 和b 2 热影响区的c t o d值远低于单丝埋弧焊。此外，值得注意的是在埋弧焊焊缝区c t o d 的试验结果中，a 2 - w 1 、b 3 - w 1和b 3 w 6 的c t o d 值明显低于同组试样的测试结果，这主要是由于a 2 - w 1 、b 3 w 1 和b 3 w 6 在c t o d 试验中出现了p o p i n 效应。而在表2 - 6 中药芯焊丝气保焊中，所有的试样均出现p o p i n 效应，由于出现了p o p - i n 现象，因此c t o d值均偏低，关于p o p i n 效应的研究将在第五章中进行详细说明。2 3 2 接头宏观成形及组织分析1 焊缝宏观成形为了分析双丝埋弧焊接头断裂韧性比单丝埋弧焊差的原因，对接头的宏观形貌进行分析。宏观成形试样利用线切割，垂直于焊缝方向取样，经粗磨、精磨、抛光并用4 的硝酸酒精溶液腐蚀后，进行剖面观察，焊缝成形如图2 - 8 所示。( a )