材料焊接难度较大，低温服役要求苛刻。通过焊接性分析和焊接工艺评定，制定了有效可行的工艺措施，包括焊接材料和焊接方法的选择，焊接热输入、焊前预热和焊后热处理参数的制订。结果证明，该工艺满足劳氏船级社（LR）海工平台规范要求，为该类低温钢焊接施工积累了实用经验。
关键词：风电维护平台;低温钢;焊接工艺
中图分类号：TG 44
Abstract： FH46 low temperature steel with large thickness is often used in lifting system of wind power maintenance platform. Through weldability analysis and welding procedure qualification， effective and feasible technological measures were formulated， including selection of welding consumables and welding processes， welding heat input， pre-welding and post-welding heat treatment parameters. The results proved that the welding procedure meets the requirements of LR marine platform specification and practical experiences were accumulated for welded structures of such kind of steel for cryogenic application.
Key words： wind power maintenance platform; low temperature steel; welding technology
0 前言
由于海上风电维护平台的结构设计安全级别要求高，自升式平台的桩腿、升降系统、固桩架等零部件多采用屈服强度为460～500 MPa、厚度达100 mm的FH46低温钢制造。FH46钢为英国劳氏船级社（LR）高强淬火钢，屈服强度460 MPa，其低温韧性要求苛刻，焊接性较差，焊缝返修率偏高。依据英国劳氏船级社（LR）海工平台规范要求，海上风电维护平台的FH46低温钢焊接结构应制订合理的焊接工艺，以保证焊接接头的力学性能满足各焊接构件的使用性能。
1 FH46钢焊接性分析
FH46是LR船级社牌号，为高强度低合金钢类型，热处理状态为淬火和回火。母材实测化学成分及力学性能见表1和表2。由于是低温钢，冲击韧性指标采用-60 ℃冲击吸收能量。
碳当量（CE）及裂纹敏感指数（Pcm）是衡量钢材成分对淬硬组织冷裂纹敏感程度的重要指标。
根据FH46低温钢的各元素含量和国际焊接学会（IIW）推荐的CE和Pcm计算公式（1）和（2），计算得到CE = 0.46%和Pcm = 0.21%。
一般认为，板厚小于20 mm、CE小于0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热。当CE为0.4%～0.6%时，钢材淬硬倾向明显，容易产生裂纹，必须制定合理的焊接工艺。
FH46低温钢的含碳量低（仅为0.08%），但其合金元素种类多且含量较高，冷却速度过快会导致焊缝及热影响区（HAZ）金属淬火处理后将得到高强度、高韧性的低碳马氏体+贝氏体组织，这有利于在常规电弧焊工艺下获得与母材较接近的焊接接头组织和力学性能。因此，在焊接FH46钢板时需注意两点：一是马氏体组织转变时的冷却速度不宜过快，保证马氏体有“自回火”过程，避免冷裂纹产生;二是保证在500～800 ℃降温过程中，冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度[1]。这两个问题是制定焊接工艺的关键。
可见，海上风电维护平台结构件FH46低温钢焊接时，应控制焊接热输入和预热温度，保证焊接接头的冷却速度合适，能获得产生“自回火”效果的低碳马氏体+贝氏体组织，保证焊接接头的力学性能。同时，还可以配合焊后热处理释放焊接残余应力，预防焊接结构出现冷裂纹。
2 工艺方案的制定
2.1 焊接材料及焊接方法的选择
焊接材料的选择主要考虑与母材强度和韧性匹配，另外需考虑焊后热处理要求。海上风电维护平台升降系统等焊接构件，板材厚度大，结构复杂，全焊透接头多。从焊接方法和焊材形式来看，采用高强度钢焊条有利于保证焊接接头性能，但生产效率低，無法满足生产进度的要求。埋弧焊性能稳定但不能进行全位置焊接。综合焊接构件形式及材料特点决定采用CO2气体保护焊，经调研和实际测试，选择国产药芯焊丝牌号为5Y46，其熔敷金属化学成分及力学性能实测数据见表3和表4。从表3的熔敷金属化学成分可知，C，Si，Mn等元素的含量均低于母材，但Ni元素含量为母材的3倍多，这有利于保证焊缝金属的低温力学性能。从表4的熔敷金属力学性能数据可知，其强度和塑性与母材匹配良好，但韧性下降较多，主要是由于母材为轧制和热处理状态，而熔敷金属为铸态组织。
2.2 坡口设计
依据结构设计图纸，升降系统的吊环部件主要由100 mm厚的FH46钢板焊接而成，接头形式为对接，按以往常规的设计，采取非对称坡口，但焊接工作量大，变形较难控制。考虑到焊枪的可达性，从易于控制变形和减少焊接工作量考虑，坡口设计改为X型对称坡口，装配间隙控制在6～8 mm之间，坡口角度40°，焊接坡口示意图如图1所示。
2.3 焊接参数
根据前述控制FH46钢焊接接头组织和力学性能需注意的两个问题，为避免产生冷裂纹，焊接冷却速度较慢为宜，为防止脆化却要求冷却速度较快为宜，因此应该兼顾上述两点确定冷却速度范围。其上限取决于热影响区不出现脆化的混合组织，下限取决于不产生冷裂纹。为此，所选的焊接热输入应该保证HAZ过热区的冷却速度在150～200 ℃/h范围。但在焊接厚板时，即使采用了较大热输入，冷却速度往往还是超过了它的上限，这就必须采取预热手段控制冷却速度降低到不出现裂纹的极限值。因此正确选择焊接热输入和预热规范是保证焊缝组织不出现裂纹和脆化的关键。
2.3.1 焊接热输入的确定
从保证不出现裂纹的角度出发，在满足热影响区韧性的条件下，热输入应尽可能大一些。热输入过大，造成焊接热影响区奥氏体晶粒粗大，焊接接头韧性下降，其抗裂性能降低。热输入过小，则冷卻速度快，易淬硬，其裂纹倾向增大。参照相关试验数据，确定热输入控制在12～25 kJ/cm较为适宜，保护气体采用纯度不小于99.9%的CO2，具体焊接参数见表5。
2.3.2 预热和层间温度
预热的目的是为了防止冷裂纹的产生，而对于改善焊接热影响区性能意义不大;相反，从它对于800～500 ℃的冷却速度的影响来看，对韧性可能有不利的影响，因此一般在焊接低碳钢时都采用较低的预热温度。预热主要希望能降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的自回火作用来提高抗裂性能。当预热温度过高时，对于控制冷裂纹产生没有效果，反而会使800～500 ℃的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度，焊接热影响区出现明显的脆化现象。参照AWS D1.1规范中附录H《确定预热温度的替代方法指南》的推荐[2]，确定该种材料预热和层间温度范围在110～180 ℃之间，从而可以避免层间温度过高引起的不利影响，如韧性下降等。
2.4 焊后热处理（PWHT）
通常情况下，进行焊后热处理能消除焊缝金属中的氢，还可以消除焊接接头的大部分残余应力，能有效提高焊接结构的疲劳寿命。但调质钢的焊后热处理工艺不适当，可能会有适得其反的效果，会降低焊缝和热影响区的韧性。去应力处理时的冷却速度越低，韧性降低的程度越严重;这类钢材还可能有再热裂纹的倾向，一般不进行热处理。该材料的加热温度超过其回火温度后，性能就会发生变化。但船级社规范强制要求该结构需热处理，因此为了保证焊接结构的强度和韧性，焊后热处理的温度比钢材的回火温度低30 ℃，即焊后热处理温度为600 ℃，升温速度控制在150 ℃/h，对其进行600 ℃±20 ℃保温4 h后以150 ℃/h速率降温，至200 ℃出炉。
3 试验结果与分析
依据英国劳氏船级社海洋平台规范《Rules and Regulations for the Classification of Offshore Units Part 2》（2016）的要求进行焊接接头试验分析，焊接工艺评定理化试验项目主要包括：焊接接头成型及缺陷观察分析、宏观及微观组织分析、横向拉伸试验、弯曲试验、冲击韧性试验及硬度测试。图2为焊接接头宏观形貌，图3和图4分别为接头弯曲试样和横向拉伸试样，测试结果见表6和表7。
从图2的焊接接头宏观形貌来看，焊缝金属与两侧母材熔合良好，无裂纹、咬边等缺陷，上下多层多道焊缝界面清晰，表面有少量余高。图3的侧向弯曲试件焊缝金属有明显变形，试件棱边无裂纹。图4的拉伸试样出现了明显颈缩，变形集中在HAZ外的母材金属中，全部断裂在母材，焊接接头强度较母材偏高。从表6的试验结果可以断定，焊接工艺评定试验的各项性能指标均在规范要求的合格范围内。
根据焊接工艺评定结果编制焊接工艺规程指导书，并在焊接生产中严格管理，取得了良好效果。
4 结论
（1）采用CO2气体保护电弧焊，焊接100 mm厚的FH46钢海上风电维护平台，通过合理的设计和工艺，可以获得满足劳氏船级社（LR）海工平台规范要求的焊接接头，在实际应用中取得了良好效果。
（2）设计对称X形窄坡口，控制焊接热输入在15～25 kJ/cm之间，适合于大厚度FH46钢的焊接。预热和层间温度控制在110～180 ℃之间，可以有效控制焊接接头韧性下降的现象。
（3）焊后热处理的温度比钢材的回火温度低30 ℃，即焊后热处理温度为600 ℃，升温速度控制在150 ℃/h，对其进行600 ℃±20 ℃保温4 h后以150 ℃/h速率降温，至200 ℃出炉，可以有效地保证焊接结构的强度和韧性。
参考文献
[1] 周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版，2001.
[2] ASME 锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME锅炉及压力容器规范（国际性规范）Ⅱ材料C篇[S].北京：中国石化出版社，2017.