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F550Z海洋平台用钢埋弧焊剂研制及焊接接头力学性能研究

作　者: 刘炜
导　师: 严铿
学　校: 江苏科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 高碱低氢焊剂 F550Z钢焊接热输入接头强度低温韧性接头组织
分类号: TG423
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着海洋资源开采向深海发展，海洋平台建设用钢级别越来越高，钢材的厚度也越来越大。本文选用埋弧焊焊接方法来焊接海洋平台用钢F550Z，通过研制高碱低氢焊剂，配合合金焊丝，采用不同的焊接热输入，研究不同的热输入对焊接接头力学性能的影响。分析了不同的焊接热输入对F550Z焊接接头的强度、韧性、微观组织及硬度的影响，为合理选择焊接工艺参数和生产实践提供了试验和理论依据。通过研究不同的原材料对焊接工艺性能的影响，确定了配方中不同原料的加入量，并检测配方的脱渣性、成型能力等性能。经过大量的调试，确定焊剂的配方，并通过检测焊剂成分计算焊剂碱度，为3.39达到设计要求。配合焊丝，研究了全焊缝金属力学性能，检测了焊缝金属的扩散氢含量，并研究了低的含氢量的原因。采用CHW-SEM2NP型焊丝和所研制氟碱型烧结焊剂，当热输入分别为输入分别为15kJ·cm^-1、27kJ·cm^-1、38kJ·cm^-1、50kJ·cm^-1时，焊接接头力学性能呈现出一定的变化趋势。研究结果表明：随着焊接热输入量的增大，接头抗拉强度都超过CCS要求的最低值670MPa，并且没有随热输入出现明显的变化，接头强度对热输入不敏感；焊接接头的硬度分布均匀，焊缝中心较母材处略低，没有出现较大的波动。焊接热输入对F550Z钢焊接接头不同部位的组织与-60℃低温韧性有较大的影响。试验结果表明，焊缝中心的韧性随着热输入增加，呈现先降低后升高的趋势，当热输入为15kJ·cm^-1时冲击吸收功平均值为65J，热输入增加到38kJ·cm^-1时已经达不到CCS的要求最低值34J，但热输入增加到50kJ·cm^-1时，冲击吸收功平均值为110J，是其他热输入的2到4倍。通过金相与能谱分析，发现热输入为15kJ·cm^-1和50kJ·cm^-1时，对焊缝中心有热处理作用，组织为针状铁素体加细小弥散的碳化物，其中50kJ热处理作用较明显。熔合线及熔合外2mm处冲击韧性随热输入增加而减小，当热输入超过27kJ·cm^-1时，熔合线及熔合线外2mm处冲击韧性已经达不到使用要求。分析发现熔合线及熔合线2mm处组织为板条贝氏体加粒状贝氏体。小热输入时，粒状贝氏体含量少并且打乱了板条贝氏体方向，对韧性有利；随着热输入增加，粒状贝氏体逐渐增多且晶粒粗大，低温韧性较差。熔合线外5mm受焊接热输入影响不大，冲击吸收功与母材没有明显差异。综上所述，15kJ·cm^-11和27kJ·cm^-1时，焊接接头各个区域的性能都能满足CCS标准的要求。考虑到接头性能与生产效率，建议埋弧焊焊接F550Z钢时焊接热输入为27kJ·cm^-1左右为宜。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-23
  1.1 海洋石油天然气开采情况  15-16
  1.2 海洋平台用钢发展及现状  16-17
  1.3 海洋平台用钢的主要特点及其焊接性  17-19
  1.4 海洋平台用钢焊材  19-22
  1.5 本课题的目的和意义  22
  1.6 本课题的内容  22-23
第2章试验材料及试验方法  23-32
  2.1 试验母材与焊接材料  23-25
    2.1.1 试验母材  23-24
    2.1.2 焊接材料  24-25
  2.2 焊剂配方研制方案设计  25-28
    2.2.1 焊剂渣系的选择  25-26
    2.2.2 焊剂配方设计  26
    2.2.3 焊剂碱度调整与检验  26-27
    2.2.4 全焊缝金属性能研究  27-28
    2.2.5 焊缝金属扩散氢含量研究  28
  2.3 焊接工艺试验方案设计  28-29
  2.4 力学性能试验  29-31
    2.4.1 拉伸试验  29-30
    2.4.2 冲击试验  30
    2.4.3 弯曲试验  30
    2.4.4 硬度试验  30-31
  2.5 焊接接头微观分析  31-32
    2.5.1 微观组织分析  31
    2.5.2 微观硬度分析  31-32
第3章高碱低氢烧结焊剂研制  32-46
  3.1 配方设计原则  32-33
    3.1.1 原材料的选择  32
    3.1.2 焊剂碱度的设计  32-33
  3.2 焊剂制作过程  33-34
    3.2.1 焊剂制作前准备  33
    3.2.2 焊剂制作  33-34
    3.2.3 焊剂制作过程中注意事项  34
  3.3 配方工艺性能研究  34-39
    3.3.1 焊剂中主要成分对焊剂工艺性能影响  34-35
    3.3.2 脱渣性研究  35-36
    3.3.3 焊缝成型能力研究  36-38
    3.3.4 试验配方的确定及碱度的检验  38-39
  3.4 全焊缝金属强度试验结果及分析  39
  3.5 低温冲击吸收功试验结果及分析  39-43
    3.5.1 低温冲击吸收功试验的意义  39-40
    3.5.2 低温冲击吸收功试验的结果  40
    3.5.3 微观形貌对低温冲击吸收功的影响  40-41
    3.5.4 金相组织对低温冲击吸收功的影响  41
    3.5.5 焊缝金属 S、P 含量对低温冲击吸收功的影响  41-43
  3.6 焊缝金属扩散氢试验结果及分析  43-45
    3.6.1 焊缝金属扩散氢试验的重要性  43
    3.6.2 焊缝金属扩散氢试验结果  43-44
    3.6.3 焊缝金属扩散氢含量的影响因素  44-45
  3.7 本章小结  45-46
第4章热输入对 F550Z 焊接接头力学性能的影响  46-57
  4.1 引言  46
  4.2 F550Z 焊接性分析  46-48
  4.3 试验方案设计  48
  4.4 试验结果  48-51
    4.4.1 F550Z 焊接接头力学性能测试结果  48-50
    4.4.2 F550Z 焊接接头硬度  50-51
  4.5 试验结果分析  51-55
    4.5.1 焊接热输入对焊接接头强度的影响  51-52
    4.5.2 焊接热输入对焊接接头冲击吸收功的影响  52-54
    4.5.3 焊接热输入对焊接接头硬度的影响  54-55
  4.6 本章小结  55-57
第5章热输入对 F550Z 焊接接头微观组织影响  57-75
  5.1 引言  57
  5.2 热输入对焊接接头微观组织的影响  57-64
    5.2.1 焊缝中心微观组织分析  57-60
    5.2.2 熔合线微观组织分析  60-61
    5.2.3 熔合线外 2mm 微观组织分析  61-63
    5.2.4 熔合线外 5mm 处微观组织分析  63-64
  5.3 焊接接头断口形貌分析  64-72
    5.3.1 焊缝中心断口形貌分析  64-66
    5.3.2 熔合线处断口形貌分析  66-68
    5.3.3 熔合线处 2mm 断口形貌分析  68-70
    5.3.4 熔合线处 5mm 断口形貌分析  70-72
  5.4 焊接热输入对显微硬度的影响  72-73
  5.5 本章小结  73-75
结论  75-77
参考文献  77-82
攻读硕士期间所发表的论文  82-83
致谢  83-84

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