热处理对海洋风电150mm厚板焊接热影响区微观硬度和断裂韧性的影响

低碳微合金钢焊缝热影响区具有复杂的微观结构，研究了ABS EH36 Z35海洋用150mm厚钢板焊接接头经正火和焊后热处理(PWHT)后的显微硬度和显微组织，本文介绍了焊后热处理对试验焊接接头微观组织粗化的热影响区局部显微硬度降低和低温脆性断裂能力提高的积极作用。

在1980年代早期以来，风能发电经历了前所未有的发展，在过去20年里，增加超过1500%，到2015年1月底，[1]全球风力发电安装总装机容量达到432GW，海岸风能工业在欧洲北部正在快速发展中，从2003年到2013年的十年间，海上风力涡轮机的单机最大设计容量从3兆瓦提高到7兆瓦(见图1)。

图1 根据产生的额定功率(MW)，对增加海上风力发电高度和功率发展和短期预测

在2018年,如西门子[2]制造商和三菱重工[3]Vestas3启动或宣布第一个海上风能涡轮机的最大输出功率高达10兆瓦，根据公布数据，风力发电设备制造商具有研发20兆瓦的风能电站的能力。

风力发电机能力的显著提高不仅是通过对发电机组的创新实现的，而且还通过增强海上风能塔结构的物理尺寸实现，特别是下部结构和过渡部件。所选择的支撑结构类型需要考虑现场条件，例如海水深度、海底条件和投资预算。用于海洋风能电塔设计的主要标准要求和材料通常来自特殊规范，国际上如美国船级社(ABS)、挪威Veritas-Germanischer劳埃德(DNV-GL)、法国船级社(BV)、意大利船级社Navale (RINA)和劳埃德船级社(LR)，他们都是国际船级社协会(IACS)成员。

目前单体风能塔最为常见，欧盟近年来超过50%的风能塔都是这种结构。风力发电机组的发电能力越强，单体的塔身支撑结构就越高，例如，安装2~3兆瓦风力发电塔的平均塔高50~70米之间(见图2)，发电能力为8~10兆瓦风塔的平均高度为100~120米，甚至可达220米高度，这个高度包括了水下部分，需要根据地质土壤条件来决定。此外，为了降低海上风能(EUR/MWh)发电的成本，风能塔结构的使用寿命也是需要延长的。

图2 风力发电2-3 MW、8-10 MW海上支撑结构的主体部分示意图（从下至上为基础、亚结构、过渡段和塔身）

随着海洋结构用钢的重量和使用寿命的增加，增加了需要焊接厚度大于60mm钢板的使用量(见图2)，同时具有更为严格的低温韧性要求和疲劳特性要求，对钢板材料和焊接热影响区(HAZ)以及焊缝金属都提出了苛刻的要求。

众所周知，厚板需要先进可靠的焊接技术，焊接接头必须稳定可靠，实践表明，热影响区金属最易发生脆性断裂，低温韧性值较低。焊接过程中热影响区处在奥氏体温度以上，其宏观组织、微观和纳米组织都发生了不利的结构变化，[4]因此，在要求的性能中，厚板焊接接头的抗破坏性能是放在第一位的。

在现代海上风力发电塔制造中，性能为R_eH≥355MPa和R_m≥490MPa的低碳微合金钢厚板被广泛应用。[5]，表1为ABS* 1材料与焊接规范(2018)对海洋用钢AH36、DH36、EH36三种主要机械性能的要求等级，钢板厚度小于等于150mm。为使厚度大于60mm的正火钢钢板达到规定的强度性能，碳当量(CEQ)不应小于0.44%，这反过来又使焊接后可能形成具有高显微硬度的贝氏体—马氏体组织的临界体积，从而使焊接接头[6]具有形成裂纹的潜在倾向，能够促进裂纹迅速扩展。

表1 材料和焊接的ABS标准(2018)对海洋使用厚钢板AH36、DH36和EH36等级的机械性能的要求

虽然ABS EH36钢的焊接热影响区符合要求，其硬度不超过350HV，[7]但是对于重要的焊接结构其热影响区的硬度不得超过300HV，目的是增加断裂阻力。为了降低焊接接头临界截面的显微硬度，可以采用附加焊后热处理(PWHT)来提高焊接接头的断裂韧性。以前研究[8]用60mm厚度的低碳微合金化钢板的焊接接头的显微硬度，按照不同热机控制过程(TMCP)处理和采用附加焊后热处理PWHT，显示了PWHT对降低热影响区显微硬度(大约25%减少硬度)有益的作用，钢板基体强度没有恶化(HV下降约5%)。然而,由于需要钢重型厚板超过60mm，屈服强度R_eH≥355 MPa的海洋用钢稳步增加，有必要进一步研究厚壁焊接接头的可靠性和更详细的分析影响的PWHT显微硬度和CTOD试验参数。

这项工作的目的是探讨影响焊后热处理的显微硬度、断裂阻力的变化和热影响区可能的微观结构状态，钢种为低碳微合金化钢，屈服强度≥355 MPa，钢板最大厚度为150mm。

开展研究的方法

Novolipetsk钢厂转炉生产的连铸板坯，钢中含≤0.15%C，≤1.6%Mn，≤0.5%Si，≤0.002%S，≤0.008%P，≤0.004%N，使用Al + Nb + V微合金元素与Ni + Cu元素合金化，碳当量≤0.46%。板坯在Mill Quarto 4200 NLMK DanSteel钢厂[9]最终轧制成为厚度为150mm钢板，轧后有连续正火炉处理，保温温度为(Ac3+10~15℃)。

纵向焊缝多道次埋弧焊(SAW)在半自动模式下进行，标称热输入为50±2 kJ/cm，符合《ABS材料与焊接规范(2018)》的要求。焊接是在预热到不超过80℃的温度后进行的。最大通道口温度不超过170℃。采用ESAB公司生产的4mm厚12系列焊丝和10系列焊剂。焊接后至少72小时后取样，取样进行机械性能测试和PWHT测试，PWHT对试样尺寸要求为(厚度T- 宽度W- 长度L) 150 x 600 x 600 mm，试样中间具有一个焊缝接头，热处理是在温控炉中进行的，PWHT参数见表2。

表2  150毫米厚ABS EH36厚钢板的焊后热处理(PWHT)参数

使用卡尔蔡司(Carl Zeiss)显微镜对微观结构进行了观察检测，试样取自焊接接头1/4厚度，如图3所示。根据ISO 6892-1标准，对横向圆棒试件进行拉伸试验，圆棒试件轴线位于厚板中心与表面的中间位置，或者是厚板的中心位置。厚度方向的强度和延性测试(Z向测试)试样按照EN 10164标准进行。根据ISO 148-1标准对夏比试样进行了冲击试验，试样的长轴平行于最终轧制方向，从1/4 t和1/2 t的板厚(t)面截取试样，在垂直于轧制方向和厚度方向的焊接接头表面进行了焊接接头显微硬度的测量，测量范围覆盖了包括焊缝、HAZ和母材在内的截面(图3)。硬度值按比例HV05表示，X和Y坐标下的测量步长为1 mm。

图3 用于微观组织、显微硬度分布和裂纹尖端张开位移(CTOD)测试研究的ABS EH36钢焊接接头示意图：1 -母材；2 -焊缝；3 - CTOD刻痕线；4 - HAZ的范围；5 -显微硬度和显微组织评估的位置；6 –晶粒粗化热影响区(GCHAZ)的边界。

对轧制钢材1/4厚度的母材正火后进行力学试验，得到屈服强度(最小值—最大值/平均值.)：367~385/379MPa；抗拉强度：535~552/540MPa；延伸率：24~30/25%；屈强比：0.69~0.72/0.70；厚度方向极限抗拉强度(UTS) (Z向试验)：530~551/545MPa；断面收缩率ψz：48~71/64%。纵向冲击韧性试验在-20℃、-40℃和-60℃的平均值分别为153~175、107~142和58~137J。母材PWHT后抗拉强度水平降低了10~15MPa，实测延伸率平均增加4%，-40℃下的平均冲击值增加了20-40J。参考文献10对母材的力学性能进行了较为详细的研究。

通过裂纹尖端张开位移(CTOD)试验，确定了晶粒粗化热影响区(GCHAZ)发生脆性断裂的趋势，其技术方法见ISO 15653和ISO 12135描述，试验采用全尺寸厚度试样，切口位于粗化的HAZ区，切口处存在预加疲劳裂纹。试验温度为-10℃，试验开始于脆性断裂的形成，结束于试样的完全塑性断裂破坏。该测试的目的是确定裂缝开始发展的条件—CTOD值越高，在裂缝开始扩展之前，受损构件所能承受的载荷就越高。

研究结果与讨论

传统上，焊接接头的热影响区分为4个部分:[11,12] (1)焊接过程中金属温度升高到1100~1200℃（GCHAZ）以上时候，晶粒长大区域；(2)完全再结晶区域(1100~1200℃—Ac3)，称为细晶热影响区(FGHAZ)；(3)局部再结晶区(Ac3—Ac1)，称为临界热影响区(ICHAZ)；(4)在焊接过程中温度不高于Ac1的回火区域，称为亚临界热影响区(SCHAZ)。GCHAZ的区域是最关键的，这也体现在对这个区域的研究中。

组织调查

图4是焊接接头截面的总体截面图，包括了焊缝、HAZ和母材。在图3所示区域，我们研究了1/4厚度下焊接接头的微观结构。焊接点截面的高度对应埋弧焊过程道次，热影响区HAZ具有较高腐蚀电位(腐蚀过程中颜色变深)长度不规则，在距融合线2.0-2.5 mm范围内变化。

图4  钢种ABS EH36厚板150mm焊缝1/4厚度处微观组织的概貌：1母材；2热影响区；3焊接金属

焊缝和熔合线的微观组织如图5a所示。焊缝结构是粒状贝氏体和针状贝氏体的分散混合，这是由焊接参数和焊丝化学成分的选择造成的。因为大尺寸奥氏体晶粒的形成，γ→α相变过程表现为较高的相变阻力，相变直接从熔合线发生，即非扩散机制，注意到，原始奥氏体大晶粒体积中存在马氏体相变。[13]粗晶区可分为两个形态组织部分：第一部分紧靠融合线，具有马氏体结构；第二部分是贝氏体形态的结构特征，距离熔合线约200 - 900μm，具有充分条件出现的贝氏体组织，主要是板条形态(图5 b)，然后被粒状贝氏体替代。这可能是由于焊接过程中的温度升高导致的，在此温度下，大多数有效阻挡晶粒生长的碳化物和氮化物颗粒没有溶解，板条和粒状贝氏体的比例无法确定，因为在距熔合线相同距离的不同微观区域都存在贝氏体形态的两种变体。

图5  ABS EH36厚板150 mm焊缝1/4厚度处微观组织：a)熔合线(FL)；b)FL+1毫米；c)FL+2毫米；d)母材金属，x500（图a红线区域是熔合线）

大约离开熔合线1500~2000μm，细晶铁素体结构形成；这表明钢材被加热略高于Ac3临界点，即α→γ完全相变完成，这是典型的正火区域，从图5c中可以看出，在离融合线约2mm处，HAZ的微观结构大致从正火区域(图5c左侧)过渡到部分再结晶区(图5c右侧)。在高倍显微照片的左侧有一个明显的区域，已经发生了完全的再结晶，在图片的右侧可以看到，是部分再结晶的，这导致了铁素体基体的晶粒结构不同。此外，随着距离熔合线距离的增加，出现铁素体-珠光体混合物(图5d)结构。根据表2中的参数对焊接接头进行PWHT后HAZ的微观结构状态进行分析，在微观层面上并没有发现金属结构有明显的变化。

显微硬度的调查

图6为焊接初始状态下测试焊缝显微硬度水平的测量结果，如图3所示研究焊缝的一部分。焊接接头在PWHT前的显微硬度水平的特征是硬度值范围很广：从母材区的160HV0.5到熔合线上某些部分的320HV0.5。

图6  ABS EH36厚板150毫米焊缝的显微硬度(横坐标是焊缝的宽度方向，纵坐标是焊缝的高度方向)

从技术角度看，在工业试样中，GCHAZ第一部分的显微硬度仅仅是马氏体组织，由于其宽度极小，难以测量。因此，与马氏体组织相对应的300 HV0.5以上的显微硬度值在研究试样的测试中很少被记录到，尽管它们确实存在。焊接接头其余部分的显微硬度不是很关键。以贝氏体组织为特征的焊缝金属(图5a)的显微硬度水平在250-300 HV0.5范围内，离开熔合线1毫米的距离，球状和板条贝氏体混合体为主导(图5 b)，最大硬度不超过240 HV0.5水平，在靠近靠近焊缝母材附近硬度最大值不超过200 HV0.5水平。需要注意的是，在预期的完全再结晶区域没有明显的软化，例如，这是焊接大直径管道的特点。[6,11]基体金属硬度等级为170-180 HV0.5。

经过PWHT后，焊接接头的硬度水平(见图7)显著降低，其特征是显微硬度值范围值更窄：从157到240 HV0.5。焊缝硬度降至200~230 HV0.5，即下降约 20%。奥氏体粗晶区也具有最大硬度的特征；但是，在PWHT处理后硬度值不超过240 HV0.5，其显微硬度值显著降低了25-30%(见图7)。其他三个区域的显微硬度也显著降低，实际上与基体金属的硬度没有区别。

图7 附加PWHT后ABS EH36厚板150毫米焊缝的显微硬度(横坐标是焊缝的宽度方向，纵坐标是焊缝的高度方向)

焊缝的抗裂性(CTOD试验)

根据国际船级社协会IACS的规定；焊接接头应该显示的平均值δ_CTOD，测试GCHAZ时，测试的三个试样不少于0.20毫米，最小值不小于0.18毫米。图8所示的曲线描述了临界开孔前裂纹发展的条件(图中右边红线所示信号的损失)以及试验结束后试样的断裂类型。PWHT前后焊接接头试件的断裂试验结果表明，在粗晶区开槽时，焊接接头均出现脆性变形(图8c、8d)。然而，焊缝具有不同的裂纹张开度和抗断裂能力(图8a和8b)。PWHT之前，试样加载最大负载的平均值，加载前试样脆性断裂F_mCTOD=600~700 kN，δ_CTOD值=0.22~-0.32毫米。经过PWHT之后和组织结构在粗晶区松弛(从图7的显微硬度测量可以看出)后，F_mCTOD上升到850-900 kN，其平均值上升到0.55-0.65 mm。

图8  PWHT前(a, c)、后(b, d) 150 mm厚ABS EH36厚板焊接接头裂纹张开及断口形貌特征图

结论

研究了最低屈服强度为355MPa、厚度为150mm的正火处理低碳微合金钢等级ABS EH36焊接焊后热处理前后的显微硬度、组织状态和断裂倾向。研究结果如下:

1. 焊后热处理，在GCHAZ增加脆性断裂裂纹传播的阻力：δ_CTOD数值增加两倍到0.55 - 0.65mm的平均值。

2. 焊接接头在PWHT前的显微硬度值范围很广：从160到320 HV0.5。GCHAZ区硬度值超过315 HV0.5。PWHT后显著降低了焊接金属和HAZ的显微硬度，对母材硬度的影响极小。GCHAZ的HV0.5降低了~25%，基体母材金属的HV0.5降低不超过7%。

3.在微观层面上，所研究的焊接接头在PWHT前后的组织没有差异。

这项研究的结果被用于成功用于NLMK DanSteel钢铁厂生产高品质厚板，包括高强度等级AH36、DH36和EH36在150毫米厚度钢板，根据国际船级社ABS、DNV-GL、BV和RIVA要求，另外的高强度海洋用钢标准DNVGL-OS-B101等级VL-A420、VL-D420和VL-E420厚板最大为150毫米，用于制造的固定、海上浮式和移动式结构和设备上。

参考文献

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作者

1. Eugene Goli-Oglu：technology manager, NLMK DanSteel, Frederiksvaerk, Denmark ego@nlmk.com

2. Zibrandt Greisen：quality manager, NLMK DanSteel, Frederiksvaerk, Denmark zib@nlmk.com

唐杰民2019年11月10日翻译自美国《钢铁技术》11月期刊的文章，唐工水平有限，翻译不准确和不妥之处请大家给予指正。