1. 概述
GustoMSC NG-2500X是荷兰GustoMSC设计的一艘同时具有自航能力和升降能力的多功能平台（见图1），主要用于油田服务，生活支持以及风电安装等方面，其作业水深可达70m以内水域。
上海市家庭医生团队成员对社区药学服务的认知、评价和需求调查 ……………………………………… 沈 美等（13）：1841
众人哈哈一笑，秦明月说：“志武分析的还是有道理的，但是切记一条，这也是你给自己画的框框，而真相往往在框外。”
该平台最重要构架是4条桁架式桩腿，腿长94.2m，下面连接桩靴，弦管间距5.0m，选用超高强的EQ70弦管焊接而成。弦管两侧焊有用于船体升降的齿条板，齿条板选用120mm厚的E Q70钢焊接而成，升降装置沿齿条实现爬升，提升总重量5500t。桩腿是自升式平台的关键特殊构件，该关键部件弦管和齿条板均采用E Q70超高强度钢，全焊接结构，厚度为20～120mm，Ceq达到0.65%，极易产生氢致冷裂纹、未熔合、硬脆区及软化区等焊接缺陷，尤其是40mm板厚以上的复杂构件，缺陷产生的概率更高。
我国海洋平台大型构件传统上均采用焊条电弧焊工艺，存在质量不稳定、易产生裂纹等缺陷，返修率高、效率低、周期长等难题。欧美已普遍采用过程在线控制的金属粉芯焊丝高效自动脉冲气保多层多道焊接工艺，质量稳定性好。因而针对这类厚板复杂构件，研发金属粉芯焊丝脉冲气保自动焊接工艺，对于提高我国海洋平台焊接建造质量和技术水平、提升我国海工企业核心竞争能力，具有重要的经济和社会意义。
本文以我国自升式生活服务平台120mm厚EQ70桩腿齿条板为研究对象，研究金属粉芯焊丝脉冲气体保护自动焊接工艺，突破关键工艺及参数与焊接缺陷、接头性能的关系规律，为我国海工平台高强厚板构件焊接建造提供一种可行的高效焊接工艺， 65mm厚EQ70板对接横焊如图2所示。
图1 NG-2500X效果
图2 焊接试验
2. 焊接工艺
（1）母材 试验采用ABSEQ70钢，板厚65mm，化学成分、力学性能分别如表1、表2所示。
（2）焊接材料选择 根据海工平台焊接结构等强匹配原则，同时为提高厚板构件熔敷效率，齿条板构件焊接设计采用STEIN-MEGAFIL 690R（以下简称690R）和STEIN-MEGAFIL 742M（以下简称742M）。依据国家标准，对690R和742M熔敷金属化学成分和力学性能进行了试验测试，结果如表3所示。
（3）焊接工艺设计120mmEQ70齿条板焊后需进行200～230℃保温2h的后热处理，焊前母材处于调质状态，该构件焊接存在三大问题：一是焊接冷裂纹；二是焊缝硬脆组织和热影响硬脆区；三是热影响软化区。金属脉冲粉芯焊丝Ar+CO2气体保护焊工艺，保护气氛呈氧化性，可抑制焊缝中扩散氢的产生，有效降低冷裂纹产生的可能性；与焊条电弧焊相比，熔化极气体保护焊热量集中，热影响区较窄，软化区较窄；多层多道焊兼具预热和后热的效果，有利于提高硬脆区的性能，同时减少冷裂纹的产生；同时金属粉芯焊丝熔敷效率明显高于手工焊，也高于实芯焊丝气体保护焊。为进一步减低焊接变形和残余应力，滑移箱尽量设计采用双枪对称焊接工序，有效地控制了焊缝根部熔透。
本区位于内蒙古高原南缘，地处高原与山地、寒温带与暖温带、半干旱与半湿润、农业与牧业等的过渡地带。生态环境极度脆弱，草场沙化和水土流失问题严重，地下水严重超采。主导基础功能为水源涵养和生态维护，水土保持重点是通过小流域综合治理，加强丘陵区水土流失治理，提高林草覆盖率，加强草场管理，防治土地沙化，发展节水工程，保障群众生产生活用水。
齿条板对接焊接头采用双面V形45°坡口（见图3），留合适的间隙，双面焊接，经工艺评定验证的具体焊接参数如表4所示。焊缝采用双枪对称同步半自动焊接工艺，保证了最低的焊接变形和残余应力，有效地降低了焊接裂纹。
齿条板典型焊缝采用引收弧板， 焊接完成后对试板进行无损检测，结果如下：①焊缝外观检测：100%VT，焊缝成形良好，无裂纹、气孔、夹渣及咬边等缺陷。②焊缝渗透检测：100%着色，无缺陷。③焊缝检测：100%RT+100%UT 检测，满足AWS D1.1: ， Chapter 6的要求。
表1 ABSEQ70钢化学成分（质量分数） （%）
C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Ti Nb Al 0.13 0.08 0.8 0.006 0.003 0.21 0.73 0.74 0.38 0.04 0.011 0.01 0.06
表2 ABSEQ70钢力学性能
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率（%） 冲击吸收能量（-40℃）/J 690 770～940 14 69
表3 690R和742M金属粉芯焊丝熔敷金属实测化学成分及力学性能
化学成分（质量分数，%） 力学性能C Mn Si P S Ni Mo Rp0.2/MPa牌号Rm/MPa（%）A KV（-4 0℃）/J 690R 0.082 1.71 0.51 ＜0.015 ＜0.015 1.9 0.21 710 760 20 85 70 80 724M 0.051 1.62 0.43 ＜0.015 ＜0.015 2.1 0.52 735 780 21.5 100 105 105
图3 NG-2500X平台齿条板焊接
表4 120mm厚EQ70齿条板对接焊接参数
注：保护气: Ar82%+CO218%; 气体流量25L/min；技术措施预热120～140℃、层间温度180℃。
层、道 焊接电流/A 电弧电压/V 焊接速度/cm·min-1 熔敷面积/cm2打底层 130～160 18～20 30～32 0.28～0，32封底层 160～180 20～21 40～45 0.30～0.35 0.5～0.6正面中间多层 220～260 25～28 45～60背面中间多层 220～260 25～28 45～60 0.5～0.6正面盖面 230～250 23～24 32～36 0.35～0.4背面盖面 230～250 23～24 32～36 0.35～0.4
3. 焊缝接头微观组织分析
EQ70钢焊接接头的典型宏观形貌如图4所示，焊缝、熔合线、热影响区均未发现裂纹、未熔合、气孔及夹渣等焊接缺陷，焊缝熔合良好，设计的工艺满足质量要求。
母材、热影响区、热影响过热区和焊缝2000倍、5000倍的扫描电镜照片分别如图5、图6所示。从图5b可见热影响区呈现回火组织形态，从图5c可见热影响过热区部分晶粒较为粗大，是热影响区的薄弱区域。图6a为母材组织，结合母材成分可知母材为低碳板条马氏体，并含有少量细微的微合金元素析出物。热影响区在多层多道焊接过程中经多次回火，其所得组织如图6b所示。焊接过程中，热影响区奥氏体化，冷却后形成板条马氏体，在热循环过程中回火形成等轴铁素体和少量板条马氏体混合组织，并产生少量细小析出物。图6c为热影响过热区，该区组织粗大，尤其是焊缝盖面层未经过多次回火，在靠近熔合区的地方形成粗大的马氏体组织，成为焊缝的薄弱区域。图6d为焊缝组织，焊缝区由于焊Ni、Cr较多，冷却过程中形成马氏体组织，多次热循环回火后呈现回火索氏体的形貌。
图4 焊缝宏观组织形貌
焊缝和热影响区微观组织表明，焊缝组织总体上呈现板条M氏体转变的中温回火组织，盖面层出现板条M组织，存在少量片状M，靠近熔合区处组织较为粗大，是薄弱环节，总体组织符合工艺设计要求。
4. 焊缝接头力学性能分析
图5 金相照片（2000×）
图6 金相照片（5000×）
按照AWS D1.1: ，Chapter 4 要求，我们以65mm厚EQ70钢板焊后进行了拉伸、弯曲、冲击和硬度检测。其中拉伸试样分两层制备，试验结果如表5所示。拉伸后均断裂于母材，抗拉强度数值较为集中。弯曲试验也分两层进行，180°侧弯，试样规格为10mm×40mm×240mm，弯芯直径，取63.5mm，仅个别试样上有微小裂纹，按AWS D1.1标准，裂纹长度在合格范围。
2) 标准曲线的绘制。精密量取小檗碱标准溶液0.5 mL、1 mL、3 mL、5 mL、7 mL及9 mL分别置于10 mL容量瓶中，用甲醇定容、摇匀后分别取10 μL注入液相色谱仪测定其峰面积。色谱条件：色谱柱为ThermoFisher C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流动相为乙腈-0.02 mol/L磷酸二氢钾溶液(24∶76)，流速1.0 mL/min，检测波长265 nm，柱温为常温。以标准品含量(C)为横坐标，峰面积积分值(A)为纵坐标，绘制标准曲线。
冲击试验按照焊缝中心（T/4和根部）、熔合区和热影响区（熔合线+5mm）部位进行-40℃低温冲击检测，其中熔合线和热影响区的冲击值均在140J以上，远高于母材的标准值69J，焊缝中心的冲击值也在70J以上（见表6），其中焊缝中心（根部）的冲击值最低。由数据可见，焊缝根部、中间和热影响区冲击性能稳定，均满足规范要求。
表5 试件抗拉强度
编号 抗拉强度/MPa 均值/MPa上层 下层1 800 805 800 805 803 2 790 785 795 785 789 3 810 800 815 790 804 4 806 806 804 804 805
表6 各组试样的冲击值 （J）
序号位置 1 2 3 4 5焊缝根部 65 82 90 50 62 60 72 50 55 60 50 75 60 50 45焊缝中心 95 105 100 90 95 85 90 100 85 70 75 90 90 75 90熔合区 250 270 240 180 170 150 150 155 160 135 140 130 200 190 190粗晶区 300 310 310 280 270 275 300 300 290 280 280 275 300 300 290
图7 焊缝接头区显微硬度分布
接头区域的显微硬度分布如图7所示，母材硬度约为HV255，焊缝约为HV290，热影响软化区硬度约HV240，软化区较窄、约为1mm。按照“硬夹软”分布的力学模型分析，拉伸时断口将出现在母材，这与拉伸检测试验的结果保持一致。但总体而言，母材、热影响区硬度值相差不是特别大，软化区出现在熔合区附近，表明多层多道焊重复热作用的结果，已将熔合区附近的脆化区进行了退火或正火处理。
实验材料：选择德清源的红皮双黄鸡蛋120枚，红皮单黄鸡蛋120枚(首先人工标识后破壳确定)；各取90枚用于实验建模分析，后各取30枚用于验证。
5. 结语
采用富氩脉冲气保自动对称多层多道焊接工艺，可以显著提升高强钢齿条板结构件焊缝接头的整体性能，降低焊接变形，减少残余应力。工艺研究和生产验证均表明，焊接质量和构件焊缝性能满足了大型海工自升式平台齿条板焊接接头质量、性能和尺寸精度的要求。同时试验表明：金属粉芯脉冲富氩气保自动焊接效率与手工焊相比，整个齿条板焊接时间减少了95%以上，效率提高一倍。
参考文献：
[1]李朋，陈希章，胡超.Q690焊接接头组织及其残余应力分布研究[J].热加工工艺，（23）：212-214.
