海洋工程用钢因具有良好的强韧性、耐腐蚀性能和焊接性等优点,而被广泛应用于海洋港口、船舶、钻井平台、油气管道运输、跨海大桥等海洋工程领域,而焊接作为连接海洋工程用钢的重要制造加工技术,能极大地降低海洋工程装备制造的复杂性、提高生产效率和降低生产成本。然而,使用目前的国产焊接材料焊接海洋工程用钢时,通常需要较高的预热温度和焊后热处理,且存在着低温韧性不足和离散性较大、焊接工艺适应性较差等问题,这不仅降低了焊接效率并增大了焊接成本,而且获得的焊缝金属容易出现极限强度失效和低温脆断破坏,严重降低海洋工程装备的性能和使用寿命。如何优化焊接材料中合金元素及其含量,实现焊前无预热和焊后无热处理,同时改善焊缝金属组织,提高焊缝金属性能,已成为急需解决的重大工程应用问题。焊接作为连接海洋工程用钢的重要制造加工技术,能极大地降低海洋工程装备制造的复杂性和生产成本、提高生产效率,因而海洋工程装备中存在着大量焊接结构件,其中焊接时长约占海洋工程装备制造总时长的30～40%,焊接成本约占海洋工程装备总成本的30～50%。当采用多层多道焊焊接海洋工程用钢时,焊缝金属的各焊道之间可能产生未熔合、夹渣、气孔等缺陷,同时先焊道受到后焊道的热循环作用,导致先焊道部分组织发生重结晶相变,增大焊缝金属的显微组织组成和化学成分分布的不均匀性和不连续性;另外,紧贴熔合线的粗晶区由于受到热循环的峰值温度高,使得高温停留时间长,原奥氏体晶粒过度长大,且原奥氏体晶粒内易形成粒状贝氏体、M-A组元等脆性组织,造成粗晶区的低温冲击韧性较差,共同降低焊接接头的性能。此外,海洋工程装备长期服役于低温、潮湿、海水腐蚀溶液的环境中,而且受到海风、波浪、地震等外加载荷的作用,使得焊接接头容易出现极限强度失效断裂破坏、低温脆性破坏、腐蚀破坏等结构破坏,严重威胁海洋工程装备的使用性能。为此,本文基于微合金化理论和焊接冶金原理,采用Si-Mn联合脱氧技术,对合金元素及其含量进行合理调控,为440 MPa级海洋工程用钢制备了3种气保护实心焊丝,并进行了熔敷金属试验,研究了不同焊丝的熔敷金属组织、强韧化机理及耐腐蚀性能,得到了强韧性及耐蚀性均满足实际工程需求的3#气保护实心焊丝。然后采用3#气保护实心焊丝,分别以11.5 k J/cm、16.5 k J/cm和21.5 k J/cm的热输入进行了对接接头焊接试验,并对不同热输入的焊接接头进行了显微组织分析、力学性能及耐腐蚀性能测试,确定出了合适的热输入。最后,采用系列温度冲击试验、动态撕裂试验、室温疲劳裂纹扩展速率试验和室温裂纹尖端张开位移试验研究了焊缝金属的断裂韧性。研究所得主要结论如下:（1）熔敷金属组织与性能研究表明,合理调控熔敷金属中Mn、Ni、Cr和Cu含量,能促进CCT曲线右移和降低相变温度,从而促进针状铁素体形成和铁素体板条从平行状分布向交织状分布转变,并细化铁素体板条尺寸,进而提高低温韧性和耐腐蚀性能;熔敷金属中Mn、Ni和Cr含量均增加,会促进M-A组元形成,不利于低温韧性;熔敷金属中夹杂物以大尺寸夹杂物为主,降低低温韧性,但不同熔敷金属中夹杂物尺寸及数量存在较大差异;当Mn含量为1.31%、Ni含量为1.79%、Cr含量为0.40%、Cu含量为0.028%时,熔敷金属的强韧性匹配和耐腐蚀性能最佳,且焊前无预热和焊后热处理。（2）不同热输入的焊接接头组织与性能研究表明,随着热输入的增大,柱状晶组织先从粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体向细小的针状铁素体转变,再向先共析铁素体、侧板条铁素体和针状铁素体转变,焊道间中针状铁素体含量逐渐减小,同时焊缝金属中M-A组元含量逐渐增大,导致焊缝金属的硬度和强度逐渐降低,冲击吸收功和耐腐蚀性能呈先增大后减小的变化趋势;随着热输入的增大,粗晶区中粒状贝氏体和M-A组元含量逐渐增大,同时原奥氏体晶界处的M-A组元逐渐从颗粒状/短条状弥散分布向大尺寸的链状分布转变。（3）焊缝金属的断裂韧性研究表明,焊缝金属的韧脆转变温度约为-48.4℃;-1℃下焊缝金属的动态撕裂能为892 J,纤维断面率为65%,侧膨胀值为4.16 mm;随着恒幅载荷（13～17 k N）的增大,载荷循环次数不断减小,焊缝金属的疲劳寿命减小,而且当应力强度因子范围（35）K相同时,总体上疲劳裂纹扩展速率da-d N随着恒幅载荷的增大而逐渐减小;焊缝金属的CTOD值d为0.481～0.781 mm,有效特征值d0.2BL为0.5103 mm,离散系数仅为16.5%,焊缝金属具有良好的断裂韧性。
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