D36-Z35鋼焊接工藝研究與試驗分析

彭 靜，鄭家勝，吳宏根，凌羽東，程 勇

(1.合肥紫金鋼管有限公司，合肥 230051；2.合肥學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)系，合肥230601；3.合肥熔安動力機(jī)械有限公司，合肥 230601）

0 前 言

隨著船舶產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼板的需求快速增長，而船用鋼材也向輕量化發(fā)展，促使船體結(jié)構(gòu)用鋼板的強(qiáng)度和質(zhì)量等級不斷提高。

D36-Z35船體用結(jié)構(gòu)鋼是在一定C含量的基礎(chǔ)之上，添加了Mn，Si，Nb，V等合金元素，改善了D36鋼的強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性值也大幅提高，尤其是低溫沖擊韌性；同時鋼板軋制過程中加入Ti，形成TiN粒子能有效阻止其原始晶粒長大，提高高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼板的可焊性；另外附加z向性能使得該材料還具有很好的抗層狀撕裂性能。

雙絲自動埋弧焊（SAW）具有生產(chǎn)效率高、勞動條件好、可批量化生產(chǎn)等手工焊接無法比擬的優(yōu)點。本研究將雙絲自動埋弧焊工藝應(yīng)用于D36-Z35鋼焊接，采用焊條電弧焊補(bǔ)焊工藝，并按照AWS D1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》對以上兩種焊接工藝進(jìn)行了工藝性能試驗。

1 D36-Z35鋼化學(xué)成分與力學(xué)性能

根據(jù) GB 712—2011及 GB 5313—2010標(biāo)準(zhǔn)，對D36-Z35船體用結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢測，實測結(jié)果見表1和表2。

表1 D36-Z35鋼的主要化學(xué)成分%

表2 D36-Z35鋼的力學(xué)性能

2 D36-Z35鋼的焊接性

D36-Z35鋼合金含量較高，鋼板的淬硬傾向比較大。焊接時，熱影響區(qū)由于急速加熱和冷卻，容易引起組織轉(zhuǎn)變和硬度提高，在馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度MS點附近或更低溫度區(qū)間產(chǎn)生冷裂紋，而焊接接頭中含H量及接頭拘束應(yīng)力同樣會加劇冷裂紋的產(chǎn)生。由此可見，D36-Z35焊接的主要問題就是焊接時產(chǎn)生的冷裂紋，因此，如何避免冷裂紋的產(chǎn)生是D36-Z35鋼焊接技術(shù)的關(guān)鍵。

3 焊前準(zhǔn)備

3.1 焊接試件

選用符合GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》的D36-Z35鋼，加工對接試板4塊，焊接成2塊工藝評定試板，對接試板的規(guī)格為800mm×300mm×38mm，埋弧焊接采用雙面X形坡口，焊條電弧焊補(bǔ)焊采用V形坡口，坡口尺寸如圖1所示。

3.2 焊接材料

圖1 焊接坡口尺寸

選用與母材強(qiáng)度等級相匹配的焊材，針對D36-Z35鋼的性能，埋弧焊劑選用SJ102G，焊絲匹配H08MnMoTiB（H08C）和 CHW-S12焊絲，焊條電弧焊補(bǔ)焊選用低氫型E7018-1（CHE58-1）堿性焊條。

4 焊接過程注意事項

4.1 焊接坡口

坡口機(jī)械加工而成，加工面要求光滑、無鋸齒；坡口邊緣銹蝕、氧化皮、水分等雜質(zhì)必須全部清除干凈，坡口邊緣至少25mm范圍內(nèi)需打磨露出金屬光澤。

4.2 焊材保溫

埋弧焊劑應(yīng)嚴(yán)格烘干，在350℃保溫箱內(nèi)保存，隨用隨取；焊條應(yīng)按照規(guī)范要求嚴(yán)格烘干，在100～150℃保溫箱內(nèi)保存，隨用隨取；埋弧焊絲應(yīng)標(biāo)識清楚、包裝完好。

4.3 焊前預(yù)熱

考慮板材的化學(xué)成分及厚度，鋼材的淬硬傾向比較大，容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此焊前必須對鋼板進(jìn)行焊前預(yù)熱，以減緩焊接接頭的冷卻速度，適當(dāng)延長焊接接頭在AC3線以下至AC1線以上的冷卻時間，以減少淬火組織的形成，降低內(nèi)應(yīng)力，有利于H的逸出，從而避免焊接裂紋產(chǎn)生。另外，預(yù)熱還可以去除表面油、水分等，降低焊縫金屬含H量。根據(jù)規(guī)范，預(yù)熱溫度為65～115℃，用電加熱或氧乙炔加熱后，用測溫儀在距離坡口邊緣76mm位置處測量預(yù)熱溫度。

4.4 焊接線能量的控制

焊接線能量控制在4.0 kJ/mm以下，線能量過大，焊縫金屬在高溫停留時間長，會引起熱影響區(qū)過熱，致使晶粒粗大，產(chǎn)生焊接缺陷。

4.5 層間溫度控制

多層焊時，后面焊接層對前面焊層有消氫作用，原則上，層間溫度不能低于預(yù)熱溫度，否則由于H含量的逐層積累和焊接產(chǎn)生的熱變形而帶來根部應(yīng)力集中，導(dǎo)致冷裂紋傾向增大。因此應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度在65～230℃，在焊縫或焊縫與母材交界處測量層間溫度。

4.6 操作控制

埋弧焊工藝采用CO2氣體保護(hù)焊打底，因此在焊接時應(yīng)避免飛濺產(chǎn)生，如有飛濺必須徹底清除后方可進(jìn)行焊接；另外，在背面焊接前必須采用碳弧氣刨徹底清除預(yù)焊層，坡口打磨干凈，防止?jié)B碳產(chǎn)生。

5 焊接工藝

焊接時按照預(yù)定的焊接工藝規(guī)范（PWPS）進(jìn)行焊接，同時根據(jù)實際焊接情況進(jìn)行實時調(diào)整。埋弧自動焊焊接工藝參數(shù)見表3，第一層焊道采用CO2氣體保護(hù)焊打底，氣體流量17 L/min。手工電弧焊工藝參數(shù)見表4，焊條直徑4mm，型號為CHE58-1。

表3 埋弧自動焊工藝參數(shù)（SAW）

表4 手工電弧焊工藝參數(shù)(SMAW)

6 試驗結(jié)果及分析

按照AWS D1.1—2008規(guī)范要求，焊后要進(jìn)行外觀檢查、超聲波和磁粉檢測。對焊縫外觀進(jìn)行檢查，焊縫表面成形美觀，無表面氣孔、裂紋、夾渣及咬邊等外觀缺陷。超聲波檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，探傷結(jié)果符合 API RP 2X Level A級要求。磁粉檢測試板近表面無缺陷，探傷結(jié)果符合 ASME Sec.ⅧDiv.1.App.6要求。無損檢測合格后，按照規(guī)范要求對焊接試板進(jìn)行機(jī)械切割取加工試樣，分別進(jìn)行焊縫橫向拉伸試驗、導(dǎo)向彎曲試驗、-20℃沖擊試驗、宏觀金相和維氏硬度檢測。

6.1 拉伸試驗

按照AWS D1.1—2008規(guī)范要求，對試樣進(jìn)行拉伸試驗，試驗測得自動埋弧焊接和手工補(bǔ)焊焊縫的抗拉強(qiáng)度分別為545 MPa和550 MPa，均低于母材的抗拉強(qiáng)度，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.2 導(dǎo)向彎曲試驗

按照AWS D1.1—2008規(guī)范要求，鋼板厚度＞10mm時，可用4個側(cè)彎代替面彎和背彎試驗。沿厚度方向分別截取埋弧焊和焊條電弧焊試板各4個試樣，進(jìn)行側(cè)彎試驗，彎軸直徑50.8mm，彎曲角度180°，試驗結(jié)果顯示8個側(cè)彎試樣全部合格。

6.3 沖擊試驗

為了全面檢測埋弧焊縫對沖擊性能的影響，分別對焊縫中心、熔合線、熔合線+2mm處以及熔合線+5mm處進(jìn)行沖擊試驗，采用V形缺口試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，試驗溫度為-20℃。D36-Z35鋼板焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能按照AWS D1.1—2008規(guī)范要求，平均沖擊功≥50 J，最小沖擊功≥34 J，試驗結(jié)果符合要求，具體沖擊值見表5。

表5 -20℃沖擊試驗結(jié)果

6.4 宏觀金相和硬度試驗

圖2 焊縫宏觀形貌

D36-Z35鋼焊縫形貌如圖2所示，通過對埋弧焊和焊條電弧焊焊縫宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，焊偏量符合規(guī)范要求，無裂紋、夾渣等缺陷。埋弧焊和焊條電弧焊焊縫金相組織如圖3和圖4所示。對以上兩組試樣做硬度檢測，D36-Z35鋼焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)硬度值均低于規(guī)范要求的上限值，符合規(guī)范要求。

圖4 焊條電弧焊焊縫金相組織

7 結(jié) 語

針對D36-Z35鋼在船舶及海洋工程應(yīng)用鋼的特殊要求，本次工藝評定首次采用雙絲埋弧焊接工藝，補(bǔ)焊采用焊條電弧焊工藝，雙絲埋弧焊采用SJ102G焊劑匹配H08MnMoTiB（H08C）和CHW-S12焊絲，焊條電弧焊采用E7018-1（CHE58-1）焊條， 通過對焊接試板進(jìn)行焊縫外觀、無損檢測、力學(xué)性能試驗等一系列檢測，試驗結(jié)果完全符合規(guī)范要求，表明D36-Z35鋼可以采用雙絲埋弧焊工藝生產(chǎn)，拓寬了船舶及海洋工程用板的焊接工藝，實現(xiàn)了船舶及海洋工程用板的機(jī)械化、批量化生產(chǎn)。

［1］AWS D1.1—2008，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范［S］.

［2］GB 712—2011，船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［3］GB 5313—2010，厚度方向性能鋼板［S］.

［4］虞毅.預(yù)熱溫度對D36-Z35焊接熱影響區(qū)組織性能的影響［G］.鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會論集.2008：78-82.

［5］李志祥.南通航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報［N］.船舶工程，2007，6（02）：84-86.

［6］王洪，劉小林，蔡慶伍，等.D36高強(qiáng)度船板鋼的生產(chǎn)工藝［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2005，27（05）：552-555.

［7］張文鉞.焊接冷裂敏感性的有效擴(kuò)散氫及氫擴(kuò)散因子［J］.焊接學(xué)報，1991，12（03）：129-135.

［8］周振豐.焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［9］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［10］ASME BPV Ⅸ：2010，Welding and Brazing Qualifications［S］.

［11］熱處理手冊編委會.熱處理手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［12］鈴木春義.鋼材的焊接裂紋（冷裂紋）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［13］呂德林.焊接金相分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［14］邱葭菲.金屬熔焊原理及材料焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［15］ASME SA370：2007，Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel［S］.