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.合肥學院 機械工程學系，合肥230601；3.合肥熔安動力機械有限公司，合肥 230601）

0 前 言

隨著船舶產業的飛速發展，船舶及海洋工程用結構鋼板的需求快速增長，而船用鋼材也向輕量化發展，促使船體結構用鋼板的強度和質量等級不斷提高。

D36-Z35船體用結構鋼是在一定C含量的基礎之上，添加了Mn，Si，Nb，V等合金元素，改善了D36鋼的強度和硬度，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，提高高強度船體結構鋼板的可焊性；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）具有生產效率高、勞動條件好、可批量化生產等手工焊接無法比擬的優點。本研究將雙絲自動埋弧焊工藝應用于D36-Z35鋼焊接，采用焊條電弧焊補焊工藝，并按照AWS D1.1《鋼結構焊接規范》對以上兩種焊接工藝進行了工藝性能試驗。

1 D36-Z35鋼化學成分與力學性能

根據 GB 712—2011及 GB 5313—2010標準，對D36-Z35船體用結構鋼化學成分和力學性能進行檢測，實測結果見表1和表2。

表1 D36-Z35鋼的主要化學成分%

表2 D36-Z35鋼的力學性能

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，熱影響區由于急速加熱和冷卻，容易引起組織轉變和硬度提高，在馬氏體開始轉變溫度MS點附近或更低溫度區間產生冷裂紋，而焊接接頭中含H量及接頭拘束應力同樣會加劇冷裂紋的產生。由此可見，D36-Z35焊接的主要問題就是焊接時產生的冷裂紋，因此，如何避免冷裂紋的產生是D36-Z35鋼焊接技術的關鍵。

3 焊前準備

3.1 焊接試件

選用符合GB 712—2011《船舶及海洋工程用結構鋼》的D36-Z35鋼，加工對接試板4塊，焊接成2塊工藝評定試板，對接試板的規格為800mm×300mm×38mm，埋弧焊接采用雙面X形坡口，焊條電弧焊補焊采用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、水分等雜質必須全部清除干凈，坡口邊緣至少25mm范圍內需打磨露出金屬光澤。

4.2 焊材保溫

埋弧焊劑應嚴格烘干，在350℃保溫箱內保存，隨用隨取；焊條應按照規范要求嚴格烘干，在100～150℃保溫箱內保存，隨用隨取；埋弧焊絲應標識清楚、包裝完好。

4.3 焊前預熱

考慮板材的化學成分及厚度，鋼材的淬硬傾向比較大，容易產生焊接裂紋，因此焊前必須對鋼板進行焊前預熱，以減緩焊接接頭的冷卻速度，適當延長焊接接頭在AC3線以下至AC1線以上的冷卻時間，以減少淬火組織的形成，降低內應力，有利于H的逸出，從而避免焊接裂紋產生。另外，預熱還可以去除表面油、水分等，降低焊縫金屬含H量。根據規范，預熱溫度為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，會引起熱影響區過熱，致使晶粒粗大，產生焊接缺陷。

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熱溫度，否則由于H含量的逐層積累和焊接產生的熱變形而帶來根部應力集中，導致冷裂紋傾向增大。因此應嚴格控制層間溫度在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氣體保護焊打底，因此在焊接時應避免飛濺產生，如有飛濺必須徹底清除后方可進行焊接；另外，在背面焊接前必須采用碳弧氣刨徹底清除預焊層，坡口打磨干凈，防止滲碳產生。

5 焊接工藝

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

表3 埋弧自動焊工藝參數（SAW）

表4 手工電弧焊工藝參數(SMAW)

6 試驗結果及分析

按照AWS D1.1—2008規范要求，焊后要進行外觀檢查、超聲波和磁粉檢測。對焊縫外觀進行檢查，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。超聲波檢測焊縫內部質量良好，探傷結果符合 API RP 2X Level A級要求。磁粉檢測試板近表面無缺陷，探傷結果符合 ASME Sec.ⅧDiv.1.App.6要求。無損檢測合格后，按照規范要求對焊接試板進行機械切割取加工試樣，分別進行焊縫橫向拉伸試驗、導向彎曲試驗、-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規范要求，對試樣進行拉伸試驗，試驗測得自動埋弧焊接和手工補焊焊縫的抗拉強度分別為545 MPa和550 MPa，均低于母材的抗拉強度，符合標準要求。

6.2 導向彎曲試驗

按照AWS D1.1—2008規范要求，鋼板厚度＞10mm時，可用4個側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，進行側彎試驗，彎軸直徑50.8mm，彎曲角度180°，試驗結果顯示8個側彎試樣全部合格。

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沖擊性能按照AWS D1.1—2008規范要求，平均沖擊功≥50 J，最小沖擊功≥34 J，試驗結果符合要求，具體沖擊值見表5。

表5 -20℃沖擊試驗結果

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，發現焊縫完全焊透，焊偏量符合規范要求，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硬度值均低于規范要求的上限值，符合規范要求。

圖4 焊條電弧焊焊縫金相組織

7 結 語

針對D36-Z35鋼在船舶及海洋工程應用鋼的特殊要求，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， 通過對焊接試板進行焊縫外觀、無損檢測、力學性能試驗等一系列檢測，試驗結果完全符合規范要求，表明D36-Z35鋼可以采用雙絲埋弧焊工藝生產，拓寬了船舶及海洋工程用板的焊接工藝，實現了船舶及海洋工程用板的機械化、批量化生產。

［1］AWS D1.1—2008，鋼結構焊接規范［S］.

［2］GB 712—2011，船舶及海洋工程用結構鋼［S］.

［3］GB 5313—2010，厚度方向性能鋼板［S］.

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