海洋工程吊機E36高強度鋼鋼板T形接頭焊接橫向裂紋的消除

施洪慧

摘要：海洋工程用吊機大量高強度或超高強度鋼鋼板的使用，給焊接提出了更高的要求，尤其是如何控制和消除橫向裂紋的產生更是關鍵。文中針對海洋工程吊機中樞E36鋼板T型接頭出現大量橫向裂紋且采取的一系列試驗和措施進行描述，在排除了多種可能導致橫向裂紋產生的因素后，發現焊接順序的不合理及預熱的不到位是導致結構產生強大的焊接凝縮應力和熱應力，從而使焊縫產生橫向裂紋的主要原因。

關鍵詞：海工吊機； E36鋼板；橫向裂紋；焊接順序；預熱；凝縮應力

前言

隨著船舶行業的低迷調整，海洋工程產品開始了其發展的迅速上升期。海工產品使用的鋼材一般強度要求較高，尤其是海工吊機。大量高強度鋼板，尤其是超厚板的焊接，對焊接工藝的要求很高，稍有疏忽就會產生焊接缺陷，特別是冷裂紋的產生。通常高強度鋼的級別越高，其冷裂紋的敏感性越大[1]。在冷裂紋中，延遲橫向裂紋產生一般少于縱向裂紋，但正因為其隱蔽性，造成的危害更大。試驗室為查找多道焊橫向裂紋產生的原因，對于對接焊預制有兩端加強拘束小窗口裂紋試驗法[2]，而對于受力更為復雜的T型接頭，則有剛性T型接頭焊接橫向裂紋試驗方法[1]。本文中詳細描述了針對剛性T型接頭在焊接后產生大量延遲橫向裂紋進行的一系列可能原因排查，最終發現導致本次橫向裂紋的主要原因為非合理焊接順序及預熱不充分使焊接接頭區域的凝縮應力過大而產生的整個過程。其中側板厚度為30mm，底板為140mm。原先的裝配焊接順序是：1、先將前后鉸鏈板與底板焊接，側板單獨先拼接好，做NDT合格；2、再將側板與底板裝配焊接，所有對接接頭和T型接頭全部為全熔透焊縫。采用CO2半自動焊接，對焊接區域進行火焰預熱處理，溫度在60℃左右。先焊接內部，外面（背面）清根，焊接后再以保溫棉保溫。焊后48小時直探頭在焊縫表面進行檢測，發現微小片狀缺陷，碳刨后以PT著色檢查，發現許多微小的橫向裂紋（圖2）。而且隨著時間的推移，橫向裂紋數量不斷增加，主要出現在焊縫中部。隨后制定返修工藝，對出現橫向裂紋的焊縫進行加熱，然后碳刨清除，確定裂紋全部清除后再按照之前的焊接方式進行預熱、焊接及保溫返修， 48小時后超聲波檢測發現極少數微小橫向裂紋缺陷顯現，隨后隨著時間的推移裂紋數量越來越多，該種方式仍無法避免橫向裂紋的產生。斷面上出現的幾條裂紋，其裂紋面與焊接方向呈45°夾角，這種裂紋屬于典型的延遲橫向裂紋[4]。對于屈服強度低于600MPa的高強度鋼，橫向裂紋一般不會擴展到表面，且這種微小裂紋潛伏期很長，不易別發現，一般都是在過了較長時間后在復探時才被檢測出，那時工件基本被運送到現場或已經被安裝，因此后期的返修很困難，質量也很難保證。這種橫向裂紋正由于其極強的隱蔽性，也對產品帶來了極大的質量隱患和危害。防止橫向裂紋產生非常重要。2.焊接橫向裂紋的原因查找分析

為了將產生橫向裂紋的原因找出來，我們對可能產生的因素進行了排查。對焊接會導致橫向裂紋的因素主要是母材、焊材、焊接工藝、焊接順序、預熱、保溫幾種。

首先將30 mm和140mm的鋼板機進行械性能、化學成分及金相分析，除140mm的材料碳當量稍微偏高點，未發現異常情況。再將焊材進行試驗，機械性能和擴散氫含量等也符合規范要求再參照CB1122-84《剛性T形接頭焊接橫向裂紋試驗方法》，可以看出在強拘束應力下，焊縫是很容易產生橫向裂紋的，因此也用這方法來評價高強度船體用結構鋼對T形兩面焊透的角焊縫橫向裂紋及焊道下裂紋的敏感性。而本案例的結構形式和標準中的試驗形式非常相似兩者都是先將兩端的構件焊接好，底板都較厚，最后再焊接T形接頭焊縫，因此最后這條焊縫也就成了拘束焊縫，這種焊接順序是很不合理的。還有用火焰預熱，只能在鋼板表面比較淺的區域能是溫度提升，內部的溫度還是很低，且預熱也沒有到達要求的溫度。焊后保溫這方面也做得也不好，導致結構產生強大的焊接凝縮應力和熱應力，從而使焊縫很容易產生橫向裂紋。3.橫向裂紋的消除措施

在找出導致橫向裂紋產生的原因之后，便是著手進行糾正措施的準備。首先重新制訂詳細的返修工藝，將不合理的因素消除，調整焊接順序，改變焊接預熱及后熱處理方法。先將火焰加熱改為電加熱，并且從底板的反面貼加熱塊，以保證熱量的均勻和充分；在溫度升到100℃時將問題焊縫從T型接頭的內外面碳刨打磨去除干凈，并且將一圈T型焊縫周圍側板上的焊縫割開長度一米，使得T型焊縫處于相對松弛狀態，見圖4，矩形部分為側板焊縫為減少拘束應力而割開的區域；冷卻至室溫后進行UT和PT或MT檢測，確保所有的裂紋消除；繼續加熱直至溫度達到160℃以上（因為返修預熱溫度應該比第一次預熱高50℃），保持溫度2小時，然后按照原先的焊接參數先進行T型焊縫的焊接，焊接過程中加熱快始終保持加熱狀態，且焊接采用從中間向兩邊的分段焊，盡可能給予焊縫可收縮性；焊接后仍繼續采用電加熱塊進行110℃左右的保溫處理，2小時后移除加熱塊，自然冷卻；隨后分不同時間間隔對返修的T型焊縫進行NDT檢測，發現再沒有出現橫向裂紋，至此T型焊縫上的橫向裂紋問題徹底消除。最后再將側板上割開的幾條焊縫焊接完成，為保證最后焊接的幾條側板焊縫的焊接質量，我們也進行了一定的預熱（80℃）處理以減少凝縮應力。4.結論

4.1.高強度鋼焊接時要注意焊接順序，避免高拘束應力的焊接工藝，從而減少凝縮應力以避免產生橫向裂紋。

4.2.E36高強度鋼T型接頭薄厚板的焊接，在焊接前的預熱和層間溫度必須充分，且要按照厚板的WPS進行預熱和控制好層間溫度。

4.3.高強度厚板焊接后的緩冷很重要，必須加以一定的保溫措施，這也是防止橫向裂紋出現的關鍵。

4.4.E36高強度鋼的橫向裂紋很微小，隱藏在焊縫下，斜探頭UT在焊縫兩側探傷不易發現，需要以直探頭在焊縫表面檢測才能發現。

4.5.橫向裂紋延遲性強，且隨著時間的推移會越來越多地出現。

參考文獻：

[1]張華軍，張廣軍，吳林.低合金高強度鋼雙面雙弧焊熱循環對組織性能影響[J].焊接學報，2007，10（28）：81-84

[2]張華軍，沈大明. 風力發電管樁S355鋼多道焊橫向裂紋產生原因。焊接，2011，10：49-51

[3]范希賢. 剛性T型接頭焊接橫向裂紋試驗方法. 中國船舶工業總公司部標準. CB1122-84

[4] Allen D J， Chew B， Harris P. The formation of Chevron cracks in submerged arc weld metal[J]. Welding Journal，1982（61）：212-221.