高強度船體結構用鋼EH36超厚板焊接工藝研究

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(1.武漢交通職業學院,武漢 430065；2.武昌船舶重工有限責任公司,武漢 430064)

隨著三用工作船作業水深的不斷增加，半潛平臺錨和錨鏈對大型拖纜機的工作負荷不斷增加，導致船體對局部強度的要求越來越高，同時考慮到空船重量，普通強度船體用鋼的強度難以滿足船舶功能要求，從而使得高強度船體結構用鋼越來越受到設計者的青睞，應用日趨廣泛。為了滿足各種大厚度高強度船體結構鋼在船舶結構中的性能要求，焊接結構也向高參數大型化方向發展。這就對高強度船體結構鋼的焊接性以及相應的焊接工藝提出了越來越高的要求，不僅要求具有良好的綜合力學性能和加工工藝性能，而且還應具有較高的工作效率[1]。故對高強度船體結構用鋼的厚板焊接工藝進行研究有一定的適用價值[2]。

由于深水作業的需求，加之海況條件惡劣，三用工作船船體外板主要采用高強度船體結構鋼，其中在主甲板處加強部位采用EH36 100 mm超厚板高強度船體結構用鋼，為此本文針對超厚板高強度船體結構用鋼的焊接方法和工藝措施展開研究，并通過一系列的措施來保證超厚板高強度船體結構用鋼的焊接質量和焊接效率，為以后此類鋼種的焊接工藝提供技術支持。

1 母材成分及焊接性分析

1.1 高強鋼EH36的化學成分及力學性能

高強鋼EH36化學成分及力學性能見表1、2。

表1 高強鋼EH36的化學成分 %

表2 高強鋼EH36的力學性能

1.2 高強鋼EH36的可焊性分析

金屬焊接性的評定方法通常有間接判斷法和直接試驗法兩類。間接判斷法中最常用且最簡單的方法是用“碳當量”來估算的淬硬傾向，從而評定其焊接性；直接試驗法是通過一系列的試驗，反映鋼材的焊接裂紋傾向及焊接接頭的使用性能，能夠直接評定金屬材料的焊接性[3]。

所謂“碳當量”法就是把各種元素都按相當于若干含碳量的辦法總和起來，它是一種近似的計算方法。因為合金元素對焊接性的影響是十分復雜的，多種元素存在與單獨元素的影響不同，在不同的含碳量或不同類型鋼中的影響也不同，所以出現了許多碳當量的計算公式。國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式如下。

0.18+(0.9～1.6)/6+(0.40+

0.35)/15+(0.20+0.08+0.05～

0.10)/5=0.446～0.573

CE為0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

在評價低合金高強度鋼的焊接冷裂紋敏感性時，除采用IIW公式外，還可采用焊接裂紋敏感成分PCM。

60歲以上老年人可把肝功能檢查中“球蛋白”這項作為早期監測指標。球蛋白偏高時，可到血液科進一步檢查。當老年人出現持續腰背疼痛、骨折、貧血、腎炎等病，久治難愈時，也應考慮到血液科進一步診斷。

根據桶樣化學成分采用下列公式計算冷裂紋敏感系數PCM以衡量鋼材的可焊性：

1.6)/20+0.35/20+0.40/60+

0.20/20+0.08/15+(0.05～

0.10)/10=0.286 5～0.326 5

計算出高強鋼EH36的冷裂紋敏感系數PCM為0.286 5～0.326 5，符合公認的有關標準的要求。

EH36焊接接頭的焊接淬硬傾向較大，冷裂紋的敏感性較大，焊接性較差。焊接時需采取焊前預熱、焊接過程中控制道間溫度、后熱處理等一系列工藝措施，同時必須采取合理的焊接方法并注意焊接順序，采用小熱輸入施焊。在結構剛度大、焊接收縮拘束力大的情況下，還必須采取一定的收縮補償措施。焊接后，還必須對焊接區域進行焊后熱處理，消除焊接件內應力[4]。

2 焊接工藝

試驗中焊接的為深水三用工作船主甲板處加強部位的EH36 100 mm厚拼板平對接焊。綜合對母材成分、力學性能、焊接性及結構特點分析，考慮焊接質量及效率，選用埋弧自動焊進行焊接。埋弧焊允許使用較大的焊接熱輸入，熔敷速度及熔透能力大，焊接生產率比焊條電弧焊高得多，焊縫及熱影響區隨著焊接熱輸入增加而加寬。且其特點是熱效率高，熔深大，焊縫質量穩定，勞動條件好，對操作者的技術水平依賴性小[5]。

2.1 焊接材料的選擇

2.2 焊接坡口形式

由于EH36 高強鋼的板厚為100 mm，尚未在實際生產中形成大規模的使用，故從可焊性、焊接材料的消耗量、坡口加工、焊接變形等方面考慮，基于板厚100 mm高強鋼的坡口形式的獨特性，以及船廠焊接條件，采用雙V形坡口。坡口角度為70°±5°，便于清根和節省焊材，提高焊接效率，縮短焊接時間。坡口形式和尺寸見圖1。

圖1 坡口形式及尺寸

2.3 焊前預熱

焊前預熱的作用在于通過減緩冷卻速度，改善接頭的顯微組織，降低焊接熱影響區的硬度和脆性，提高塑性，并使焊縫中的氫加速向外擴散，也起到減少一些焊接應力的作用，可以防止焊接區域金屬的溫度梯度過大，降低焊縫的冷卻速度，減少裂紋的產生。

焊接前采用電加熱方式對焊縫及焊縫兩側150 mm范圍內進行預熱，預熱溫度達到180 ℃開始施焊，施焊時道間溫度控制在180～220 ℃。施焊過程中，焊縫處的溫度應控制在180～220 ℃，隨時采用點溫計進行反面測量，若溫度低于該溫度，則應進行相應補溫。這樣可以減小焊接應力對高強鋼的影響。焊接過程中各層各道焊接順序見圖2。

圖2 焊接順序示意

2.4 焊接工藝參數

合適的焊接工藝參數對改善高強鋼的焊接性能有影響，根據焊接方法和措施的要求，主要的焊接工藝參數必須控制在表3范圍內。

2.5 焊接變形控制措施

表3 焊接規范參數

在焊接過程中，采用埋弧自動焊接時，為防止出現凝固裂紋，焊縫兩端必須安裝引弧板和熄弧板，其材質和坡口形式與被焊件相同且板厚應與母材相當。厚鋼板對接焊后的變形主要是角變形。實踐中為控制變形，往往先焊正面的一部分焊道，翻轉工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉工件，這樣循環往復，一般來說，每次翻身焊接3～5道后即可翻身，直至焊滿正面的各道焊縫。同時在施焊時要隨時觀察其角變形情況，注意隨時準備翻身焊接，以盡可能地減少焊接變形及焊縫內應力。在焊接過程中隨時觀測拼板焊接變形狀態，若發現拼板焊接上翹過多，則應該停止焊接，并按要求進行后熱處理，調整焊接順序，待焊縫冷卻，翻身，重新預熱焊縫，焊接反面；在板材未發生焊接變形的情況下，盡量將正面多焊接幾道，以防止板材翻身時產生開裂，正面焊接幾道后，若發現板材變形，應將工件翻身，采用碳弧氣刨清根，再實施反面焊接。

2.6 焊后處理

為避免焊縫表面出現應力集中現象，焊縫表層應圓滑過渡，不得出現咬變弧坑等缺陷，并在焊后對焊縫表面進行打磨。焊后加熱的目的是促使焊接接頭的氫逸出，防止產生延遲裂紋。焊接工作完成后，焊縫及兩側150 mm范圍內需要加熱到200～250 ℃，保溫2 h，然后再采用巖棉墊覆蓋緩冷處理。焊后緩冷可以降低焊件焊后的冷卻速度，防止產生冷裂紋。

3 力學性能試驗

1)試板為400 mm×400 mm×100 mm(EH36)。

2)焊接材料為直徑5 mm的H08Mn2E焊絲，CHF101 焊劑。

3)焊接設備為美國林肯公司生產的埋弧自動焊小車LT-7，埋弧自動焊控制系統NA5，自動焊機電源DC1 000/1 000 A。

4)焊接坡口形式為雙V形坡口，坡口角度為70°，見圖1。

5)焊接方法采用埋弧自動焊。

6)焊接規范參數見表3。

7)測試結果見表4～6。

表4 埋弧焊對接焊縫強度及接頭冷彎試驗

表5 對接接頭低溫沖擊試驗AKV (-20℃) J

表6 焊接接頭硬度測試Hv10

試驗結果表明，接頭各項性能指標均達到規范要求。

4 結論

通過對EH36 100 mm高強鋼超厚板焊接工藝的研究，應用埋弧自動焊工藝，選擇合適的焊接參數，制定焊接工藝，在焊接過程中嚴格保證相關工藝措施的正確實施，成功解決了高強鋼超厚板的焊接工藝難題。在焊接過程中，焊縫和焊接熱影響未產生裂紋，焊后經過外觀和無損檢測都未曾發現裂紋缺陷。對焊接接頭進行力學試驗，結果證明該工藝能滿足力學性能的要求，能夠滿足深水三用工作船對船體局部強度的要求。

[1] 凌云志.船用EH36鋼厚板焊接工藝探討[J].造船技術,2004(6)：32-33.

[2] 林 浩.高強度船體結構鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預防的研究[D].上海:上海海事大學,2006.

[3] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊:材料的焊接[M].北京:機械工業出版社,2001.

[4] 黃增忠.船體EH36高強度鋼焊接工藝認可試驗[J].機電技術,2007(2):77-78.

[5] 黃 浩.船舶工藝手冊[M].北京：國防工業出版社,1989.