EH47超高強度鋼焊接工藝研究

唐 松，龔傳誼

(江蘇新揚子造船有限公司，江蘇 靖江 214521)

EH47超高強度鋼焊接工藝研究

唐 松，龔傳誼

(江蘇新揚子造船有限公司，江蘇 靖江 214521)

對在萬箱船艙口圍板應用的EH47超高強度鋼化學成分進行了分析，計算得出碳當量和冷裂紋敏感指數，在焊接工藝的試驗過程中分析了力學性能、工藝參數等，得出該材料在嚴格控制工藝參數的情況下，具有良好的可焊性。

超高強度鋼；焊接材料；焊接工藝；焊接接頭

0 引言

近年來，隨著集裝箱船建造的規模越來越大，為得到足夠的船體縱向強度，越來越厚的高強度鋼板在大型集裝箱船的上甲板區域進行應用。作為工業革新的最新成果，屈服強度達到460 MPa的EH47級超高強度鋼被引入使用在集裝箱船的上甲板區域結構，特別是艙口圍板結構，以達到降低使用鋼板厚度，減輕船舶的空船重量，提高航運經濟性的目的。研究超高強度鋼EH47的焊接性，目的在于評定焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，為制定出合理的焊接工藝提供可靠的依據。金屬的工藝焊接性研究方法一般分為間接評定法和直接評定法2種。間接評定法常用的方法一般有碳當量法、裂紋敏感性指數法、連續冷卻組織轉變圖、焊接熱影響區最高硬度等方法；直接評定法常用的方法一般有焊接熱裂紋試驗、焊接冷裂紋試驗、焊接氣孔敏感性試驗等。本文根據10 000 TEU大型集裝箱船艙口圍板采用的超高強度E47鋼的特點，將綜合采用間接評定法及直接評定法對E47鋼的焊接性進行研究。

1 EH47鋼材料性能

10 000 TEU集裝箱船入級挪威船級社，艙口圍板使用EH47超高強度鋼板，最大厚度為70 mm，交貨狀態為TM。

本船EH47鋼屈服強度為590 MPa，抗拉強度為665 MPa，伸長率為22.5%；在零下40 ℃時，做3組橫向沖擊試驗，沖擊功分別為171、179、152 J。

EH47鋼的化學成分見表1。

表1 EH47鋼化學成分

根據EH47鋼板的化學成分，按照國際焊接學會(ⅡW)推薦的碳當量公式[1]，計算出EH47鋼板的碳當量Ceq為0.432。

按照日本伊藤等人所建立的冷裂紋敏感指數公式[2]，計算出EH47鋼板的冷裂紋敏感指數Pcm為0.185。

2 EH47鋼板在萬箱船上的應用

EH47鋼板在萬箱船上主要應用在艙口圍板結構上，如圖1所示。

圖1 EH47鋼在萬箱船上的使用區域

根據集裝箱船艙口圍板的生產工藝，選取了埋弧自動焊和CO2氣體保護藥芯焊絲焊這2種焊接生產方式。焊接材料按照挪威船級社規范要求的質量等級，選擇低氫型的焊材，見表2。

3 EH47鋼焊接冷裂紋傾向試驗

EH47鋼的碳當量Ceq為0.432，鋼材的淬硬傾向較大，焊接性一般，需要考慮焊前預熱。根據考慮冷裂紋敏感指數Pcm、焊材含氫量及板厚因素的預熱溫度計算經驗公式[3]，計算出焊前預熱溫度T0。經驗公式為：

Pc=Pcm+H/60+δ/600

T0= 1 440Pc-392

式中：Pc為冷裂紋敏感指數，%；δ為被焊金屬的板厚，δ=70 mm；H為熔敷金屬中擴散氫含量，考慮到選用的是低氫型焊接材料，H=3 mL·(100g)-1。

代入計算，得到T0=114 ℃。

表2 EH47鋼選用焊接材料列表

由于經驗公式的板厚適用范圍為19～50 mm，而EH47鋼板厚為70 mm，超出經驗公式的使用范圍，因此從生產實際出發，重新設計了2種接頭形式的焊接冷裂紋傾向試驗方案。在0～5 ℃低溫環境下，使用較低的線能量焊接時，試驗其焊接接頭的冷裂紋傾向，試驗方案見表3。

表3 EH47鋼焊接冷裂紋傾向試驗方案

方案1完成后，取宏觀試樣觀察其根部打底焊區域，未發現有裂紋。

方案2完成后，取宏觀試樣觀察整個焊縫及熱影響區域，未發現有裂紋。

方案2完成后，在宏觀試樣坡口表面下2 mm處及根部表面下2 mm處，按照母材區域2個點，熱影響區3個點，熔合線區3個點，焊縫中心區3個點的方式，取2組維氏硬度HV10數據，硬度最大值在坡口表面下2 mm處熔合線區，為317 HV10。硬度值分布如圖2所示。

圖2 硬度值分布圖

方案2完成后，分別在坡口表面下區域及根部區域對沖擊試驗進行取樣，試驗結果見表4。

表4方案2沖擊試驗結果

通過分析方案1和方案2的試驗結果，板厚為70 mm的E47鋼在0～5 ℃環境溫度情況下，采用小線能量不預熱焊接時，得到的性能結果全部滿足挪威船級社的相應規范要求，僅在根部的熔合線區域的沖擊值偏低。

在正式焊接工藝評定時，如果采用適當提高預熱溫度的措施，應該可以得到讓人滿意的結果。

4 EH47鋼焊接工藝評定

正式焊接工藝評定時將EH47鋼的焊接預熱溫度設定為50 ℃，試驗層間溫度范圍控制在50～250 ℃。埋弧焊的焊接工藝評定試驗選用雙面V型坡口，平焊，熱輸入控制在小于45 kJ/cm。

CO2氣體保護焊的焊接工藝評定試驗選用單面V型坡口，陶質襯墊為背面材料，立焊，熱輸入控制在小于30 kJ/cm。

工藝評定的試驗結果分別見表5、表6。

試驗結果完全符合挪威船級社要求，且沖擊試驗數據的富余量較大，因此認為焊接工藝試驗的結果是成功的。

5 結語

EH47鋼焊接性良好，淬硬傾向不大，但需要鋼廠嚴格控制碳當量Ceq值及冷裂紋敏感指數Pcm值。

表5EH47鋼焊接工藝評定試驗(拉伸性能)數據

選用低氫型焊接材料，嚴格控制焊接接頭氫元素的攝入，盡量選用氫含量等級為H5級的焊材。另外，采用合適的焊前預熱溫度，控制好層間溫度，安排合理的焊接熱輸入，是焊接工藝評定試驗成功的重要因素。

表6EH47鋼焊接工藝評定試驗(沖擊和彎曲性能)數據

[1]中國機械工程學會焊接學會，等. 焊接手冊(第二卷) [M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[2]伊藤慶典，別所清. 高張力鋼の溶接割れについて [J]. 溶接學會志，1968,37(9)：63-64.

[3]佐藤邦彥. 溶接工學 [M]. 東京：東京都理工學社，1978.

2014-03-15

唐松(1970-)，男，工程師，從事船舶質量檢驗工作；龔傳誼(1972-)，男，高級工程師，從事焊接管理及焊接工藝研究。

U671.83

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