高強(qiáng)鋼高效焊接與加工技術(shù)在船舶與海工建造上的應(yīng)用

陳曉俊

一、高強(qiáng)鋼的應(yīng)用與焊接特點(diǎn)

1. 船體結(jié)構(gòu)TMCP鋼

我公司一直以來承接和建造外籍船東的3500TEU、36000TEU/4000TEU等中型集裝箱船，其船體結(jié)構(gòu)大部分是高強(qiáng)度鋼，特別是貨艙區(qū)域的舷頂列板、縱艙壁頂列板、主甲板以及縱向艙口圍壁板為44mm厚板EH3 2/EH36級(jí)高強(qiáng)度鋼。為了實(shí)現(xiàn)船臺(tái)大合攏和分段結(jié)成時(shí)厚板立焊自動(dòng)高效焊接，保證建造的焊接質(zhì)量，提升建造集裝箱船的水平，我公司開展了“45mm厚板EH36級(jí)鋼垂直氣電自動(dòng)焊（SEGARC法）工藝”應(yīng)用研究。通過一系列焊接性試驗(yàn)，研究分析了鋼板性能、焊接材料性能、接頭的坡口形式、焊接規(guī)范和操作方法等因素對(duì)焊接接頭性能的影響，掌握了厚板大熱輸入量SEGARC法焊接的關(guān)鍵技術(shù)。

2. 海工裝備鉆井系統(tǒng)高壓泥漿管ASTM4130 高強(qiáng)鋼

ASTMA519Gr4130屬于Cr-Mo系中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、良好的缺口韌性。由國際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算該材料的平均碳當(dāng)量為0.67。裂紋敏感指數(shù)為0.42，冷裂紋敏感性較高，由于在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，且焊后不能進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，焊接時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋和熱影響脆化、軟化，所以在制定焊接參數(shù)時(shí)，主要從防止冷裂紋和避免軟化出發(fā)。

在海洋鉆井船、鉆井駁的ASTM A519 Gr4130管道焊接施工中，針對(duì)該種類型管線的特點(diǎn)，要獲得優(yōu)良性能的焊接接頭需注意以下幾點(diǎn)：①管段的切割及坡口加工必須采用機(jī)械方法，嚴(yán)禁使用火焰切割。②焊接環(huán)境的穩(wěn)定性需要特別重視，當(dāng)焊接施工處于以下任何環(huán)境時(shí)，若無有效防護(hù)措施，嚴(yán)禁進(jìn)行焊接施工：雨、雪、霧、焊接區(qū)域大氣相對(duì)濕度＞90%。③焊件局部預(yù)熱的加熱范圍為坡口兩側(cè)各150~200mm, 最低預(yù)熱溫度為180℃，最高層間溫度為250℃。④焊接時(shí)，每個(gè)焊層厚度應(yīng)盡量薄，一般≤5mm。每條焊道的引弧、收弧處要錯(cuò)開，收弧時(shí)填滿弧坑。施焊過程中，要保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

二、高強(qiáng)鋼焊接材料的應(yīng)用

1. 船體結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼匹配焊材

船體結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼大熱輸入焊接時(shí)，焊縫金屬的韌性主要是通過焊接材料來保證的。DW—S43G焊絲屬3Y級(jí)焊材，只能滿足30mmAH/DH級(jí)鋼和20mmEH級(jí)鋼SEGARC法焊接時(shí)對(duì)接頭的沖擊韌性要求。在45mm厚板焊接時(shí)，為彌補(bǔ)大熱輸入焊接時(shí)焊縫中心低溫韌性的不足，應(yīng)選用低溫韌性更高的焊材。為此，選用了神戶制鋼的DW—S1L G焊絲、φ 1.6mm，以提高焊縫中心和熔合線的沖擊韌性，其低溫沖擊韌性可滿足GL船級(jí)社6Y40V要求，-60℃時(shí)V型沖擊韌性試驗(yàn)的平均沖擊吸收能量≥34J。

2. 高壓泥漿管ASTM4130 高強(qiáng)鋼焊接用焊材

對(duì)于4130鋼焊接，一般建議選用低強(qiáng)匹配AWS ER70S—2焊絲打底，若對(duì)焊接接頭要求強(qiáng)度較高，可選用等強(qiáng)匹配AW S ER80S—D2焊絲，我公司試驗(yàn)用焊絲為AWS A5.28 ER80S—Ni1, φ 2.4mm。試驗(yàn)用焊條為AWSA5.5 E11018G H4, φ3.2mm。

4130 鋼焊接冷裂紋敏感性大，為防止冷裂紋，可選用奧氏體不銹鋼焊絲，例如AWSER308L、E312；對(duì)于鉆井船、半潛鉆井平臺(tái)等海工裝備高壓管線也可選用焊材類型為AWS A5.28 ER80S—D2，E11018—M。焊材正式焊接時(shí)，建議要先去除焊絲表面的銅鍍層和油污，保護(hù)氣體氬氣流量要充足，以免產(chǎn)生氣孔；焊前要有溫控措施，且控制冷速；必要時(shí)要后熱處理。為提高韌性，可選用70S—3型號(hào)焊絲。

三、高強(qiáng)鋼自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用

船用高強(qiáng)度鋼EH36 級(jí)鋼（TMCP）45mm厚板垂直氣電焊接工藝（見圖1）是我司已經(jīng)應(yīng)用現(xiàn)場產(chǎn)品建造的一項(xiàng)高效自動(dòng)化焊接技術(shù)。該工藝獲得GL船級(jí)社批準(zhǔn)認(rèn)可，可用于板厚3 6~50mm的DH36、EH32、EH36級(jí)鋼（TMCP）立對(duì)接縫單道焊接一次成形。

隨著我國提出海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，造船與海洋裝備建造產(chǎn)量將不斷上升，焊接質(zhì)量要求也越來越高。大型化、高效化是現(xiàn)代船舶與海工建造的特點(diǎn)，更高效率、更高質(zhì)量的CO2氣體保護(hù)垂直氣電焊工藝在船體結(jié)構(gòu)裝焊中頻繁使用，垂直氣電焊比手工焊、半自動(dòng)焊更適宜厚板焊接，已成為船體裝焊的共識(shí)：焊縫成形好、性能高且均勻、焊接效率高。氣電立焊在船體結(jié)構(gòu)焊接中的主要應(yīng)用有：①船側(cè)大接頭垂直焊縫對(duì)接自動(dòng)焊；②槽型隔壁垂直對(duì)接自動(dòng)焊；③舷側(cè)雙殼隔壁垂直對(duì)接自動(dòng)焊；④氣電立焊超厚板單面焊；⑤氣電立焊角焊；⑥海洋裝備齒條鋼、樁腿等厚板對(duì)接自動(dòng)焊。

雖然在制造領(lǐng)域應(yīng)用如此廣泛，但是氣電立焊的大熱輸入對(duì)其配套焊接材料提出了極高的要求，其難點(diǎn)是大熱輸入下焊接金屬的韌性難點(diǎn)。到目前為止，我國船舶建造所需的焊接材料基本上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但像海洋裝備特有結(jié)構(gòu)高效焊接應(yīng)用中，氣電立焊使用頻率和專用藥芯焊絲研發(fā)等有時(shí)候仍然依賴國外技術(shù)和焊材。

同時(shí)，也要注意配套的焊接工藝，坡口角度和間隙，焊接電流和電弧電壓，焊絲擺動(dòng)幅度和停留時(shí)間及焊絲伸出長度對(duì)焊縫性能的影響。氣電立焊藥芯焊絲的研發(fā)，具有重要的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。

四、高強(qiáng)鋼切割技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)鍵工藝流程數(shù)控化在我司已得到大力的推廣應(yīng)用。例如某個(gè)加工車間，鋼材加工具有型鋼兼鋼板預(yù)處理流水線以及鋼板預(yù)處理流水線各一套。板材下料具有數(shù)控等離子切割機(jī)6臺(tái)，數(shù)控干式等離子切割機(jī)2臺(tái)，數(shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)1臺(tái)，數(shù)控火焰切割機(jī)1臺(tái)，數(shù)控切割機(jī)6臺(tái)。部件裝焊具有自動(dòng)角焊機(jī)21臺(tái)，垂直自動(dòng)焊機(jī)17臺(tái)，全位置角焊小車26臺(tái)。船廠預(yù)處理設(shè)備與等離子切割機(jī)分別如圖2、圖3所示。

此外，信息化項(xiàng)目管理在生產(chǎn)設(shè)計(jì)、作業(yè)流程及生產(chǎn)組織等方面近年來也取得了長足進(jìn)步。目前我廠以造船過程的知識(shí)融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模和優(yōu)化為特征，逐步將信息化管理方法應(yīng)用于船舶與海工產(chǎn)品高強(qiáng)度鋼的數(shù)控切割和焊接成形管理體系中，利用現(xiàn)有的信息化軟件平臺(tái)等手段幫助提高海工項(xiàng)目焊接設(shè)計(jì)、完工建造的質(zhì)量和效率，并以此推動(dòng)我廠船舶與海工裝備制造現(xiàn)代化的管理進(jìn)程。

圖 1

圖 2

圖 3