船用厚板高強度鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預防討論

于洪家 陳士禮 吳建敏

摘 要：為了滿足厚板高強度鋼在大型、超大型，船舶結構中的性能要求，必須不斷加強鋼的焊接性能，并改良焊接工藝、焊接方法，提高船焊質量，保證船舶安全性及高質量性。本文就船用厚板高強度鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預防進行簡單的討論。

關鍵詞：船用厚板高強度鋼；焊接性；焊接裂紋

隨著經濟的發展，現代船舶漸漸向大型化、超大型化發展，厚板高強度鋼的應用越來越廣泛，但厚板高強度鋼比較容易產生焊接裂紋，一定程度上影響了船舶整體的質量，因此，如何改良焊接接頭的力學性能，提高焊接水平，對于船舶制造十分重要。下文主要就船用高強度鋼性能、國內外焊接工藝、焊接裂紋的形成原因、影響因素及預防措施進行簡單的討論，希望能對船舶制造行業的工作人員有所幫助。

一、船用高強度鋼概括

船用高強度鋼為合金鋼。熱軋及正火處理時，合金鋼強化作用越大，其塑性和韌性越低，當合金元素超出一定范圍后，合金鋼的韌性會大幅度降低，為了提高合金鋼的強度及韌性，船用高強度鋼在處理時會加入不同含量的Mn、Ni、Cr、Nb等合金成分，以提高鋼的淬透性及馬氏體的回火穩定性，另外，為了保證合金鋼的焊接性及綜合性能，降低合金鋼脆性，鋼中含碳量不應該超過0.22%，同時，為了保證船用高強度鋼具有良好的機械性能，在交貨時應采用不同的熱處理工藝。

二、國內外研究現狀

目前來說，盡管我國的船舶建造行業正在快速的發展，促進了金屬冶金行業的進步，我國大型船舶建造技術及工藝水平都還達不到先進國家的水平，厚板高強度鋼的焊接工藝、焊接材料也比不上先進國家。目前來說，為了滿足國產 E級鋼的韌性要求，國內各造船廠在焊接厚度超過40mm的船用高強度鋼時，大多采用多層多道焊的焊接技術，焊接超厚板（厚度為30 mm～ 60 mm）時，通常使用CO2多層多道單面焊技術或雙面埋弧多層自動焊方法，這幾種方法的焊接質量都能夠得到保證，但焊接效率普遍不高。國外一些先進的造船企業在處理大型集裝箱船的船體時，通常會使用氣墊焊的方法以實現高效立焊，另外，在焊接極厚板（厚度可達到80mm）時，為了保證極厚板的焊接質量，產生了兩電極 SEGARC焊接法，它采用能夠承受較高熱輸入量的兩種藥芯焊絲，且兩種焊絲適用的電流極性不同，提高了焊縫金屬的力學性能及焊接作業性，同時，它的單側電極能夠在一定范圍內擺動，能夠實現單焊道高效自動焊接，極大的提高了船舶制造的工作效率。

三、船用高強度鋼焊接裂紋的形成和預防的初步探討

1.焊接裂紋的形式。船用厚板高強度鋼在焊接過程中應該在保證焊縫區強度的基礎上，提高焊縫金屬的韌性，同時避免焊后裂紋的產生。焊接冷裂紋主要出現在焊接熱影響區或焊縫金屬中，一般情況下會立即出現，但有時也會延遲一段時間才大量出現，這種冷裂紋被稱為“延遲裂紋”，延遲裂紋是比較普遍且危害更大的冷裂紋形態。根據產生部位的不同，冷裂紋分為焊趾裂紋、焊道下裂紋、根部裂紋幾種類型。焊趾裂紋多發生在母材與焊縫交界處，由焊趾表面平行與焊道向母材擴展，有十分明顯的應力集中部位；當焊接熱影響區的含氫量較高、具有較大的淬硬傾向時，多會出現焊道下裂紋，它的裂紋走向一般平行與熔合線；鋼材含氫量較高、預熱溫度不夠時，多會出現根部裂紋，根部裂紋是延遲裂紋中較為常見的形態之一。

2.船用高強度鋼焊接冷裂紋產生的原因及預防措施。（1）鋼材的化學成分。鋼材的化學成分對其淬硬傾向有很大的影響。鋼材的淬硬傾向較大，快速冷卻時鋼材內部會出現孿晶馬氏體，它硬度高、脆性高，極易產生焊接冷裂紋。船用高強度低碳鋼中含有Mn、Ni、Cr、Nb等微量元素，一定程度上提高了鋼材的塑性與韌性，因此，船用高強度鋼的化學成分必須合理、科學，才能保證其良好的焊接性。（2）拘束應力對冷裂紋形成的影響。拘束應力的大小會影響高強度鋼的焊接質量。焊接過程中，拘束應力不斷增大，當應力值超過臨界拘束應力，鋼材焊縫區域就會開始出現冷裂紋。焊接過程中拘束應力主要有以下幾種，冷卻過程及不均勻加熱時產生的熱應力、相變體積變化產生的應力、鋼材自身結構拘束產生的應力等等。由鋼材自身結構拘束產生的應力的破壞性較大，因此，焊接過程之前應認真分析這些應力產生的原因，產生的部位，盡可能采取合適的工藝方法及焊接次序降低拘束應力，減少冷裂紋的產生。（3）氫對冷裂紋形成的影響。氫含量對與焊接質量影響較大。船用高強度焊接過程中，在高溫的作用下，大量的氫溶解在熔池中的奧氏體里，冷卻時，奧氏體相變為鐵素體，對氫的溶解度降低，大量氫逸出，留在焊縫中，當氫的濃度過高時，就會產生根部裂紋或焊趾裂紋。焊絲與母材本身的含氫量較低，但在運輸、儲存、預處理等等過程中，很容易產生氫的富集，因此，造船廠在船舶焊接制造之前都會對母材及焊絲進行處理，并嚴格控制焊接環境，盡可能降低氫含量，保證焊接質量。（4）焊接工藝對冷裂紋形成的影響。焊接工藝的選擇對于焊接質量有著十分重要的影響。焊接時焊接線能量過高會使鋼材熱影響區的晶粒粗大，進而降低焊接頭的抗裂性能，線能量過小，則會降低冷卻時間，又會使熱影響區的淬硬傾向增加，氫含量升高，也會影響焊接質量。因此，焊接工藝選擇時，應注意控制焊接線能量。另外，預熱可以有效防止冷裂紋。但預熱過程中溫度的選擇一定要科學合理，溫度過高局部過熱產生附加應力，反而會加劇冷裂紋的產生，同時還增加了焊接成本，得不償失。在多層焊時，后焊層的進行能夠降低前焊層的氫含量，改善前焊層焊接質量，多層焊時應適當降低預熱溫度，科學合理的設置多層焊的層間溫度，一般來說，多層焊時層間溫度應高于預熱溫度。

四、結語

鋼材的化學成分、焊接線能量、預熱溫度、焊接工藝、焊層溫度、拘束應力等等因素都會影響船用高強度鋼焊接質量。因此在現場施工的過程中，必須嚴格控制焊接過程，以保證焊接工作高質量、高效率完成，從而提高船舶制造的總體效率。

參考文獻：

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