EH47止裂鋼關(guān)鍵焊接技術(shù)在工程中的研究應(yīng)用

胡傳揚(yáng)，何君華，楊文華，申亞軍，趙文華，姜殿忠

1.舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 浙江舟山 316131

2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 上海 200000

3.中建八局鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200000

1 序言

EH47止裂鋼中含有較多的合金元素，如Cu、Ni、Cr、Ti、V等用以改善鋼材的性能，因此碳當(dāng)量比普通的高強(qiáng)度用鋼偏高，焊接性也隨之下降。在焊接過程中，為確保焊接質(zhì)量、滿足規(guī)范要求，EH47止裂鋼焊接工藝的制定尤為重要[1]。本文以EH47止裂鋼在世界首例集船體加長(zhǎng)、生活區(qū)加高、節(jié)能鍋爐安裝及混合式脫硫塔于一身的大型集裝箱船體13800TEU改17200TEU項(xiàng)目的成功應(yīng)用為例，為類似止裂鋼焊接提供有意義的參考及借鑒。17200TEU集裝箱船體如圖1所示。

圖1 17200TEU集裝箱船體

2 集裝箱船體概況

該工程為13800TEU改17200TEU集裝箱加長(zhǎng)改裝項(xiàng)目，共4艘，單船改裝項(xiàng)目包括新增一個(gè)貨艙中段、生活區(qū)和煙囪加高，以及舷側(cè)抗扭梁與主甲板部分角隅板挖補(bǔ)等，單船鋼結(jié)構(gòu)改裝用鋼量約4000t。部分材質(zhì)為EH47止裂鋼，板厚為50～90mm，其中主甲板角隅板、艙口圍肘板及筋板板厚為65～80mm，舷頂列板加強(qiáng)板板厚為90mm。

該工程船體焊接主要為平焊和立焊，焊接位置及可操作性均比較常規(guī)，根據(jù)受力構(gòu)件等強(qiáng)原則，采用EH47止裂鋼，其屈服強(qiáng)度為470MPa級(jí)。針對(duì)構(gòu)件類型及焊接特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中存在以下要點(diǎn)：①防止焊接過程中出現(xiàn)層狀撕裂。②防止焊接變形。③防止正火鋼熱影響區(qū)脆化。

3 EH47止裂鋼焊接技術(shù)

3.1 EH47止裂鋼焊接性分析

EH47止裂鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能。該工程用EH47止裂鋼與焊材的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。

3.2 EH47止裂鋼熱裂紋敏感度分析

1）碳當(dāng)量采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的適用于中高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼公式計(jì)算[2]，得出EH47止裂鋼碳當(dāng)量為0.46%。由于碳當(dāng)量越高，淬硬和冷裂傾向越大，焊接性就越差，可以判斷EH47有產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向，屬于淬硬傾向鋼，因此在焊接時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧ㄒ姳?）。

表1 EH47止裂鋼與焊材主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 EH47止裂鋼與焊材的力學(xué)性能

表3 不同焊接性等級(jí)的工藝要求

2）在冶金過程中對(duì)熱裂紋敏感性元素S、P含量控制較為嚴(yán)格，而Mn含量較高，在很大程度上抑制了S的有害作用，有助于提高焊縫的塑性，因而可提高其抗結(jié)晶裂紋的能力。為了充分發(fā)揮Mn元素的有益作用，要求焊縫中應(yīng)保證一定的Mn/S值。根據(jù)表1中EH47止裂鋼的化學(xué)成分可知，S、P、Mn的含量分別為0.001%、0.006%和1.42%，因此Mn/S值達(dá)到了1420，對(duì)提高焊縫抗裂性能發(fā)揮了重要的作用[3]。

按照DNVGL規(guī)范中對(duì)EH47止裂鋼的熱裂紋敏感指數(shù)的要求，并根據(jù)熱裂紋敏感指數(shù)計(jì)算公式得出其熱裂紋敏感指數(shù)值為0.2，符合規(guī)范要求。

4 焊接工藝措施

4.1 焊接材料選用

根據(jù)美國(guó)焊接規(guī)范AWSD1.1及船級(jí)社DNV-GLRU-SHIP-PT2規(guī)范中等強(qiáng)材料選用的相關(guān)規(guī)定，EH47止裂鋼焊接可采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊或者埋弧焊。EH47止裂鋼焊材型號(hào)選用見表4。

表4 EH47止裂鋼焊材型號(hào)選用

4.2 坡口加工要求

該船體改造坡口均采用等離子火焰切割機(jī)進(jìn)行加工，坡口加工后采用打磨機(jī)對(duì)坡口面存在的脆硬組織進(jìn)行去除，確保坡口面不影響焊接質(zhì)量。

坡口的制備原則：坡口越大，焊接過程中熱輸入量越大，焊接后變形也隨之增大；當(dāng)坡口較小時(shí)，焊槍難以擺動(dòng)，焊接后容易出現(xiàn)根部缺陷，因此選用合理的坡口參數(shù)至關(guān)重要。該工程坡口加工前均采用計(jì)算機(jī)模擬放樣方式預(yù)制坡口，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬后統(tǒng)一選用35°坡口，具體坡口形式如圖2所示。

圖2 坡口形式

4.3 下料余量的加放

由于在焊接施工過程中會(huì)產(chǎn)生收縮變形，為避免在建造過程中因短尺而影響精度，因此在對(duì)鋼板進(jìn)行下料時(shí)，需加放余量。

4.4 工藝措施

（1）焊前預(yù)熱 焊接前應(yīng)對(duì)EH47止裂鋼坡口及其坡口兩側(cè)100mm范圍進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方式統(tǒng)一采用電加熱板預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥125℃，預(yù)熱時(shí)間≥2h。預(yù)熱溫度應(yīng)在距坡口邊緣76mm位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)溫槍需經(jīng)過有資質(zhì)的校驗(yàn)部門進(jìn)行校驗(yàn)，確保測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，具體的測(cè)溫位置如圖3所示。

（2）焊接參數(shù) 焊接參數(shù)必須符合焊接工藝規(guī)程的要求，嚴(yán)禁大電流焊接，減小焊接熱影響區(qū)。兩種焊接方法的焊接參數(shù)分別見表5、表6。

圖3 測(cè)溫位置示意

表5 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)

表6 埋弧焊焊接參數(shù)

（3）加設(shè)引弧板、引出板 在焊接引弧和熄弧端必須安裝引弧板、引出板，厚度和材質(zhì)與母材相同并開設(shè)坡口，坡口角度要求與焊縫的坡口一致，坡口長(zhǎng)度至少50mm。引弧、熄弧嚴(yán)禁在坡口內(nèi)進(jìn)行。

（4）定位焊 當(dāng)采用埋弧焊時(shí)，在坡口內(nèi)側(cè)采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行定位，定位焊長(zhǎng)度100mm并焊接三道，以防止焊縫開裂。定位焊使用的焊材要與CO2氣體保護(hù)焊正式焊接的焊材一致。在正式焊接前，需將定位焊縫兩端打磨并光滑過渡。

（5）多層多道焊接技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)能有效減少焊接熱輸入，進(jìn)而有效控制焊接變形和焊接應(yīng)力，在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過錯(cuò)位焊能有效對(duì)下一層焊縫進(jìn)行熱處理，以減少焊縫中存在的粗晶組織，使晶粒細(xì)化。焊接時(shí)每道焊縫之間的接頭至少錯(cuò)開50mm以上，以保證焊縫接頭的質(zhì)量，具體如圖4所示。當(dāng)焊槍擺動(dòng)時(shí)，最大焊縫寬度不超過16mm。

圖4 焊接時(shí)每道焊縫之間的接頭至少錯(cuò)開50mm以上

（6）層間溫度控制 在焊接過程中，要保證必要的層間溫度，最小的層間溫度不小于預(yù)熱溫度，最高溫度不超過200℃。層間溫度低于所要求的預(yù)熱溫度時(shí)，可以進(jìn)行再預(yù)熱或采用邊焊接邊預(yù)熱的方式來保證層間溫度，從而保證焊接的連續(xù)性。

（7）防風(fēng)措施 在室外進(jìn)行EH47止裂鋼焊接作業(yè)時(shí)，如在主甲板、艙口圍板等合攏焊接需要做好防風(fēng)措施，特別是采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)更要注意防護(hù)。當(dāng)遇到下雨或下雪天氣時(shí)，室外的焊接作業(yè)應(yīng)停止。

（8）防變形措施 EH47止裂鋼的強(qiáng)度高、厚度較大，鋼材在焊接后橫向收縮較大，因此在主甲板、艙口等區(qū)域進(jìn)行合攏焊接時(shí)，應(yīng)采用馬板進(jìn)行剛性固定，以減小變形。

（9）焊后緩冷 在焊接完成后，采用保溫棉將焊縫區(qū)域進(jìn)行包裹，以減緩焊縫的冷卻速度，降低焊縫的淬硬性，避免焊縫快速冷卻而產(chǎn)生裂紋，確保焊縫的力學(xué)性能。

（10）焊后消除應(yīng)力處理 焊后采用錘擊或者消除應(yīng)力機(jī)器對(duì)焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力處理，采用錘擊時(shí)應(yīng)保證錘擊的均勻性、用力適度，避免出現(xiàn)延遲裂紋。

5 結(jié)束語

經(jīng)過系列船的工程實(shí)踐，通過采用以上各項(xiàng)工藝技術(shù)措施，在產(chǎn)品的焊接過程中取得了較好的應(yīng)用效果，確保了該項(xiàng)目中EH47鋼的焊接質(zhì)量，為EH47止裂鋼及類似鋼板焊接積累了經(jīng)驗(yàn)，并為同類工程焊接提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。