船用大厚度鋼板FCB法與單絲埋弧焊混合焊工藝研究

趙立蘇，蔡莼，徐飛

上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

隨著造船技術的快速發展和市場需求的轉變，建造的船舶噸位越來越大，一般強度級別的A/B級鋼板已不能滿足用戶和市場的需求，因此在船舶建造中使用DH/EH等級的高強度鋼越來越多。本文中49mm船用大厚度EH36鋼的高效焊接工藝研究，主要針對上海外高橋造船有限公司在建產品40萬t VLOC礦砂船甲板分段的焊接。由于板厚達到49mm，超過FCB法38mm的最大焊接厚度，通常只能采用單絲埋弧焊（SAW）雙面焊接，此方法不能有效利用平直車間流水線的FCB法焊接拼板、縱骨安裝及16電極高速焊工位的優勢，導致生產效率低。為了充分利用FCB法焊接流水線作業的優勢，提高生產效率，將現有的FCB法工藝進行創新升級，針對49mm厚度EH36鋼進行FCB法+SAW混合焊工藝可行性進行研究。

FCB法是在平面分段流水線上進行拼板焊接的一種高效焊接方法，其原理是在銅襯墊上撒上一層底層焊劑，并將其緊貼在焊件的坡口背面，在表面用兩個或三個電極進行埋弧焊的一種高效焊接工藝[1，2]。

2 焊接性分析

（1）母材的焊接性 EH36高強度鋼的化學成分見表1。根據國際焊接學會的碳當量公式，計算得到EH36高強度鋼的Ceq＝0.41%。當Ceq＝0.41%～0.6%時，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，再加上此鋼對低溫沖擊性能具有較高的要求，因此EH36高強度鋼要獲得滿意的焊縫，必須采取相應的措施：①采取合適的焊接工藝。②選擇合理的焊接材料。③選擇合理的焊接參數。

表1 EH36高強度鋼的化學成分（質量分數）（%）

（2）焊接材料的選用 EH36鋼屈服強度≥355MPa、抗拉強度≥490MPa，而焊接材料應選擇與母材等級相匹配的焊材，因此正面FCB法焊接材料選用日本神鋼焊絲（3Y級），牌號為US-36，規格分別為φ4.8mm、φ6.4mm；表面焊劑為PF-I55E、背面焊劑為PF-I50R。而反面SAW經過多次試驗最終采用伊薩5Y級焊材：焊絲牌號為OK Autrod 13.27、規格為φ4mm；焊劑為OK Flux10.62。焊材的化學成分見表2。

表2 焊材的化學成分（質量分數） （%）

3 焊接工藝過程

（1）焊接坡口與焊道設計 EH36試板尺寸為2000mm×1500mm×49mm，試板為Y形坡口，如圖1所示。試板坡口、焊縫兩側20mm要打磨去除底漆和氧化皮，打磨好后進行試板定位拼裝。

圖1 坡口示意

為保證焊接質量，防止裂紋產生，焊前采用火焰加熱或電加熱對坡口進行65℃預熱。正面FCB法焊接完成后，試板翻身，反面焊縫采用碳弧氣刨清根，然后利用砂輪機把焊縫兩側20mm范圍內和坡口內的氧化皮等雜質清除干凈。反面進行SAW焊接，焊接5道即可完成，如圖2所示。

圖2 焊接示意

（2）焊接參數 FCB法采用三絲進行單面焊接，焊絲的位置要求：前絲L向前傾斜15°，中絲T1垂直，后絲T2向后傾斜5°。三根焊絲的伸出長度分別為：前絲35mm、中絲45mm、后絲55mm；另外三絲之間的間距如圖3所示。

圖3 焊絲的位置

FCB法三絲焊接電源極性分別是：前絲L、中絲T1直流反接，后絲T2交流電源，單絲埋弧焊直流反接。通過多次反復試驗，總結出了適合該工藝的焊接參數，見表3。

表3 FCB法+單絲埋弧焊焊接參數

4 焊接結果分析

（1）焊縫外觀和無損檢測 焊接結束后，對焊縫進行外觀檢查，發現焊縫表面成形均勻并平滑向母材過渡，無裂紋、焊瘤和咬邊等焊接缺陷（見圖4）。24h后進行超聲波與磁粉檢測，焊縫內部不存在任何缺陷。

圖4 焊縫外觀形貌

隨后進行宏觀金相分析、力學性能試驗及硬度測試。焊縫斷面宏觀檢查應顯示完全焊縫、無裂紋。抗拉強度應不低于母材規定的最小抗拉強度；彎曲試樣的受拉表面應不出現超過3mm的裂紋或其他裂紋（彎頭直徑4t，彎曲角度180°）；低溫沖擊試驗溫度為-20℃，焊接接頭平均沖擊吸收能量≥34J。

焊接接頭宏觀樣貌如圖5所示，未發現裂紋和其他缺陷。

圖5 焊接接頭宏觀樣貌

力學性能試驗結果見表4～表6，由此可知，拉伸試樣斷裂部位為母材，焊接接頭抗拉強度均高于母材；彎曲試樣未產生裂紋或其他缺陷，表明焊接接頭連續、致密，塑性好；熱影響區及母材的低溫沖擊性能均符合船級社規范驗收標準。

表4 拉伸試驗結果

表5 彎曲試驗結果

硬度測試點位置分布如圖6所示，焊接接頭硬度值見表7。由表7可知，接頭硬度值均＜350HV，滿足規范要求。

圖6 硬度測試點位置分布

表6 沖擊試驗結果

表7 焊接接頭硬度值 （HV）

5 結束語

通過試驗證明，49mm厚船用大厚度EH36高強度鋼采用FCB+SAW焊接工藝方法后，各項性能試驗結果優異，滿足船級社規范要求。該工藝的成功開發，可充分利用流水線的自動化優勢，并在公司系列40萬t VLOC礦砂船中得到了成功應用，充分說明該工藝的可行性和實用性。在不增加硬件設施的同時，通過工藝改進和創新，充分利用現有資源，仍然可以大幅度地提高產品的建造效率，降低生產成本，因此在行業中具有較好的推廣應用前景。