船用907A鋼板的焊接技術(shù)研究

李 能 宋江兵

（杭州航海儀器有限公司，杭州 310024）

非耐壓殼體用連鑄907A鋼板為特殊材料鋼，機械性能好，強度高[1]。因為907A材料的高強度可以更好地適應(yīng)各種惡劣海況，所以被廣泛應(yīng)用于海軍裝備。焊接作為影響強度的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量顯得尤為重要。焊材的選擇和焊接工藝的處理是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過研究907A鋼板的焊接工藝，以期實現(xiàn)良好的焊接。

1 材料介紹

1.1 母材的焊接性分析

產(chǎn)品的主要材料907A鋼采用KR鐵水脫硫，氧氣轉(zhuǎn)爐護頂?shù)讖?fù)合吹煉，RH真空除氣精煉，連鑄生產(chǎn)工藝，并保證足夠的壓縮比，滿足細化晶粒的要求，控制軋制而成。它的主要化學(xué)成分見表1。907A鋼板的拉伸、沖擊性能見表2。

表1 材料907A鋼的主要化學(xué)成分

表2 907A鋼板的拉伸、沖擊性能

907A鋼材料中碳（C）含量小于等于0.12%，屬于低碳鋼。一般認為，隨含碳量的降低，焊接性能得到改善。但是，也要同時考慮其他元素對焊接的影響，特別是硫（S）元素和磷（P）元素。

硫在鋼中常以硫化鐵的形式存在。在熱加工時，由于開始溫度一般為1 150～1 200 ℃，而鐵和硫化鐵共晶開始熔化，導(dǎo)致加工時開裂，這種現(xiàn)象就是“硫的熱脆性”。這種性質(zhì)使鋼在焊接中容易產(chǎn)生熱裂紋。磷對鋼有強化作用，使鋼的硬度和強度增加，塑性和韌性則顯著降低，這就是磷的冷脆傾向，對焊接不利，增加了鋼的裂縫敏感性。為了保證材料的焊接性能，硫和磷的含量應(yīng)分別保持在0.04%和0.045%以內(nèi)，而907A鋼硫磷元素含量分別小于0.015%、0.025%，焊接性能不受大的影響。再加上材料中錳（Mn）元素的存在，焊接過程中和硫化合生成了硫化錳（MnS），起到脫硫作用，降低了由硫引起的熱裂紋傾向，所以907A鋼具有良好的焊接性能。

1.2 焊材的選擇

正確選用與母材匹配的焊接材料是防止焊接缺陷的重要措施。母材為907A特殊鋼材，所以使用焊條也選用907A鋼專用焊條TH907，符合Q/725-1178-2001，規(guī)格有Φ4.0×400 mm、Φ3.2×400 mm兩種。

TH907A手工電焊條屬堿性超低氫型，具有優(yōu)良的塑性及韌性，擴散氫含量低，適用于直流電源反極性的全位置焊接。焊條電弧穩(wěn)定，脫渣容易，焊縫成型美觀，具有優(yōu)良的抗裂性能。可用于907A鋼及相同強度級別低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。

使用注意事項如下[2]：

（1）焊條嚴(yán)防受潮，焊條使用前須經(jīng)390 ℃±10 ℃烘焙1 h，隨爐冷卻至150 ℃?zhèn)溆茫?/p>

（2）焊前應(yīng)清除焊接部位的鐵銹、油污及水分等；

（3）焊接時應(yīng)采用短弧焊；

（4）焊條露放時間不得超過4 h。

焊接時電流采用直流反接形式，電流與電壓的具體參數(shù)見表3。

表3 直流反接下電流與電壓的具體參數(shù)

2 焊接試驗及驗證

2.1 試驗過程

根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品圖紙的分析，本次試驗采用的907A板材規(guī)格厚度為10 mm，接頭形式Y(jié)型破口。參照相關(guān)焊接試驗標(biāo)準(zhǔn)，確定所有焊接試件毛坯統(tǒng)一選用厚度10 mm的板材，試驗種類選擇1次拉伸試驗和2次沖擊試驗。焊接試件毛坯如圖1所示，焊接形式如圖2所示。

圖1 焊接試件毛坯

圖2 焊接形式

采用焊條電弧焊，焊接前用拋光機打磨坡口及兩側(cè)20～30 mm，除去鐵銹、油污、水分及其他雜質(zhì)，路出金屬本色。焊條按要求加熱到390 ℃±10 ℃烘焙1 h，隨爐冷卻至150 ℃?zhèn)溆谩?/p>

焊接時焊條放在保溫瓶，隨拿隨蓋好瓶蓋。TH907A焊條電弧易引燃，在焊接過程中電弧燃燒平穩(wěn)，沒有過多過大的煙霧和飛濺，保持流動性良好。焊接時打底焊，上下兩道焊縫，焊縫沉淀溫度控制在120 ℃左右。對所焊零件進行預(yù)熱，溫度100 ℃左右。若零件冷卻至80 ℃時，需重新對零件進行預(yù)熱焊接時采用短弧小擺動，擺動寬度不得超過焊條直徑的3倍。

試驗件焊接完成后轉(zhuǎn)入試驗驗證，試件的取樣與制作由檢測中心機加工完成。每一件試件毛坯按GB 2649—89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定截取1件拉伸試件和3件沖擊試件。

拉伸試驗試件的尺寸按GB 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制作，如圖3所示。沖擊試驗試件的尺寸按GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制作，如圖4所示。

圖3 拉伸試驗試件的尺寸

圖4 沖擊試驗試件的尺寸

2.2 試驗結(jié)果

檢測中心按國家標(biāo)準(zhǔn)制作的拉伸試件和沖擊試件，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2650—2008進行一拉三沖試驗。試驗環(huán)境溫度為25 ℃，拉伸實驗檢測試件抗拉強度Rm、沖擊實驗檢測試件焊縫區(qū)沖擊吸收能量V2。

焊接母材根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強度見表4。

表4 抗拉強度的具體情況

檢測報告中，各試件抗拉強度匯總見表5。

表5 各試件抗拉強度匯總

根據(jù)檢測中心提供的試驗數(shù)據(jù)（報告），各焊接試件的焊縫抗拉強度都達到焊接母材的機械強度的90%以上（CB 813-75特種產(chǎn)品焊接通用技術(shù)條件）。所有樣件的斷裂位置都是焊縫外，由此可判斷焊縫抗拉強度要高于焊接母材抗拉強度。檢測報告中，試件沖擊數(shù)據(jù)匯總見表6。

表6 試件沖擊數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)GB/T 2650—2008焊接接頭沖擊試驗方法以及907A材料特性判定，試驗件沖擊試驗合格。

3 產(chǎn)品的焊接生產(chǎn)

3.1 焊前的準(zhǔn)備

（1）焊接材料必須存放于干燥、通風(fēng)良好的庫房內(nèi)；

（2）焊條使用前需經(jīng)390 ℃烘焙1 h，并隨爐冷卻到100 ℃，使用時放入100～150 ℃的干燥箱中保存隨用隨取，焊條在干燥箱中的保存期不得超過7天，否則應(yīng)按上述要求重新烘焙，重新烘焙不得超過2次[3]；

（3）焊接設(shè)備滿足工藝要求，性能可靠，采用直流電源反極性焊接。

3.2 焊接過程

焊接坡口應(yīng)使用機加工方法進行加工，允許熱割（氣割、等離子切割），但隨后應(yīng)用砂輪清理至露出金屬光澤。被焊坡口兩側(cè)30 mm內(nèi)應(yīng)清理至完全沒有銹蝕、氧化皮、污染、油漆、油跡、水跡和其他污垢。定位焊時，定位焊長度為50～80 mm。產(chǎn)品焊接接頭有對接接頭和T形接頭，其中對接接頭形式的焊接先打底焊再蓋面焊，如圖5所示。

圖5 對接接頭形式的焊接

為保證角焊縫高度的要求，T形接頭應(yīng)分層、分角度焊接。首先打底焊，焊條角度呈45°，如圖6所示。第二道焊條角度呈60°，如圖7所示。第三道焊條角度呈30°，如圖8所示。

圖6 焊條角度呈45°

圖7 焊條角度呈60°

圖8 焊條角度呈30°

焊接時采用短弧小擺動，擺動寬度不得超過焊條直徑的3倍。TH907A焊條的道間溫度應(yīng)控制在80～150 ℃。如果鋼板冷卻到80 ℃，重新焊接前必須將鋼板預(yù)熱到80 ～ 150 ℃。

產(chǎn)品的焊接過程中，用到大量的工裝、夾具和各種工藝撐桿。需合理分布工藝撐桿，盡量不影響焊接角度、位置等，并采用對稱焊等合理的焊接順序減少變形。

4 焊接過程中焊接缺陷產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

4.1 產(chǎn)生原因

焊接過程中會產(chǎn)生一些焊接缺陷，如氣孔（內(nèi)、外部）、夾渣以及裂紋等。產(chǎn)生這些缺陷的原因有[4]：焊件清理不干凈，雜質(zhì)在高溫時產(chǎn)生有害氣體進入熔池；焊材沒有經(jīng)過烘焙或烘焙不符合要求；焊前沒有按規(guī)定預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不符合要求，或焊接電流選擇不當(dāng)；運用焊條施焊角度、距離以及速度等方法不當(dāng)。

4.2 預(yù)防措施

第一，提高焊工質(zhì)量意識，加強操作技術(shù)水平。第二，選擇合理的焊接電流和方法。第三，嚴(yán)格按照要求烘焙焊條，不使用受潮、偏芯等不合格焊條。焊接時，焊條應(yīng)裝在保溫箱內(nèi)，隨用隨取。第四，焊件焊縫坡口周圍焊前徹底清理干凈。第五，焊件焊前按規(guī)定預(yù)熱至符合要求。第六，多層多道焊時，注意層間溫度、層間藥皮、飛濺等雜物清理干凈。第七，加強焊后檢驗，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

5 結(jié)語

經(jīng)過對907A鋼板的焊接性能分析，結(jié)合TH907A焊條的使用特點，定制了相應(yīng)的焊接工藝，嚴(yán)格控制焊接過程，取得了良好的焊縫效果和焊接接頭質(zhì)量。此產(chǎn)品焊接完成后順利通過了100%超聲波的檢測和外觀檢驗。