海洋工程吊機(jī)E36高強(qiáng)度鋼鋼板T形接頭焊接橫向裂紋的消除

施洪慧

摘要：海洋工程用吊機(jī)大量高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼鋼板的使用，給焊接提出了更高的要求，尤其是如何控制和消除橫向裂紋的產(chǎn)生更是關(guān)鍵。文中針對(duì)海洋工程吊機(jī)中樞E36鋼板T型接頭出現(xiàn)大量橫向裂紋且采取的一系列試驗(yàn)和措施進(jìn)行描述，在排除了多種可能導(dǎo)致橫向裂紋產(chǎn)生的因素后，發(fā)現(xiàn)焊接順序的不合理及預(yù)熱的不到位是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)大的焊接凝縮應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而使焊縫產(chǎn)生橫向裂紋的主要原因。

關(guān)鍵詞：海工吊機(jī)； E36鋼板；橫向裂紋；焊接順序；預(yù)熱；凝縮應(yīng)力

前言

隨著船舶行業(yè)的低迷調(diào)整，海洋工程產(chǎn)品開始了其發(fā)展的迅速上升期。海工產(chǎn)品使用的鋼材一般強(qiáng)度要求較高，尤其是海工吊機(jī)。大量高強(qiáng)度鋼板，尤其是超厚板的焊接，對(duì)焊接工藝的要求很高，稍有疏忽就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，特別是冷裂紋的產(chǎn)生。通常高強(qiáng)度鋼的級(jí)別越高，其冷裂紋的敏感性越大[1]。在冷裂紋中，延遲橫向裂紋產(chǎn)生一般少于縱向裂紋，但正因?yàn)槠潆[蔽性，造成的危害更大。試驗(yàn)室為查找多道焊橫向裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)于對(duì)接焊預(yù)制有兩端加強(qiáng)拘束小窗口裂紋試驗(yàn)法[2]，而對(duì)于受力更為復(fù)雜的T型接頭，則有剛性T型接頭焊接橫向裂紋試驗(yàn)方法[1]。本文中詳細(xì)描述了針對(duì)剛性T型接頭在焊接后產(chǎn)生大量延遲橫向裂紋進(jìn)行的一系列可能原因排查，最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致本次橫向裂紋的主要原因?yàn)榉呛侠砗附禹樞蚣邦A(yù)熱不充分使焊接接頭區(qū)域的凝縮應(yīng)力過大而產(chǎn)生的整個(gè)過程。其中側(cè)板厚度為30mm，底板為140mm。原先的裝配焊接順序是：1、先將前后鉸鏈板與底板焊接，側(cè)板單獨(dú)先拼接好，做NDT合格；2、再將側(cè)板與底板裝配焊接，所有對(duì)接接頭和T型接頭全部為全熔透焊縫。采用CO2半自動(dòng)焊接，對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行火焰預(yù)熱處理，溫度在60℃左右。先焊接內(nèi)部，外面（背面）清根，焊接后再以保溫棉保溫。焊后48小時(shí)直探頭在焊縫表面進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)微小片狀缺陷，碳刨后以PT著色檢查，發(fā)現(xiàn)許多微小的橫向裂紋（圖2）。而且隨著時(shí)間的推移，橫向裂紋數(shù)量不斷增加，主要出現(xiàn)在焊縫中部。隨后制定返修工藝，對(duì)出現(xiàn)橫向裂紋的焊縫進(jìn)行加熱，然后碳刨清除，確定裂紋全部清除后再按照之前的焊接方式進(jìn)行預(yù)熱、焊接及保溫返修， 48小時(shí)后超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)極少數(shù)微小橫向裂紋缺陷顯現(xiàn)，隨后隨著時(shí)間的推移裂紋數(shù)量越來越多，該種方式仍無法避免橫向裂紋的產(chǎn)生。斷面上出現(xiàn)的幾條裂紋，其裂紋面與焊接方向呈45°夾角，這種裂紋屬于典型的延遲橫向裂紋[4]。對(duì)于屈服強(qiáng)度低于600MPa的高強(qiáng)度鋼，橫向裂紋一般不會(huì)擴(kuò)展到表面，且這種微小裂紋潛伏期很長(zhǎng)，不易別發(fā)現(xiàn)，一般都是在過了較長(zhǎng)時(shí)間后在復(fù)探時(shí)才被檢測(cè)出，那時(shí)工件基本被運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)或已經(jīng)被安裝，因此后期的返修很困難，質(zhì)量也很難保證。這種橫向裂紋正由于其極強(qiáng)的隱蔽性，也對(duì)產(chǎn)品帶來了極大的質(zhì)量隱患和危害。防止橫向裂紋產(chǎn)生非常重要。2.焊接橫向裂紋的原因查找分析

為了將產(chǎn)生橫向裂紋的原因找出來，我們對(duì)可能產(chǎn)生的因素進(jìn)行了排查。對(duì)焊接會(huì)導(dǎo)致橫向裂紋的因素主要是母材、焊材、焊接工藝、焊接順序、預(yù)熱、保溫幾種。

首先將30 mm和140mm的鋼板機(jī)進(jìn)行械性能、化學(xué)成分及金相分析，除140mm的材料碳當(dāng)量稍微偏高點(diǎn)，未發(fā)現(xiàn)異常情況。再將焊材進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械性能和擴(kuò)散氫含量等也符合規(guī)范要求再參照CB1122-84《剛性T形接頭焊接橫向裂紋試驗(yàn)方法》，可以看出在強(qiáng)拘束應(yīng)力下，焊縫是很容易產(chǎn)生橫向裂紋的，因此也用這方法來評(píng)價(jià)高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼對(duì)T形兩面焊透的角焊縫橫向裂紋及焊道下裂紋的敏感性。而本案例的結(jié)構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)形式非常相似兩者都是先將兩端的構(gòu)件焊接好，底板都較厚，最后再焊接T形接頭焊縫，因此最后這條焊縫也就成了拘束焊縫，這種焊接順序是很不合理的。還有用火焰預(yù)熱，只能在鋼板表面比較淺的區(qū)域能是溫度提升，內(nèi)部的溫度還是很低，且預(yù)熱也沒有到達(dá)要求的溫度。焊后保溫這方面也做得也不好，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)大的焊接凝縮應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而使焊縫很容易產(chǎn)生橫向裂紋。3.橫向裂紋的消除措施

在找出導(dǎo)致橫向裂紋產(chǎn)生的原因之后，便是著手進(jìn)行糾正措施的準(zhǔn)備。首先重新制訂詳細(xì)的返修工藝，將不合理的因素消除，調(diào)整焊接順序，改變焊接預(yù)熱及后熱處理方法。先將火焰加熱改為電加熱，并且從底板的反面貼加熱塊，以保證熱量的均勻和充分；在溫度升到100℃時(shí)將問題焊縫從T型接頭的內(nèi)外面碳刨打磨去除干凈，并且將一圈T型焊縫周圍側(cè)板上的焊縫割開長(zhǎng)度一米，使得T型焊縫處于相對(duì)松弛狀態(tài)，見圖4，矩形部分為側(cè)板焊縫為減少拘束應(yīng)力而割開的區(qū)域；冷卻至室溫后進(jìn)行UT和PT或MT檢測(cè)，確保所有的裂紋消除；繼續(xù)加熱直至溫度達(dá)到160℃以上（因?yàn)榉敌揞A(yù)熱溫度應(yīng)該比第一次預(yù)熱高50℃），保持溫度2小時(shí)，然后按照原先的焊接參數(shù)先進(jìn)行T型焊縫的焊接，焊接過程中加熱快始終保持加熱狀態(tài)，且焊接采用從中間向兩邊的分段焊，盡可能給予焊縫可收縮性；焊接后仍繼續(xù)采用電加熱塊進(jìn)行110℃左右的保溫處理，2小時(shí)后移除加熱塊，自然冷卻；隨后分不同時(shí)間間隔對(duì)返修的T型焊縫進(jìn)行NDT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)再?zèng)]有出現(xiàn)橫向裂紋，至此T型焊縫上的橫向裂紋問題徹底消除。最后再將側(cè)板上割開的幾條焊縫焊接完成，為保證最后焊接的幾條側(cè)板焊縫的焊接質(zhì)量，我們也進(jìn)行了一定的預(yù)熱（80℃）處理以減少凝縮應(yīng)力。4.結(jié)論

4.1.高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)要注意焊接順序，避免高拘束應(yīng)力的焊接工藝，從而減少凝縮應(yīng)力以避免產(chǎn)生橫向裂紋。

4.2.E36高強(qiáng)度鋼T型接頭薄厚板的焊接，在焊接前的預(yù)熱和層間溫度必須充分，且要按照厚板的WPS進(jìn)行預(yù)熱和控制好層間溫度。

4.3.高強(qiáng)度厚板焊接后的緩冷很重要，必須加以一定的保溫措施，這也是防止橫向裂紋出現(xiàn)的關(guān)鍵。

4.4.E36高強(qiáng)度鋼的橫向裂紋很微小，隱藏在焊縫下，斜探頭UT在焊縫兩側(cè)探傷不易發(fā)現(xiàn)，需要以直探頭在焊縫表面檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。

4.5.橫向裂紋延遲性強(qiáng)，且隨著時(shí)間的推移會(huì)越來越多地出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華軍，張廣軍，吳林.低合金高強(qiáng)度鋼雙面雙弧焊熱循環(huán)對(duì)組織性能影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，10（28）：81-84

[2]張華軍，沈大明. 風(fēng)力發(fā)電管樁S355鋼多道焊橫向裂紋產(chǎn)生原因。焊接，2011，10：49-51

[3]范希賢. 剛性T型接頭焊接橫向裂紋試驗(yàn)方法. 中國(guó)船舶工業(yè)總公司部標(biāo)準(zhǔn). CB1122-84

[4] Allen D J， Chew B， Harris P. The formation of Chevron cracks in submerged arc weld metal[J]. Welding Journal，1982（61）：212-221.