加厚板焊接工藝及焊接過程的質(zhì)量控制

李紹祥，張兆光

（中海工業(yè)（江蘇）有限公司，江蘇揚(yáng)州 225211）

0 引言

加厚E40鋼板主要應(yīng)用于船舶中需要承受較大扭曲應(yīng)力的部位，這些部位的鋼板厚度一般較大。10000TEU集裝箱船的艙口圍、主甲板及抗扭箱區(qū)域中最厚部位的鋼板為68mm，該厚度鋼板在焊接工藝的選擇上需要進(jìn)行重新考慮，并對其焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。焊接過程中如果操作不當(dāng)或者焊接質(zhì)量控制不過關(guān)，很容易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生裂紋的區(qū)域一般為根部或者鋼材表面，另外還可能由于冷卻過快等原因?qū)е掳宀慕宇^區(qū)域發(fā)生層狀撕裂，焊接部位如果焊縫粗大，將會降低材料的沖擊韌性。另外，如果工藝選擇不合理，還將大大延長焊接時間，影響焊接質(zhì)量的同時也會導(dǎo)致焊接效率低下。

1 焊接工藝選擇

1.1 鋼材特點(diǎn)

作為高強(qiáng)度鋼，一般都由不同比例的鐵素體以及奧氏體組成，可以很好的保證鋼板材料的穩(wěn)定性，同時，兩種結(jié)構(gòu)之間還存在相互制約的作用，對于晶粒的擴(kuò)散具有很好的抑制作用。其中含有的鉻、鉬以及鎳等元素具有極強(qiáng)的固溶性，大大提高了鋼材的屈服強(qiáng)度。本文所研究的E40鋼板主要由鐵素體（細(xì)化）以及珠光體組成，該種鋼材具有高強(qiáng)度特性，同時較傳統(tǒng)鋼材具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此該種鋼材能夠廣泛的應(yīng)用于船舶制造業(yè)，對于提高相應(yīng)板材的抗腐蝕特性具有很好的效果[1]。

1.2 準(zhǔn)備工作

本文研究對象為50mm厚度的E40鋼板，焊接方法采用大熱輸入雙絲埋弧焊，在進(jìn)行焊接工藝之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一定的準(zhǔn)備工作，以保證焊接過程順利進(jìn)行，并對焊接質(zhì)量的提高具有重要的作用。

1.2.1 加工坡口

一般來說，通常采用數(shù)控切割機(jī)對50mm加厚板進(jìn)行坡口的加工，坡口形式一般選擇X型，焊接單側(cè)開口一般為50°左右（圖1），這樣可以有效的防止在焊接時變形量過大的問題，提高焊接質(zhì)量[2,3]。

圖1 X型坡口示意圖

對圖1所示坡口加工的過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行，采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行加工時應(yīng)當(dāng)注意坡口表面粗糙度應(yīng)當(dāng)盡量低，并且保證無鋸齒痕跡。加工過程中產(chǎn)生的鐵銹應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行清理，以方便進(jìn)行下一步的焊接工作。假如坡口加工一段時間后方才進(jìn)行焊接工作，則應(yīng)對坡口周圍鐵銹進(jìn)行處理，以保證破口表面光滑、干凈。

1.2.2 板材裝配

加厚鋼板的裝配也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，保證裝配過程中間隙的控制，一般情況下，材料之間縫隙以不超過2mm為最佳，錯位空間也保持在 2mm以內(nèi)，使各坡口之間的間隙距離保持一致。裝配工作完成之后，開始進(jìn)行各連接處的定位焊接，在定位焊之前必須先預(yù)熱，溫度控制在80℃~120℃左右，定位焊時選用的焊絲必需與正式焊接一致，焊接高度不得超過縫隙高度的70%，嚴(yán)格遵循定位焊操作規(guī)程，控制焊縫長度在5mm~10mm的范圍之內(nèi)，相鄰定位點(diǎn)之間距離以400mm為宜。定位焊接操作完成之前必須對定位焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，不合格焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清理焊接工作。

1.2.3 預(yù)熱工作

大厚度鋼板焊接過程中容易出現(xiàn)焊接裂紋，因此在對大厚度鋼板進(jìn)行焊接時，應(yīng)當(dāng)提前預(yù)熱，用以降低焊接過程中接頭部位的冷卻速率。另外，通過預(yù)熱過程還可對板材起到去除表面油污以及水分的功能，降低氫含量。但是對于如何合理選擇預(yù)熱溫度，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行考慮。通常情況下，大厚度鋼材預(yù)熱溫度選擇在100~℃150℃之間，鋼材預(yù)熱范圍選擇時，局部預(yù)熱在焊縫兩側(cè)100mm~200mm之間，板材預(yù)熱過程應(yīng)當(dāng)均勻，防止預(yù)熱不均導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，預(yù)熱過程可采用專用的火焰加熱器由檢驗(yàn)人員對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1.3 焊接過程

焊接方法采用多層多道焊，這種方法對焊接速度以及熱輸入量的調(diào)整范圍較大，有利于整個焊接過程中熱循環(huán)的調(diào)整。該種方法針對不同材質(zhì)的鋼材可以通過控制在不同區(qū)域的停留時間進(jìn)行調(diào)整，多層多道焊接方法中，后一焊道對前一焊道可進(jìn)行再熱，通過不同焊道焊接順序的改變，可以對鋼板結(jié)構(gòu)的變形量和應(yīng)力起到很好的控制作用。

1.3.1 焊接過程熱輸入的控制

在有關(guān)學(xué)者對雙絲埋弧焊焊接方法的研究中，通過控制不同的熱輸入對E40鋼材所表現(xiàn)出來的性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著熱輸入量的增大，相應(yīng)焊縫的冷卻時間延長，速度變慢，柱狀晶結(jié)構(gòu)在寬度上生長更加容易，先共析鐵素體在沿著原來奧氏體晶界上的析出量減小。同時，隨著熱輸入量增加，相應(yīng)的焊縫組織中的M-A成分含量增加，但其分布較為均勻，對于結(jié)構(gòu)韌性基本無不良影響；隨著熱輸入量增加，在焊接過程中相應(yīng)的焊道便會減少，受熱循環(huán)的區(qū)域也會減小，與之共生的先共析鐵素體含量下降；焊接焊縫可吸收的沖擊功也隨著不同熱輸入的增加而有所增加。

針對以上分析，在焊接過程中，對于熱輸入量的控制應(yīng)在一定范圍內(nèi)，通常情況下，將該熱量控制在 5000J/m，過高的輸入熱量會使焊縫冷卻速度降低，從而導(dǎo)致焊縫內(nèi)部晶粒的長大，影響結(jié)構(gòu)的硬度與強(qiáng)度，過低的熱量值會加快冷卻，容易造成冷裂現(xiàn)象。

1.3.2 控制層間溫度

當(dāng)進(jìn)行多層焊接時應(yīng)當(dāng)注意層間溫度的選擇，以120℃~250℃為宜，可以使后一焊層在焊接過程中對前一焊層起到除氫的作用，同時能夠使焊接區(qū)域的晶相組織得到加強(qiáng)，層間溫度的保持必須依靠穩(wěn)定的熱輸入量來控制。

2 焊接過程質(zhì)量控制策略

大厚度高強(qiáng)度E40鋼板的焊接是一個復(fù)雜的過程，包括坡口切割、組裝、定位焊接、預(yù)熱、焊接、探傷以及最后的熱處理工藝，在這些過程中，必須嚴(yán)格遵循操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，以保證焊接質(zhì)量，降低產(chǎn)品使用過程中的安全隱患。對于焊接過程的質(zhì)量控制，應(yīng)當(dāng)從以下方面進(jìn)行嚴(yán)格管理。

2.1 焊接環(huán)境控制

在焊接過程中，環(huán)境因素的影響往往不可忽略。環(huán)境溫度對焊縫冷卻速度有較大影響，會間接地影響焊縫中的晶相組織，影響其強(qiáng)度與韌性，依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，在進(jìn)行焊接時，E40低合金高強(qiáng)度鋼的最低許用環(huán)境溫度為零下10℃。環(huán)境中的濕度對于焊縫中氫含量的影響較大，容易導(dǎo)致氣孔等缺陷，影響焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一般來說，環(huán)境空氣的相對濕度應(yīng)當(dāng)控制在90%以下[2,4]。另外，在雨、雪等天氣下焊接工作不允許進(jìn)行作業(yè)，必須增加保護(hù)措施并且環(huán)境濕度控制在90%以下方可進(jìn)行。

2.2 焊接人員資格控制

焊接工作人員作業(yè)水平對焊接產(chǎn)品的質(zhì)量造成直接影響，所有參與焊接的工作人員都應(yīng)具備作業(yè)資格證，并且嚴(yán)格審查資格證所規(guī)定范圍是否與工程中的需要相一致，不具備焊工資格的人員禁止進(jìn)行焊接操作。定期檢查焊工資格證是否超過有效期，對于即將到期的資格證持有人，應(yīng)當(dāng)再次進(jìn)行培訓(xùn)，獲得資格證延期后方可再次進(jìn)行焊接作業(yè)。在實(shí)際工作中，出現(xiàn)產(chǎn)品問題較多的焊工也要對其進(jìn)行培訓(xùn)，至達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)方可。

2.3 焊接材料及焊接設(shè)備控制

焊接過程中使用的各種材料，如母材、填充材料等，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，所有材料均需經(jīng)正規(guī)途徑采購，產(chǎn)品證明文件齊全，各種銘牌、標(biāo)志清晰。焊接中使用的各種設(shè)備，如電焊機(jī)等，其規(guī)格參數(shù)必須符合相關(guān)規(guī)定，鑒于雙絲埋弧焊等先進(jìn)的焊接技術(shù)要求穩(wěn)定輸入熱量等參數(shù)，其電流等輸出量必須穩(wěn)定，且要控制實(shí)際電流與顯示電流之間的偏差，顯示設(shè)備需經(jīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)。

2.4 焊接工藝控制

焊接工藝的選擇必須滿足工程上對該焊接產(chǎn)品焊接質(zhì)量的要求，焊縫各項(xiàng)指標(biāo)是焊接工藝選擇的主要依據(jù)。鑒于有些力學(xué)性能上的缺陷無法采用無損檢測技術(shù)檢出，所以焊接工藝一經(jīng)試驗(yàn)確定，必須在操作中嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程，嚴(yán)禁隨意改變，以防對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.5 檢驗(yàn)過程控制

焊接產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)主要測定焊接產(chǎn)品是否符合工程要求，這是焊接過程的最后一步也是關(guān)鍵一步。該檢驗(yàn)主要是對技術(shù)性缺陷以及工藝性缺陷進(jìn)行分類，以確定影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在，以便于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，滿足工程需要[2,5]。

3 結(jié)束語

伴隨著船用大厚度鋼板的大規(guī)模應(yīng)用，其焊接質(zhì)量對工程質(zhì)量有直接的影響。本文主要對E40大厚度鋼板的焊接工藝選擇以及焊接質(zhì)量的控制問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。該研究對于提高E40高強(qiáng)度鋼板焊接質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

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