高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼EH36超厚板焊接工藝研究

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(1.武漢交通職業(yè)學院,武漢 430065；2.武昌船舶重工有限責任公司,武漢 430064)

隨著三用工作船作業(yè)水深的不斷增加，半潛平臺錨和錨鏈對大型拖纜機的工作負荷不斷增加，導致船體對局部強度的要求越來越高，同時考慮到空船重量，普通強度船體用鋼的強度難以滿足船舶功能要求，從而使得高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼越來越受到設計者的青睞，應用日趨廣泛。為了滿足各種大厚度高強度船體結(jié)構(gòu)鋼在船舶結(jié)構(gòu)中的性能要求，焊接結(jié)構(gòu)也向高參數(shù)大型化方向發(fā)展。這就對高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性以及相應的焊接工藝提出了越來越高的要求，不僅要求具有良好的綜合力學性能和加工工藝性能，而且還應具有較高的工作效率[1]。故對高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼的厚板焊接工藝進行研究有一定的適用價值[2]。

由于深水作業(yè)的需求，加之海況條件惡劣，三用工作船船體外板主要采用高強度船體結(jié)構(gòu)鋼，其中在主甲板處加強部位采用EH36 100 mm超厚板高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼，為此本文針對超厚板高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼的焊接方法和工藝措施展開研究，并通過一系列的措施來保證超厚板高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼的焊接質(zhì)量和焊接效率，為以后此類鋼種的焊接工藝提供技術支持。

1 母材成分及焊接性分析

1.1 高強鋼EH36的化學成分及力學性能

高強鋼EH36化學成分及力學性能見表1、2。

表1 高強鋼EH36的化學成分 %

表2 高強鋼EH36的力學性能

1.2 高強鋼EH36的可焊性分析

金屬焊接性的評定方法通常有間接判斷法和直接試驗法兩類。間接判斷法中最常用且最簡單的方法是用“碳當量”來估算的淬硬傾向，從而評定其焊接性；直接試驗法是通過一系列的試驗，反映鋼材的焊接裂紋傾向及焊接接頭的使用性能，能夠直接評定金屬材料的焊接性[3]。

所謂“碳當量”法就是把各種元素都按相當于若干含碳量的辦法總和起來，它是一種近似的計算方法。因為合金元素對焊接性的影響是十分復雜的，多種元素存在與單獨元素的影響不同，在不同的含碳量或不同類型鋼中的影響也不同，所以出現(xiàn)了許多碳當量的計算公式。國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式如下。

0.18+(0.9～1.6)/6+(0.40+

0.35)/15+(0.20+0.08+0.05～

0.10)/5=0.446～0.573

CE為0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

在評價低合金高強度鋼的焊接冷裂紋敏感性時，除采用IIW公式外，還可采用焊接裂紋敏感成分PCM。

60歲以上老年人可把肝功能檢查中“球蛋白”這項作為早期監(jiān)測指標。球蛋白偏高時，可到血液科進一步檢查。當老年人出現(xiàn)持續(xù)腰背疼痛、骨折、貧血、腎炎等病，久治難愈時，也應考慮到血液科進一步診斷。

根據(jù)桶樣化學成分采用下列公式計算冷裂紋敏感系數(shù)PCM以衡量鋼材的可焊性：

1.6)/20+0.35/20+0.40/60+

0.20/20+0.08/15+(0.05～

0.10)/10=0.286 5～0.326 5

計算出高強鋼EH36的冷裂紋敏感系數(shù)PCM為0.286 5～0.326 5，符合公認的有關標準的要求。

EH36焊接接頭的焊接淬硬傾向較大，冷裂紋的敏感性較大，焊接性較差。焊接時需采取焊前預熱、焊接過程中控制道間溫度、后熱處理等一系列工藝措施，同時必須采取合理的焊接方法并注意焊接順序，采用小熱輸入施焊。在結(jié)構(gòu)剛度大、焊接收縮拘束力大的情況下，還必須采取一定的收縮補償措施。焊接后，還必須對焊接區(qū)域進行焊后熱處理，消除焊接件內(nèi)應力[4]。

2 焊接工藝

試驗中焊接的為深水三用工作船主甲板處加強部位的EH36 100 mm厚拼板平對接焊。綜合對母材成分、力學性能、焊接性及結(jié)構(gòu)特點分析，考慮焊接質(zhì)量及效率，選用埋弧自動焊進行焊接。埋弧焊允許使用較大的焊接熱輸入，熔敷速度及熔透能力大，焊接生產(chǎn)率比焊條電弧焊高得多，焊縫及熱影響區(qū)隨著焊接熱輸入增加而加寬。且其特點是熱效率高，熔深大，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，勞動條件好，對操作者的技術水平依賴性小[5]。

2.1 焊接材料的選擇

2.2 焊接坡口形式

由于EH36 高強鋼的板厚為100 mm，尚未在實際生產(chǎn)中形成大規(guī)模的使用，故從可焊性、焊接材料的消耗量、坡口加工、焊接變形等方面考慮，基于板厚100 mm高強鋼的坡口形式的獨特性，以及船廠焊接條件，采用雙V形坡口。坡口角度為70°±5°，便于清根和節(jié)省焊材，提高焊接效率，縮短焊接時間。坡口形式和尺寸見圖1。

圖1 坡口形式及尺寸

2.3 焊前預熱

焊前預熱的作用在于通過減緩冷卻速度，改善接頭的顯微組織，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高塑性，并使焊縫中的氫加速向外擴散，也起到減少一些焊接應力的作用，可以防止焊接區(qū)域金屬的溫度梯度過大，降低焊縫的冷卻速度，減少裂紋的產(chǎn)生。

焊接前采用電加熱方式對焊縫及焊縫兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)進行預熱，預熱溫度達到180 ℃開始施焊，施焊時道間溫度控制在180～220 ℃。施焊過程中，焊縫處的溫度應控制在180～220 ℃，隨時采用點溫計進行反面測量，若溫度低于該溫度，則應進行相應補溫。這樣可以減小焊接應力對高強鋼的影響。焊接過程中各層各道焊接順序見圖2。

圖2 焊接順序示意

2.4 焊接工藝參數(shù)

合適的焊接工藝參數(shù)對改善高強鋼的焊接性能有影響，根據(jù)焊接方法和措施的要求，主要的焊接工藝參數(shù)必須控制在表3范圍內(nèi)。

2.5 焊接變形控制措施

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

在焊接過程中，采用埋弧自動焊接時，為防止出現(xiàn)凝固裂紋，焊縫兩端必須安裝引弧板和熄弧板，其材質(zhì)和坡口形式與被焊件相同且板厚應與母材相當。厚鋼板對接焊后的變形主要是角變形。實踐中為控制變形，往往先焊正面的一部分焊道，翻轉(zhuǎn)工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉(zhuǎn)工件，這樣循環(huán)往復，一般來說，每次翻身焊接3～5道后即可翻身，直至焊滿正面的各道焊縫。同時在施焊時要隨時觀察其角變形情況，注意隨時準備翻身焊接，以盡可能地減少焊接變形及焊縫內(nèi)應力。在焊接過程中隨時觀測拼板焊接變形狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)拼板焊接上翹過多，則應該停止焊接，并按要求進行后熱處理，調(diào)整焊接順序，待焊縫冷卻，翻身，重新預熱焊縫，焊接反面；在板材未發(fā)生焊接變形的情況下，盡量將正面多焊接幾道，以防止板材翻身時產(chǎn)生開裂，正面焊接幾道后，若發(fā)現(xiàn)板材變形，應將工件翻身，采用碳弧氣刨清根，再實施反面焊接。

2.6 焊后處理

為避免焊縫表面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，焊縫表層應圓滑過渡，不得出現(xiàn)咬變弧坑等缺陷，并在焊后對焊縫表面進行打磨。焊后加熱的目的是促使焊接接頭的氫逸出，防止產(chǎn)生延遲裂紋。焊接工作完成后，焊縫及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)需要加熱到200～250 ℃，保溫2 h，然后再采用巖棉墊覆蓋緩冷處理。焊后緩冷可以降低焊件焊后的冷卻速度，防止產(chǎn)生冷裂紋。

3 力學性能試驗

1)試板為400 mm×400 mm×100 mm(EH36)。

2)焊接材料為直徑5 mm的H08Mn2E焊絲，CHF101 焊劑。

3)焊接設備為美國林肯公司生產(chǎn)的埋弧自動焊小車LT-7，埋弧自動焊控制系統(tǒng)NA5，自動焊機電源DC1 000/1 000 A。

4)焊接坡口形式為雙V形坡口，坡口角度為70°，見圖1。

5)焊接方法采用埋弧自動焊。

6)焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

7)測試結(jié)果見表4～6。

表4 埋弧焊對接焊縫強度及接頭冷彎試驗

表5 對接接頭低溫沖擊試驗AKV (-20℃) J

表6 焊接接頭硬度測試Hv10

試驗結(jié)果表明，接頭各項性能指標均達到規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過對EH36 100 mm高強鋼超厚板焊接工藝的研究，應用埋弧自動焊工藝，選擇合適的焊接參數(shù)，制定焊接工藝，在焊接過程中嚴格保證相關工藝措施的正確實施，成功解決了高強鋼超厚板的焊接工藝難題。在焊接過程中，焊縫和焊接熱影響未產(chǎn)生裂紋，焊后經(jīng)過外觀和無損檢測都未曾發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。對焊接接頭進行力學試驗，結(jié)果證明該工藝能滿足力學性能的要求，能夠滿足深水三用工作船對船體局部強度的要求。

[1] 凌云志.船用EH36鋼厚板焊接工藝探討[J].造船技術,2004(6)：32-33.

[2] 林 浩.高強度船體結(jié)構(gòu)鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預防的研究[D].上海:上海海事大學,2006.

[3] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊:材料的焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[4] 黃增忠.船體EH36高強度鋼焊接工藝認可試驗[J].機電技術,2007(2):77-78.

[5] 黃 浩.船舶工藝手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1989.