EH40鋼雙絲垂直氣電自動(dòng)焊工藝

沈志根 許志祥 余滋樸

1.概述

在8888TEU、10000TEU等大型集裝箱船上艙口圍區(qū)域大量使用了厚板高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼，且80%以上的艙口圍分段多采用了68mm的EH40鋼。由于目前大型集裝箱船在船塢搭載時(shí)艙口圍分段一般采用單只分段散吊的方式進(jìn)船塢，因此這些68mm的厚板EH40鋼在大接頭部位立對(duì)接位置的焊接工作量非常大。

針對(duì)這種情況，鑒于適用于立對(duì)接位置的高效自動(dòng)焊工藝，即常規(guī)垂直氣電自動(dòng)焊工藝由于只使用一根焊絲，且應(yīng)用的厚度范圍有限（一般≤38mm），所以提出通過(guò)采用雙絲同時(shí)焊接的垂直氣電自動(dòng)焊以適應(yīng)更大板厚的立對(duì)接接頭，完成68mm的厚板焊接一次成形，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和確保質(zhì)量的目的。

2.工藝要素

雙絲垂直氣電自動(dòng)焊是針對(duì)50～70mm的厚板立對(duì)接開(kāi)發(fā)的高效焊接工藝（見(jiàn)圖1），要確保焊接接頭的力學(xué)性能及焊縫質(zhì)量滿足相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求，必須控制以下工藝要素。

（1）鋼材交貨狀態(tài)要求 由于68mm厚板采用雙絲垂直氣電焊焊接時(shí)熱輸入可達(dá)400kJ/cm，大約是傳統(tǒng)CO2半自動(dòng)焊工藝焊接熱輸入的20倍，所以如果鋼材的交貨狀態(tài)仍選用常規(guī)的正火鋼或熱軋鋼，會(huì)因?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大而造成晶粒粗大，甚至形成魏氏組織，造成韌性急劇下降，達(dá)不到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。而針對(duì)此問(wèn)題專門開(kāi)發(fā)的大熱輸入TMCP鋼，由于采用了最新的氧化物冶金技術(shù)，故能在高溫時(shí)抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，有利于細(xì)化焊接熱影響區(qū)晶粒，從而得到較好的韌性。因此要確保該工藝順利應(yīng)用，鋼材交貨狀態(tài)為大熱輸入TMCP鋼是一個(gè)前提條件。

圖1 雙絲垂直氣電自動(dòng)焊

（2）厚板裝配 由于焊接時(shí)熱輸入非常大，厚板焊接后收縮應(yīng)力非常大，前期多次試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用普通12mm厚的馬板裝配，嚴(yán)重時(shí)1m長(zhǎng)的焊接接頭焊縫終端根部間隙可從8mm縮小至4mm，導(dǎo)致終端坡口根部無(wú)法成形，因此特別要求裝配時(shí)采用20mm厚的馬板，且馬板角接縫必須進(jìn)行雙面連續(xù)焊。

（3）焊接參數(shù)調(diào)節(jié) 垂直氣電自動(dòng)焊焊接時(shí)，由于焊接速度由液面跟蹤反饋系統(tǒng)自動(dòng)生成，所以主要調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)是焊接電流、電弧電壓及焊絲的擺動(dòng)范圍和停留時(shí)間等。為了使焊縫熔池的化學(xué)成分分布均勻，控制兩根焊絲的送絲速度始終相等，從而確保焊接接頭的性能。同時(shí)根據(jù)熔池狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)節(jié)電弧電壓和坡口表面?zhèn)鹊暮附z擺動(dòng)參數(shù)。

3.焊接試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)材料與方法 雙絲垂直氣電自動(dòng)焊采用了日本新日鐵公司提供的EH40級(jí)大熱輸入TMCP鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

兩根焊絲則選用了日本神戶制鋼提供的專用CO2藥芯焊絲，面?zhèn)群附z牌號(hào)為DW—S50GTF，根側(cè)焊絲牌號(hào)為DWS—S50GTR，二者組合質(zhì)量等級(jí)為5Y40V，直徑均為1.6mm，即使在600kJ/cm熱輸入的條件下，仍能夠保證焊縫金屬具有較好的沖擊性能。兩根焊絲焊接形成的焊縫熔敷金屬化學(xué)成分如表3所示。

表1 試板主要化學(xué)成分

表2 試板力學(xué)性能

（2）試板焊接 試板按1000mm×400mm×68mm尺寸裝配，以20°V形坡口，間隙8mm裝配定位后進(jìn)行焊接。焊接參數(shù)如表4所示。

表3 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 雙絲垂直氣電自動(dòng)焊焊接參數(shù)

4.試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）外觀及內(nèi)部質(zhì)量 焊后試板正面和反面焊縫均成形良好，外觀檢查合格。分別采用磁粉探傷和超聲波探傷對(duì)厚板焊縫進(jìn)行外觀和內(nèi)部質(zhì)量檢查，結(jié)果均合格。焊接接頭宏觀金相照片如圖2所示，可見(jiàn)焊縫與母材兩側(cè)熔合良好。

表5 拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（2）拉伸及彎曲試驗(yàn) 對(duì)焊接接頭取4根試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，試樣的平均抗拉強(qiáng)度高于母材要求的最小抗拉強(qiáng)度值，表明在大熱輸入焊接條件下符合強(qiáng)度匹配的要求。此外，側(cè)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果也符合了標(biāo)準(zhǔn)要求。拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，側(cè)向彎曲試樣如圖3所示。

圖2 焊接接頭宏觀金相照片

（3）沖擊試驗(yàn) 對(duì)焊接接頭進(jìn)行分層沖擊韌性試驗(yàn)，即分上表面（坡口面?zhèn)龋?、下表面（坡口根?cè)）兩層分別取樣，試樣V型缺口位置分別開(kāi)在焊縫中心、熔合線、熔合線外2mm、5mm和10mm，試驗(yàn)溫度為﹣20℃，結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示焊接接頭的韌性良好，相比標(biāo)準(zhǔn)要求值還具有較大的富余量。

圖3 側(cè)向彎曲試驗(yàn)

（4）微觀金相試驗(yàn) 對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行金相試驗(yàn)，分別得到焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材的光學(xué)微觀組織照片（見(jiàn)圖4）。由微觀組織照片可知，焊縫組織為塊狀先共析鐵素體沿原奧氏體晶界斷續(xù)分布，晶內(nèi)為鐵素體和少量珠光體；熔合區(qū)左側(cè)為焊縫，右側(cè)為熱影響區(qū)（過(guò)熱區(qū)）；熱影響區(qū)（過(guò)熱區(qū)）組織為粗大的塊狀鐵素體沿原奧氏體晶界分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體和珠光體；熱影響區(qū)（完全正火區(qū)）組織為均勻分布的鐵素體和珠光體；母材組織為鐵素體和珠光體。通過(guò)對(duì)比分析這些金相照片，不難發(fā)現(xiàn)粗晶區(qū)主要出現(xiàn)在焊縫和過(guò)熱區(qū)，因此導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域的沖擊值較其他區(qū)域要低，但由于細(xì)晶組織，即晶內(nèi)鐵素體的存在，確保了這兩個(gè)區(qū)域具有足夠的沖擊韌性。

表6 V型缺口夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 焊接接頭金相微觀組織照片

（5）硬度試驗(yàn) 硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從圖5可看出，焊接熱影響區(qū)都發(fā)生了不同程度的軟化現(xiàn)象。

圖5 硬度試驗(yàn)結(jié)果

5.應(yīng)用效益分析

雙絲垂直氣電自動(dòng)焊與常規(guī)CO2半自動(dòng)焊工藝相比，在焊接50～70mm厚板立對(duì)接時(shí)，具有焊接速度快、生產(chǎn)效率高，以及質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。以焊接1m長(zhǎng)的立對(duì)接縫（板厚68mm）為例，雙絲氣電立焊焊接過(guò)程（焊接速度4.8cm/min）約21min，而 CO2半自動(dòng)焊耗時(shí)約焊前準(zhǔn)備3min、焊接過(guò)程（35道，平均焊接速度15cm/min）240min、清理焊渣30min、多道焊接頭處理30min、打磨焊縫30min，合計(jì)約330min。故雙絲垂直氣電焊與CO2立對(duì)接半自動(dòng)焊相比，可提高焊接效率約15倍以上。

此外，由于雙絲氣電立焊焊前不需進(jìn)行預(yù)熱，而CO2半自動(dòng)焊焊前需將鋼材預(yù)熱至50～80℃，且后者在整個(gè)焊接過(guò)程中必須保證整個(gè)接頭的溫度不低于預(yù)熱溫度，所以推廣應(yīng)用自動(dòng)焊工藝有助于大大減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）雙絲垂直氣電焊是專門針對(duì)厚板立對(duì)接開(kāi)發(fā)的大熱輸入焊接高效自動(dòng)焊工藝，必須嚴(yán)格限定對(duì)鋼板交貨狀態(tài)、裝配條件、焊接參數(shù)等。

（2）在400kJ/cm左右的大熱輸入焊接條件下，68mm厚的大熱輸入EH40鋼焊接接頭力學(xué)性能可滿足規(guī)范要求。

（3）雙絲垂直氣電焊是大型集裝箱船船塢搭載階段提高生產(chǎn)效率的重要焊接工藝。