EH47超高強(qiáng)度鋼焊接工藝研究

唐 松，龔傳誼

(江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江 214521)

EH47超高強(qiáng)度鋼焊接工藝研究

唐 松，龔傳誼

(江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江 214521)

對(duì)在萬箱船艙口圍板應(yīng)用的EH47超高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分進(jìn)行了分析，計(jì)算得出碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)，在焊接工藝的試驗(yàn)過程中分析了力學(xué)性能、工藝參數(shù)等，得出該材料在嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的情況下，具有良好的可焊性。

超高強(qiáng)度鋼；焊接材料；焊接工藝；焊接接頭

0 引言

近年來，隨著集裝箱船建造的規(guī)模越來越大，為得到足夠的船體縱向強(qiáng)度，越來越厚的高強(qiáng)度鋼板在大型集裝箱船的上甲板區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用。作為工業(yè)革新的最新成果，屈服強(qiáng)度達(dá)到460 MPa的EH47級(jí)超高強(qiáng)度鋼被引入使用在集裝箱船的上甲板區(qū)域結(jié)構(gòu)，特別是艙口圍板結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低使用鋼板厚度，減輕船舶的空船重量，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的目的。研究超高強(qiáng)度鋼EH47的焊接性，目的在于評(píng)定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定出合理的焊接工藝提供可靠的依據(jù)。金屬的工藝焊接性研究方法一般分為間接評(píng)定法和直接評(píng)定法2種。間接評(píng)定法常用的方法一般有碳當(dāng)量法、裂紋敏感性指數(shù)法、連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖、焊接熱影響區(qū)最高硬度等方法；直接評(píng)定法常用的方法一般有焊接熱裂紋試驗(yàn)、焊接冷裂紋試驗(yàn)、焊接氣孔敏感性試驗(yàn)等。本文根據(jù)10 000 TEU大型集裝箱船艙口圍板采用的超高強(qiáng)度E47鋼的特點(diǎn)，將綜合采用間接評(píng)定法及直接評(píng)定法對(duì)E47鋼的焊接性進(jìn)行研究。

1 EH47鋼材料性能

10 000 TEU集裝箱船入級(jí)挪威船級(jí)社，艙口圍板使用EH47超高強(qiáng)度鋼板，最大厚度為70 mm，交貨狀態(tài)為TM。

本船EH47鋼屈服強(qiáng)度為590 MPa，抗拉強(qiáng)度為665 MPa，伸長(zhǎng)率為22.5%；在零下40 ℃時(shí)，做3組橫向沖擊試驗(yàn)，沖擊功分別為171、179、152 J。

EH47鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 EH47鋼化學(xué)成分

根據(jù)EH47鋼板的化學(xué)成分，按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(ⅡW)推薦的碳當(dāng)量公式[1]，計(jì)算出EH47鋼板的碳當(dāng)量Ceq為0.432。

按照日本伊藤等人所建立的冷裂紋敏感指數(shù)公式[2]，計(jì)算出EH47鋼板的冷裂紋敏感指數(shù)Pcm為0.185。

2 EH47鋼板在萬箱船上的應(yīng)用

EH47鋼板在萬箱船上主要應(yīng)用在艙口圍板結(jié)構(gòu)上，如圖1所示。

圖1 EH47鋼在萬箱船上的使用區(qū)域

根據(jù)集裝箱船艙口圍板的生產(chǎn)工藝，選取了埋弧自動(dòng)焊和CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲焊這2種焊接生產(chǎn)方式。焊接材料按照挪威船級(jí)社規(guī)范要求的質(zhì)量等級(jí)，選擇低氫型的焊材，見表2。

3 EH47鋼焊接冷裂紋傾向試驗(yàn)

EH47鋼的碳當(dāng)量Ceq為0.432，鋼材的淬硬傾向較大，焊接性一般，需要考慮焊前預(yù)熱。根據(jù)考慮冷裂紋敏感指數(shù)Pcm、焊材含氫量及板厚因素的預(yù)熱溫度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[3]，計(jì)算出焊前預(yù)熱溫度T0。經(jīng)驗(yàn)公式為：

Pc=Pcm+H/60+δ/600

T0= 1 440Pc-392

式中：Pc為冷裂紋敏感指數(shù)，%；δ為被焊金屬的板厚，δ=70 mm；H為熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量，考慮到選用的是低氫型焊接材料，H=3 mL·(100g)-1。

代入計(jì)算，得到T0=114 ℃。

表2 EH47鋼選用焊接材料列表

由于經(jīng)驗(yàn)公式的板厚適用范圍為19～50 mm，而EH47鋼板厚為70 mm，超出經(jīng)驗(yàn)公式的使用范圍，因此從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，重新設(shè)計(jì)了2種接頭形式的焊接冷裂紋傾向試驗(yàn)方案。在0～5 ℃低溫環(huán)境下，使用較低的線能量焊接時(shí)，試驗(yàn)其焊接接頭的冷裂紋傾向，試驗(yàn)方案見表3。

表3 EH47鋼焊接冷裂紋傾向試驗(yàn)方案

方案1完成后，取宏觀試樣觀察其根部打底焊區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)有裂紋。

方案2完成后，取宏觀試樣觀察整個(gè)焊縫及熱影響區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)有裂紋。

方案2完成后，在宏觀試樣坡口表面下2 mm處及根部表面下2 mm處，按照母材區(qū)域2個(gè)點(diǎn)，熱影響區(qū)3個(gè)點(diǎn)，熔合線區(qū)3個(gè)點(diǎn)，焊縫中心區(qū)3個(gè)點(diǎn)的方式，取2組維氏硬度HV10數(shù)據(jù)，硬度最大值在坡口表面下2 mm處熔合線區(qū)，為317 HV10。硬度值分布如圖2所示。

圖2 硬度值分布圖

方案2完成后，分別在坡口表面下區(qū)域及根部區(qū)域?qū)_擊試驗(yàn)進(jìn)行取樣，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4方案2沖擊試驗(yàn)結(jié)果

通過分析方案1和方案2的試驗(yàn)結(jié)果，板厚為70 mm的E47鋼在0～5 ℃環(huán)境溫度情況下，采用小線能量不預(yù)熱焊接時(shí)，得到的性能結(jié)果全部滿足挪威船級(jí)社的相應(yīng)規(guī)范要求，僅在根部的熔合線區(qū)域的沖擊值偏低。

在正式焊接工藝評(píng)定時(shí)，如果采用適當(dāng)提高預(yù)熱溫度的措施，應(yīng)該可以得到讓人滿意的結(jié)果。

4 EH47鋼焊接工藝評(píng)定

正式焊接工藝評(píng)定時(shí)將EH47鋼的焊接預(yù)熱溫度設(shè)定為50 ℃，試驗(yàn)層間溫度范圍控制在50～250 ℃。埋弧焊的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)選用雙面V型坡口，平焊，熱輸入控制在小于45 kJ/cm。

CO2氣體保護(hù)焊的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)選用單面V型坡口，陶質(zhì)襯墊為背面材料，立焊，熱輸入控制在小于30 kJ/cm。

工藝評(píng)定的試驗(yàn)結(jié)果分別見表5、表6。

試驗(yàn)結(jié)果完全符合挪威船級(jí)社要求，且沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的富余量較大，因此認(rèn)為焊接工藝試驗(yàn)的結(jié)果是成功的。

5 結(jié)語

EH47鋼焊接性良好，淬硬傾向不大，但需要鋼廠嚴(yán)格控制碳當(dāng)量Ceq值及冷裂紋敏感指數(shù)Pcm值。

表5EH47鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)(拉伸性能)數(shù)據(jù)

選用低氫型焊接材料，嚴(yán)格控制焊接接頭氫元素的攝入，盡量選用氫含量等級(jí)為H5級(jí)的焊材。另外，采用合適的焊前預(yù)熱溫度，控制好層間溫度，安排合理的焊接熱輸入，是焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)成功的重要因素。

表6EH47鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)(沖擊和彎曲性能)數(shù)據(jù)

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)，等. 焊接手冊(cè)(第二卷) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]伊藤慶典，別所清. 高張力鋼の溶接割れについて [J]. 溶接學(xué)會(huì)志，1968,37(9)：63-64.

[3]佐藤邦彥. 溶接工學(xué) [M]. 東京：東京都理工學(xué)社，1978.

2014-03-15

唐松(1970-)，男，工程師，從事船舶質(zhì)量檢驗(yàn)工作；龔傳誼(1972-)，男，高級(jí)工程師，從事焊接管理及焊接工藝研究。

U671.83

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