疏浚船用Dp6鋼焊接工藝性能研究

郭云飛， 包　孔， 周弋琳， 嚴(yán)　峰

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125； 2.上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心， 上海 200125)

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疏浚船用Dp6鋼焊接工藝性能研究

郭云飛1,2， 包孔1,2， 周弋琳1,2， 嚴(yán)峰1

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125； 2.上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心， 上海 200125)

摘要根據(jù)疏浚船舶性能要求，首先對Dp6鋼的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果證明其具有良好的焊接性能及抗冷裂紋性。然后根據(jù)項(xiàng)目情況采用手工電弧焊、藥芯焊絲氣體保護(hù)焊、埋弧自動焊三種焊接方法。對所選焊條CHE50、藥芯焊絲SQJ501L、埋弧焊絲CHW-S3/焊劑CHF102進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果證明其力學(xué)性能與Dp6相匹配。然后進(jìn)行三種焊接方法的工藝評定試驗(yàn)，結(jié)果證明手工電弧焊，焊接線能量控制在1.4～1.7 kJ/mm；CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊接線能量控制在1.3～1.8 kJ/mm；埋弧自動焊，焊接線能量控制在1.6～2.0 kJ/mm，均可獲得良好的焊接接頭性能。

關(guān)鍵詞疏浚船舶Dp6焊接力學(xué)性能

0引言

21世紀(jì)是海洋資源開發(fā)的新世紀(jì)，世界各國把開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。近年來我國海油的勘探開發(fā)工作取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。為了遠(yuǎn)離大陸的海上施工，提高施工效率是首先應(yīng)考慮的事情，我國目前能適應(yīng)南海工況的大型抓斗疏浚船很少，目前已有的較大抓斗疏浚船抓斗容積為30 m3，這些船舶設(shè)計(jì)都是按照沿海作業(yè)，近海調(diào)遣來設(shè)計(jì)的，能否在南海開敞水域作業(yè)，也需要分析考證，而且受到抓斗容積限制，船舶的施工效率顯然也不能適應(yīng)南海建設(shè)的需要。

目前國內(nèi)在大型抓斗疏浚船的技術(shù)理論研究及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)程度都十分有限，對于特大型疏浚抓斗的相關(guān)技術(shù)研發(fā)更是處于空白，有關(guān)技術(shù)理論研究十分薄弱。由于大型抓斗長期被日本等少數(shù)國家壟斷，抓斗長期依靠進(jìn)口，所以價(jià)格一直居高不下，且交貨期長，售后服務(wù)難以跟上。為實(shí)現(xiàn)我國南海發(fā)展戰(zhàn)略，南?；亟ㄔO(shè)迫在眉睫，需要一批擁有自主研發(fā)產(chǎn)權(quán)的海上大型抓斗疏浚船，自主設(shè)計(jì)和開發(fā)大型抓斗疏浚船和大型疏浚抓斗，形成自主知識產(chǎn)權(quán)，打破西方發(fā)達(dá)國家對此領(lǐng)域的壟斷，是十分必要的。

作為疏浚船舶的重要組成部分結(jié)構(gòu)人字架、轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、圓筒體結(jié)構(gòu)等的技術(shù)制作成為關(guān)鍵技術(shù)之一，對此我公司經(jīng)設(shè)計(jì)采用船舶高強(qiáng)鋼Dp6作為制造材料，降低產(chǎn)品自重，保證焊接制造質(zhì)量。同時(shí)針對不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求需要采用不同的焊接方法進(jìn)行焊接工藝研究，以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

1Dp6鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

選擇南京鋼鐵生產(chǎn)的Dp6作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分與力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1　Dp6鋼的化學(xué)成分

表2　Dp6鋼的力學(xué)性能

由表1、表2可知本次試驗(yàn)所選鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能完全滿足CCS的標(biāo)準(zhǔn)要求。該鋼的P、S含量控制的比較低，并添加了Nb、V等微合金元素。鋼板的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb都有較大的富余量，良好的屈強(qiáng)比保證鋼板有一定的韌性儲備。板材沖擊功在170 J左右，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)平均沖擊功34 J的要求。鋼板的優(yōu)良性能為焊接接頭力學(xué)試驗(yàn)取得理想的結(jié)果奠定了基礎(chǔ)[1,2]。

2Dp6鋼的斜Y型坡口焊接裂紋敏感性試驗(yàn)

2.1焊接試驗(yàn)方法及過程斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)是一種拘束程度較為苛刻的冷裂紋試驗(yàn)方法，其焊縫根部的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)4.7，主要考慮焊接熱影響區(qū)的根部裂紋情況。根據(jù)GB 4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，對Dp6鋼進(jìn)行了該項(xiàng)焊接性試驗(yàn)[3,4]。試驗(yàn)在室溫，60℃，90℃，120℃四種不同的預(yù)熱溫度條件下進(jìn)行，每組試驗(yàn)一副試板，分別進(jìn)行表面裂紋率與斷面裂紋率檢測。試板焊接完成48 h以后對焊縫進(jìn)行外觀檢查，然后對試板進(jìn)行機(jī)械加工，對4個橫斷面進(jìn)行裂紋率檢查。具體試驗(yàn)計(jì)劃以及試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3　斜Y型坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)

焊接材料選用按照等強(qiáng)匹配的原則，同時(shí)考慮疏浚船舶低溫的作業(yè)環(huán)境對沖擊韌性要求較高，選擇上海大西洋公司生產(chǎn)的CHE50電焊條，由于其含碳量，S、P含量均較低，保證了良好的焊接性，不易產(chǎn)生裂紋與氣孔。且該焊條的低溫沖擊韌性值為47 J大于鋼板要求的34 J，保證了焊縫的良好性能。焊條規(guī)格采用直徑Φ4.0 mm，焊前經(jīng)350℃約1～2 h烘干，后保溫于100℃左右，隨取隨用，焊接采用直流反接。采用該種匹配方式，對于焊接Dp6鋼來說，具有冷裂紋傾向小，預(yù)熱溫度低的優(yōu)點(diǎn)。

斜Y型坡口焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)需按照GB 4675.1-84標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，其尺寸與裝配圖如圖1所示。采用手工電弧焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)，先焊拘束焊縫，再焊試驗(yàn)焊縫如圖2所示。

圖1　試件形狀和尺寸裝配圖

圖2　采用手工焊時(shí)試驗(yàn)焊縫位置

2.2表面裂紋率與斷面裂紋率檢查

(1) 表面裂紋率的檢查按照GB 4675.1-84標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在焊后48 h后進(jìn)行，采用著色法測量焊縫表面裂紋(見圖3)，按下式計(jì)算表面裂紋率。

式中：L為試驗(yàn)焊縫長度(mm)；Cf為表面裂紋率(%)；∑Lf為表面裂紋長度之和(mm)。

圖3　表面裂紋長度測量與計(jì)算

圖4　斷面裂紋長度測量與計(jì)算

(2) 斷面裂紋率的檢查，按照GB 4675.1-84標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在試驗(yàn)焊縫上切出同樣厚度的4塊試樣(按試驗(yàn)焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心之間的距離三等分而確定)，檢測4個橫斷面上的裂紋深度(見圖4)，按下式對4個橫斷面計(jì)算斷面裂紋率，然后求其平均值。

式中：Cs為斷面裂紋率(%)；Hs為斷面裂紋的深度(mm)；H為試驗(yàn)焊縫的最小厚度(mm)。

2.3斜Y型坡口焊接裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果

表面裂紋率與斷面裂紋率檢測結(jié)果如表4所示。可見30 mm厚Dp6鋼常規(guī)條件下焊接沒有冷裂紋傾向，可以很好地應(yīng)用于疏浚船舶相關(guān)結(jié)構(gòu)。

表4　斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

3Dp6鋼焊接工藝評定試驗(yàn)

3.1焊接材料的選擇

針對疏浚船舶Dp6鋼的應(yīng)用范圍較廣，且需滿足不同的結(jié)構(gòu)形式，故計(jì)劃完成不同焊接方法的焊接工藝評定試驗(yàn)，焊接方法包括：(1)手工電弧焊，焊材選用CHE50；(2)CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊材選用SQJ501L；(3)埋弧自動焊，焊材采用CHW-S3/CHF102(采用SQJ501L藥芯焊絲氣體保護(hù)焊打底)。為保證所需焊材滿足Dp6鋼與項(xiàng)目的應(yīng)用要求，首先進(jìn)行焊接材料力學(xué)性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)計(jì)劃如表5所示。

表5　焊接材料力學(xué)性能試驗(yàn)計(jì)劃

焊接材料力學(xué)性能試驗(yàn)主要進(jìn)行焊縫縱向拉伸試驗(yàn)與低溫沖擊試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。可見所選焊接材料力學(xué)性能完全可以滿足試驗(yàn)需要。

表6　焊接材料性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2焊接工藝評定試驗(yàn)

針對疏浚船舶對Dp6鋼板的應(yīng)用，同時(shí)根據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》選擇25 mm厚Dp6鋼板，X型坡口形式進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，可覆蓋大部分項(xiàng)目板厚范圍，具體的焊接工藝評定試驗(yàn)方案與焊接參數(shù)如表7所示[5]。

表7　焊接工藝評定試驗(yàn)方案

(1) 彎曲試驗(yàn)。根據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》的要求進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。每次評定4個試樣，試樣規(guī)格：10 mm×25 mm×260 mm，彎心直徑d=4 t，彎心角為180°，彎曲結(jié)果全部合格，表現(xiàn)出良好的低溫塑性。

(2) 宏觀試驗(yàn)。每個評定試驗(yàn)做兩個宏觀試樣，經(jīng)10%硝酸酒精腐蝕，未見缺陷，結(jié)果合格，表明焊接工藝可行。

(3) 硬度試驗(yàn)。每個評定進(jìn)行一組硬度試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值HV10≤350，試驗(yàn)結(jié)果均合格。

(4) 拉伸試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)每次評定兩個試樣；沖擊試驗(yàn)每次評定進(jìn)行5個位置的沖擊，每個位置3個試樣，具體結(jié)果如表8所示。力學(xué)性能結(jié)果均合格。

表8　力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)焊接工藝評定試驗(yàn)表明Dp6焊縫的綜合力學(xué)性能良好，也表明采用的焊接材料及焊接工藝參數(shù)合理，可以滿足生產(chǎn)需要。

4結(jié)論

(1) 斜Y型坡口焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)證明，Dp6鋼不需要預(yù)熱就可以獲得良好的抗冷裂紋能力。

(2) 焊接材料性能試驗(yàn)證明，試驗(yàn)選用的焊條CHE50，藥芯焊絲SQJ501L，埋弧焊絲CHW-S3(焊劑CHF102)三種焊材可以滿足Dp6鋼的性能要求。

(3) 采用焊條CHE50，焊接線能量控制在1.4～1.7 kJ/mm，Dp6鋼可獲得良好的焊接接頭性能。

(4) 采用藥芯焊絲SQJ501L，焊接線能量控制在1.3～1.8 kJ/mm，Dp6鋼可獲得良好的焊接接頭性能。

(5) 采用埋弧焊CHW-S3(焊絲)/CHF102(焊劑)，焊接線能量控制在1.6～2.0 kJ/mm，Dp6鋼可獲得良好的焊接接頭性能。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭英杰, 薛東妹, 柴鋒. 大線能量焊接Dp6鋼焊接熱影響區(qū)組織與性能研究[J]. 上海金屬, 2010，32(2):30-33.

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制船可以節(jié)省板材成本約33.2萬元，后續(xù)單船可以節(jié)省板材成本40.2萬元。

② 焊材。76 000 t散貨船裝焊8 000塊馬板大約需消耗焊材372 kg，折合人民幣2 250元。

38 000 t化學(xué)品船上裝焊6 000塊不銹鋼馬板大約需要消耗焊材274 kg，折合人民幣27 400元；裝焊5 700塊普通馬板大約需消耗焊材265 kg，折合人民幣1 600元。

(2) 人工成本的降低。

以裝配工27元/h的成本計(jì)算，76 000 t散貨船每船可節(jié)省人工成本大約6.6萬元，38 000 t化學(xué)品船可節(jié)省人工成本每船大約8.3萬元。

(3) 動能成本的降低。

按照公司綜合動能使用成本6.8元/h統(tǒng)計(jì)，76 000 t散貨船上使用“活動馬板”可節(jié)約動能1.7萬元，38 000 t化學(xué)品上單船可以節(jié)約動能2.1萬元。

4.1.3綜合經(jīng)濟(jì)效益

綜上所述，使用“活動馬板”后，76 000 t散貨船單船可節(jié)約成本16.5萬元，38 000 t化學(xué)品船單船可以節(jié)約成本53.5萬元。

4.2社會效益

“活動馬板”的應(yīng)用及推廣，對船舶制造而言，可以提高造船效率和船舶建造質(zhì)量，同時(shí)縮短造船周期；對施工人員而言，能大幅降低施工人員的勞動強(qiáng)度、改善現(xiàn)場施工環(huán)境；對公司而言，提升公司造船管理水平及競爭力，更為公司實(shí)現(xiàn)降本增益打下基礎(chǔ)。

Research of the Dp6 Steel’s Welding Performance on Dredging Vessel

GUO Yun-fei1,2, BAO Kong1,2, ZHOU Yi-lin1,2, YAN Feng1

(1. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai 200125, China;

2. Shanghai Engineering Research Center of Marine Equipment Intelligent Welding,

Shanghai 200125, China)

AbstractFirstly, according to the performance requirement of dredging vessel,mechanical property tests on the Dp6 steel were carried out, the results show that welding performance and resistance to cold cracking of Dp6 steel is very well. Subsequently, welding processes of GMAW, SMAW, SAW were adopted to conducting mechanical property tests of welding electrode CHE50, flux-cored wire SQJ501L, submerged arc welding wire CHW-S3/ flux CHF102. Mechanical performance similar with Dp6 was acquired. Finally, the welding procedure qualification tests of three kinds of welding methods were conducted. The results show that welding linear energy controlled between 1.4 and 1.7 kJ/mm(SMAW), the welding line energy controlled between 1.3 and 1.8 kJ/mm(FCAW), welding linear energy controlled between 1.6 and 2.0 kJ/mm(SAW), good welding joint performance can be obtained.

KeywordsDredging vesselDp6WeldingMechanical property

中圖分類號U671

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：郭云飛(1985-)，男，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目計(jì)劃資助(工信部聯(lián)裝[2012]539號)。