船用厚板高強(qiáng)度鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預(yù)防討論

于洪家 陳士禮 吳建敏

摘 要：為了滿足厚板高強(qiáng)度鋼在大型、超大型，船舶結(jié)構(gòu)中的性能要求，必須不斷加強(qiáng)鋼的焊接性能，并改良焊接工藝、焊接方法，提高船焊質(zhì)量，保證船舶安全性及高質(zhì)量性。本文就船用厚板高強(qiáng)度鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預(yù)防進(jìn)行簡單的討論。

關(guān)鍵詞：船用厚板高強(qiáng)度鋼；焊接性；焊接裂紋

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶漸漸向大型化、超大型化發(fā)展，厚板高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來越廣泛，但厚板高強(qiáng)度鋼比較容易產(chǎn)生焊接裂紋，一定程度上影響了船舶整體的質(zhì)量，因此，如何改良焊接接頭的力學(xué)性能，提高焊接水平，對于船舶制造十分重要。下文主要就船用高強(qiáng)度鋼性能、國內(nèi)外焊接工藝、焊接裂紋的形成原因、影響因素及預(yù)防措施進(jìn)行簡單的討論，希望能對船舶制造行業(yè)的工作人員有所幫助。

一、船用高強(qiáng)度鋼概括

船用高強(qiáng)度鋼為合金鋼。熱軋及正火處理時，合金鋼強(qiáng)化作用越大，其塑性和韌性越低，當(dāng)合金元素超出一定范圍后，合金鋼的韌性會大幅度降低，為了提高合金鋼的強(qiáng)度及韌性，船用高強(qiáng)度鋼在處理時會加入不同含量的Mn、Ni、Cr、Nb等合金成分，以提高鋼的淬透性及馬氏體的回火穩(wěn)定性，另外，為了保證合金鋼的焊接性及綜合性能，降低合金鋼脆性，鋼中含碳量不應(yīng)該超過0.22%，同時，為了保證船用高強(qiáng)度鋼具有良好的機(jī)械性能，在交貨時應(yīng)采用不同的熱處理工藝。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前來說，盡管我國的船舶建造行業(yè)正在快速的發(fā)展，促進(jìn)了金屬冶金行業(yè)的進(jìn)步，我國大型船舶建造技術(shù)及工藝水平都還達(dá)不到先進(jìn)國家的水平，厚板高強(qiáng)度鋼的焊接工藝、焊接材料也比不上先進(jìn)國家。目前來說，為了滿足國產(chǎn) E級鋼的韌性要求，國內(nèi)各造船廠在焊接厚度超過40mm的船用高強(qiáng)度鋼時，大多采用多層多道焊的焊接技術(shù)，焊接超厚板（厚度為30 mm～ 60 mm）時，通常使用CO2多層多道單面焊技術(shù)或雙面埋弧多層自動焊方法，這幾種方法的焊接質(zhì)量都能夠得到保證，但焊接效率普遍不高。國外一些先進(jìn)的造船企業(yè)在處理大型集裝箱船的船體時，通常會使用氣墊焊的方法以實(shí)現(xiàn)高效立焊，另外，在焊接極厚板（厚度可達(dá)到80mm）時，為了保證極厚板的焊接質(zhì)量，產(chǎn)生了兩電極 SEGARC焊接法，它采用能夠承受較高熱輸入量的兩種藥芯焊絲，且兩種焊絲適用的電流極性不同，提高了焊縫金屬的力學(xué)性能及焊接作業(yè)性，同時，它的單側(cè)電極能夠在一定范圍內(nèi)擺動，能夠?qū)崿F(xiàn)單焊道高效自動焊接，極大的提高了船舶制造的工作效率。

三、船用高強(qiáng)度鋼焊接裂紋的形成和預(yù)防的初步探討

1.焊接裂紋的形式。船用厚板高強(qiáng)度鋼在焊接過程中應(yīng)該在保證焊縫區(qū)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高焊縫金屬的韌性，同時避免焊后裂紋的產(chǎn)生。焊接冷裂紋主要出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)或焊縫金屬中，一般情況下會立即出現(xiàn)，但有時也會延遲一段時間才大量出現(xiàn)，這種冷裂紋被稱為“延遲裂紋”，延遲裂紋是比較普遍且危害更大的冷裂紋形態(tài)。根據(jù)產(chǎn)生部位的不同，冷裂紋分為焊趾裂紋、焊道下裂紋、根部裂紋幾種類型。焊趾裂紋多發(fā)生在母材與焊縫交界處，由焊趾表面平行與焊道向母材擴(kuò)展，有十分明顯的應(yīng)力集中部位；當(dāng)焊接熱影響區(qū)的含氫量較高、具有較大的淬硬傾向時，多會出現(xiàn)焊道下裂紋，它的裂紋走向一般平行與熔合線；鋼材含氫量較高、預(yù)熱溫度不夠時，多會出現(xiàn)根部裂紋，根部裂紋是延遲裂紋中較為常見的形態(tài)之一。

2.船用高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施。（1）鋼材的化學(xué)成分。鋼材的化學(xué)成分對其淬硬傾向有很大的影響。鋼材的淬硬傾向較大，快速冷卻時鋼材內(nèi)部會出現(xiàn)孿晶馬氏體，它硬度高、脆性高，極易產(chǎn)生焊接冷裂紋。船用高強(qiáng)度低碳鋼中含有Mn、Ni、Cr、Nb等微量元素，一定程度上提高了鋼材的塑性與韌性，因此，船用高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分必須合理、科學(xué)，才能保證其良好的焊接性。（2）拘束應(yīng)力對冷裂紋形成的影響。拘束應(yīng)力的大小會影響高強(qiáng)度鋼的焊接質(zhì)量。焊接過程中，拘束應(yīng)力不斷增大，當(dāng)應(yīng)力值超過臨界拘束應(yīng)力，鋼材焊縫區(qū)域就會開始出現(xiàn)冷裂紋。焊接過程中拘束應(yīng)力主要有以下幾種，冷卻過程及不均勻加熱時產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力、鋼材自身結(jié)構(gòu)拘束產(chǎn)生的應(yīng)力等等。由鋼材自身結(jié)構(gòu)拘束產(chǎn)生的應(yīng)力的破壞性較大，因此，焊接過程之前應(yīng)認(rèn)真分析這些應(yīng)力產(chǎn)生的原因，產(chǎn)生的部位，盡可能采取合適的工藝方法及焊接次序降低拘束應(yīng)力，減少冷裂紋的產(chǎn)生。（3）氫對冷裂紋形成的影響。氫含量對與焊接質(zhì)量影響較大。船用高強(qiáng)度焊接過程中，在高溫的作用下，大量的氫溶解在熔池中的奧氏體里，冷卻時，奧氏體相變?yōu)殍F素體，對氫的溶解度降低，大量氫逸出，留在焊縫中，當(dāng)氫的濃度過高時，就會產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋。焊絲與母材本身的含氫量較低，但在運(yùn)輸、儲存、預(yù)處理等等過程中，很容易產(chǎn)生氫的富集，因此，造船廠在船舶焊接制造之前都會對母材及焊絲進(jìn)行處理，并嚴(yán)格控制焊接環(huán)境，盡可能降低氫含量，保證焊接質(zhì)量。（4）焊接工藝對冷裂紋形成的影響。焊接工藝的選擇對于焊接質(zhì)量有著十分重要的影響。焊接時焊接線能量過高會使鋼材熱影響區(qū)的晶粒粗大，進(jìn)而降低焊接頭的抗裂性能，線能量過小，則會降低冷卻時間，又會使熱影響區(qū)的淬硬傾向增加，氫含量升高，也會影響焊接質(zhì)量。因此，焊接工藝選擇時，應(yīng)注意控制焊接線能量。另外，預(yù)熱可以有效防止冷裂紋。但預(yù)熱過程中溫度的選擇一定要科學(xué)合理，溫度過高局部過熱產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而會加劇冷裂紋的產(chǎn)生，同時還增加了焊接成本，得不償失。在多層焊時，后焊層的進(jìn)行能夠降低前焊層的氫含量，改善前焊層焊接質(zhì)量，多層焊時應(yīng)適當(dāng)降低預(yù)熱溫度，科學(xué)合理的設(shè)置多層焊的層間溫度，一般來說，多層焊時層間溫度應(yīng)高于預(yù)熱溫度。

四、結(jié)語

鋼材的化學(xué)成分、焊接線能量、預(yù)熱溫度、焊接工藝、焊層溫度、拘束應(yīng)力等等因素都會影響船用高強(qiáng)度鋼焊接質(zhì)量。因此在現(xiàn)場施工的過程中，必須嚴(yán)格控制焊接過程，以保證焊接工作高質(zhì)量、高效率完成，從而提高船舶制造的總體效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒興樓.船用厚板高強(qiáng)度鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預(yù)防[J].船舶.2011（02）.

[2]林浩.高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預(yù)防的研究 [D].上海海事大學(xué).2010（06）.

[3]鄒增大，李亞江，君士科著.低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼焊接及工程應(yīng)用[ M] .北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2010.