厚板止裂鋼EH47BCA焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)

陳 羽

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

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厚板止裂鋼EH47BCA焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)

陳 羽

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

隨著厚板EH47BCA高強(qiáng)度鋼將廣泛運(yùn)用于未來大型集裝箱船舶，而該型鋼材的焊接工藝研究對后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用至關(guān)重要。根據(jù)國際船級社協(xié)會(huì)(IACS)及船級社規(guī)范要求，并參考美國焊接協(xié)會(huì)(AWS)等規(guī)范，研究在制作EH47BCA鋼材的焊接工藝時(shí)需要考慮的焊接參數(shù)設(shè)計(jì)要求、試板測試方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，為船廠對EH47BCA鋼材的焊接工藝制作提供參考。

止裂鋼；焊接工藝；船級社規(guī)范

0 引言

現(xiàn)代大型集裝箱船在艙口圍、抗扭箱及中部主甲板處常需要使用高強(qiáng)度、高韌性的厚鋼板[1]。EH47型低合金高強(qiáng)度鋼厚度可達(dá)50 mm以上，由于板厚的增加，其抗脆性開裂性能降低，存在船舶安全隱患。為防止船體鋼板因脆性斷裂造成海上事故，國際船級社協(xié)會(huì)(IACS)于2013年制定出UR S33標(biāo)準(zhǔn)，提出建造合同在2014年1月1號以后簽訂的大型集裝箱船需滿足止裂設(shè)計(jì)的要求，規(guī)定厚度大于50 mm的EH47鋼板須有止裂性能，具有某種級別以上的斷裂韌性值。這就意味著實(shí)際建造時(shí)間在2016年以后的大型集裝箱船將按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并建造。截至2016年10月，作為造船大國的中、日、韓等國都已相繼開發(fā)出EH47BCA型高強(qiáng)止裂鋼，但卻并無實(shí)際運(yùn)用案例，相關(guān)船廠也僅處于對EH47BCA鋼材使用準(zhǔn)備階段，針對EH47BCA 鋼的焊接工藝也暫無相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，本文根據(jù)英國勞氏船級社(LR)規(guī)范并參考國際船級社協(xié)會(huì)(IACS)、挪威船級社(DNV)及美國焊接協(xié)會(huì)(AWS)等規(guī)范，研究制定帶止裂性EH47BCA鋼材焊接工藝的焊接參數(shù)設(shè)計(jì)要求、試板測試方法及試板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為船廠在制定EH47BCA焊接工藝時(shí)提供參考。

1 焊接工藝

1.1 EH47BCA 材料特性

該型鋼板通常采用低碳高錳合金，在保證鋼材韌性的前提下，進(jìn)行Nb-Ti 微合金化，通過對奧氏體晶界的釘扎，可以抑制奧氏體晶粒的長大，并添加 Cr，Cu，Ni等多種合金元素以提高鋼板的淬透性，從而提高鋼板強(qiáng)度和止裂性能。又因該型鋼板交貨狀態(tài)為熱機(jī)械控制工藝 (Thermo Mechanically Controlled Processing, TMCP)，通過TMCP工藝，可在無需增加合金元素的情況下提高鋼板的力學(xué)性能，達(dá)到減小碳當(dāng)量的目的，從而提高其焊接性能。

英國LR船級社對于EH47BCA 型鋼材的化學(xué)成分(見表1)及力學(xué)性能描述如下，DNV船級社標(biāo)準(zhǔn)也與之近似。

表1 LR標(biāo)準(zhǔn) EH47BCA 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

LR船級社對EH47BCA力學(xué)性能要求如下：

屈服強(qiáng)度≥460 N/mm2；

抗拉強(qiáng)度≥570～720 N/mm2；

伸長率≥17%；

沖擊值測試溫度為 -40℃；

止裂韌度值Kca≥6 000N/mm1.5(-10℃)。

1.2EH47BCA焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及確立

1.2.1 焊材的選擇

在設(shè)計(jì)焊接工藝時(shí)通常需考慮常發(fā)生的2種失效形式：(1) 焊接裂紋；(2) 因受多層焊熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)粗晶區(qū)會(huì)出現(xiàn)硬脆組織MA組元，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化[2]。焊接裂紋主要形式為熱裂紋和氫致冷裂紋。為防止氫致冷裂紋產(chǎn)生，一般選用低氫型焊材,建議氫含量選擇H5 ～H10標(biāo)號型焊材。對于熱裂紋和熱影響區(qū)脆化需要通過選擇正確的焊接參數(shù)進(jìn)行防止，參數(shù)的選擇見本文后續(xù)內(nèi)容。按照英國LR規(guī)范、挪威DNV規(guī)范，推薦使用焊材的主要合金元素與焊接母材相同或者相近，焊材的抗拉強(qiáng)度應(yīng)相等或稍高于母材抗拉強(qiáng)度且焊材的韌塑性應(yīng)與母材相匹配。LR規(guī)范要求EH47型鋼材焊材級別應(yīng)不低于3Y47級。對于BCA型鋼材DNV規(guī)范要求焊縫金屬?zèng)_擊韌性應(yīng)達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)[3]，即沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)為-40℃，因此焊材等級應(yīng)提高到至少為4Y級。同時(shí)需考慮焊件的施工狀態(tài)，如構(gòu)件是否為固定構(gòu)件，是否采用焊前預(yù)熱處理等。另外，如施焊的環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境因素，選擇焊材的焊接位置與實(shí)際工程要求相符，以及焊絲的經(jīng)濟(jì)性等都需考慮?？偠灾x擇正確的焊材是確保研發(fā)有效焊接工藝的重要因素。

1.2.2 試板焊接位置的選擇

對于船體結(jié)構(gòu)的焊接，根據(jù)各船廠工藝設(shè)計(jì)方法不同，所涉及的焊接位置會(huì)有所不同。建造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量簡化施工工藝，降低焊接施工難度，但在制作焊接工藝時(shí)，焊接工藝應(yīng)盡量多地涵蓋不同的焊接位置。對于EH47BCA型鋼材，在實(shí)際工程焊接中，不同階段涉及的焊接位置會(huì)不同。對接焊位置包括平焊(1G)、橫焊(2G)、立焊(3G)；角接焊位置包括水平(1F)、橫焊(2F)、立焊(3F)、仰焊(4F)。LR規(guī)范規(guī)定焊接工藝認(rèn)可的焊接位置應(yīng)僅限于試板焊接時(shí)所采用的焊接位置，如若認(rèn)可某一范圍的焊接位置，那么焊接試板應(yīng)分別在該認(rèn)可范圍的焊接位置上，以最高與最低熱輸入進(jìn)行焊接認(rèn)可試驗(yàn)[4]。挪威船級社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)則明確提出，對于板材對接接頭焊接，若試板焊接位置為橫焊(2G)和立焊(3G),便可認(rèn)可所有的焊接位置[3]。因此，建議在制作焊接工藝時(shí)應(yīng)選用橫焊(2G)和立焊(3G)焊接位置進(jìn)行試板焊接試驗(yàn)，以提高焊接工藝制定效率。

1.2.3 焊接試板的尺寸

試板厚度應(yīng)盡量選用與實(shí)際工程船舶結(jié)構(gòu)中最大厚度鋼板相近的厚度，同時(shí)考慮規(guī)范關(guān)于對焊接試驗(yàn)試板厚度可同時(shí)認(rèn)可其他厚度的覆蓋范圍，試板不宜太短，因其受環(huán)境及焊接熱輸入等條件影響明顯，短了就不具代表性，再者需充分考慮試板焊后測試取樣所需尺寸大小。LR船級社規(guī)定力學(xué)性能測試通常有拉伸、彎曲、硬度、宏觀及沖擊等測試；DNV對于止裂鋼的焊接接頭，要求對其粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)進(jìn)行裂紋尖端張開位移(CrackTipOpeningDisplacement,CTOD)試驗(yàn)。除此之外還需考慮預(yù)留復(fù)試試樣。IACS有如下規(guī)定[5]：

(1) 手動(dòng)或半自動(dòng)焊接。試板總寬度W為2a，a= 3 ×t， 最小值為150mm。

(2) 自動(dòng)焊接。試板總寬度W為2a，a= 4 ×t， 最小值為 200mm。

其中：a為試板寬度；t為試板厚度。

1.2.4 坡口幾何設(shè)計(jì)

在選擇試板坡口幾何形狀時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的設(shè)計(jì)或者工藝要求而選擇與之相同的坡口形式。所開坡口應(yīng)能使電弧深入坡口底層，保證底層焊透和便于清渣，從而獲得理想的焊縫成形。同時(shí)需注意到坡口的形狀將影響到焊縫金屬中母材和填充金屬的熔合比。

1.2.5 預(yù)熱溫度的確立

預(yù)熱溫度需綜合考慮母材的化學(xué)成分、厚度、接頭的約束度及焊接環(huán)境溫度等因素。在設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度時(shí)，焊縫金屬的成分也需要考慮。雖然預(yù)熱溫度越高，其防止產(chǎn)生裂紋的效果越好，但是如果預(yù)熱溫度過高，會(huì)造成熔合區(qū)附近的材質(zhì)晶粒變粗，容易產(chǎn)生熱裂紋，同時(shí)還會(huì)使施焊條件變差[6]。根據(jù)美國焊接協(xié)會(huì)AWSD1.1/D1.1M：2010，預(yù)熱溫度最高應(yīng)不超過150 ℃，其正文表3.2中根據(jù)焊接母材的力學(xué)性能、厚度及焊接方式可確立EH47BCA型鋼材焊接的最小預(yù)熱溫度和層間溫度應(yīng)不低于110 ℃。同時(shí)其附則I中提出可供選用的另一指導(dǎo)方法來進(jìn)一步確認(rèn)預(yù)熱溫度及層間溫度的正確性。

1.2.6 焊接熱輸入

焊接能源輸入給單位長度焊縫的熱量稱為熱輸入。焊接熱輸入的選擇通常通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，需防止焊縫裂紋的產(chǎn)生同時(shí)保證焊縫接頭滿足工件性能要求。熱輸入過高會(huì)造成焊縫金屬塑性降低，熱輸入過小，焊縫金屬韌性下降，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，并可能出現(xiàn)未熔合等缺陷。

焊接熱輸入決定于焊接電流、焊弧電壓及焊接速度，根據(jù)EN1011-1：1998指出其表達(dá)式為

(1)

式中：Q為熱輸入值；k為熱效因子；U為電弧電壓；I為焊接電流；v為焊接速度。

試板焊接過程中應(yīng)準(zhǔn)確有效地對以上參數(shù)進(jìn)行記錄，以確保焊接工藝的正確性。

1.2.7 焊后熱處理

焊后熱處理可消除因焊接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，改善焊縫和焊接接頭組織，提高韌性。但是焊后熱處理成本高，施工周期長，經(jīng)濟(jì)性較低。對于本次EH47BCA型鋼材的焊接，母材屈服強(qiáng)度>470MPa，根據(jù)AWSD1.1/D1.1M：2010 提出焊后熱處理會(huì)降低焊縫金屬及熱影響區(qū)(HAZ)的韌性，且可能在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)域發(fā)生晶間斷裂裂紋，對于該型鋼材不建議進(jìn)行焊后熱處理。

2 焊接測試方法

焊接連接構(gòu)件的測試應(yīng)綜合考慮船級社協(xié)會(huì)IACSURW28、船級社及認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求。測試試驗(yàn)主要分為無損檢測、破壞性檢測及特殊附加檢測(外延測試)。LR船級社測試要求如表2所示。

2.1 無損檢測

對焊件的無損檢測方法包括以下2種：

(1) 焊件表面缺陷檢測：外觀目視檢查(VisualTesting)、表面滲透探傷或磁粉探傷檢測(DyePenetrantTestingorMagneticParticleTesting)。

(2) 焊件內(nèi)部缺陷檢測：超聲波或射線檢測(UltrasonicorRadiographicTesting)。

在對焊件進(jìn)行上述無損檢測時(shí)，工藝方法需嚴(yán)格按照船級社相應(yīng)的規(guī)范或船級社認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.2 破壞性檢測

焊件的破壞性檢測需在完成無損檢測后進(jìn)行，檢測方法包括：

(1) 橫向拉伸試驗(yàn)、縱向拉伸試驗(yàn)(若焊接用焊材未被船級社認(rèn)可)、沖擊試驗(yàn)、橫向彎曲試驗(yàn)。

(2) 宏觀檢測及硬度測試。

2.3 特殊附加檢測

根據(jù)焊件的特殊性能要求，還可對焊件進(jìn)行其他附件檢驗(yàn)，如焊縫金屬的彎曲試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、焊縫金屬化學(xué)分析、微觀檢測等。DNV船級社首先在其2016年版鋼制材料規(guī)范[3]中，規(guī)定要求船用EH47BCA型鋼材焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)需通過CTOD試驗(yàn)測試其韌度，并記錄作為參考，標(biāo)準(zhǔn)要求CTOD張開位移值應(yīng)不小于0.15mm[3]。

表2 LR規(guī)范破壞性試驗(yàn)要求(適用于焊接熱輸入≤ 50 kJ/cm)

3 結(jié)束語

本文通過研究LR船級社規(guī)范，并參考DNV船級社規(guī)范及AWS標(biāo)準(zhǔn)，概述了在制定EH47BCA 型鋼材焊接工藝時(shí)，需考慮的因素及試板測試檢測的種類和方法，為該型鋼材實(shí)際運(yùn)用時(shí)焊接工藝的制定提供了參考。

[1] 于青,鄭生斌,楊建華，等. 集裝箱船用高止裂韌性厚鋼板的研制[J].金屬材料與冶金工程，2016，44(1):9-12.

[2] 荊洪陽,馬崇,樊立國，等.TMCP鋼焊接熱影響區(qū)局部脆化區(qū)斷裂韌度測試[J].焊接學(xué)報(bào)，2004,25(3):19-23.

[3] DNV. Ships/high speed,light craft and naval surface craft[S].2007.

[4] Lloyd’s Register. Rules for the manufacture testing and certification of Material[S].2013.

[5] IACS.Welding procedure qualification tests of steels for hull construction and marine structures[R].2005.

[6] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊：焊接方法及設(shè)備(第1卷)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

Standards of Thicker EH47BCA Welding Procedure

CHEN Yu

(School of Material Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)

With the increasing application of the thicker EH47BCA high strength steel plates on hull construction of future mega container ships, it is vital for the actual production to research the weld procedure of EH47BCA. Based on the rules of the IACS and classification societies, the welding procedure of EH47BCA regarding the requirements of design welding parameter, methods of testing for welding test plates and acceptance criteria are researched with reference to AWS etc. Reference is provided for shipyard to set up the welding procedure for EH47BCA.

BCA; welding procedure; class rule

陳 羽(1982-)，男，注冊驗(yàn)船師，從事國際航線新造船檢驗(yàn)工作

1000-3878(2017)02-0064-04

U671

A