從設計角度談大線能量焊接用鋼的應用

顧軍軍， 顧黎軍

(上海江南長興造船有限責任公司， 上海 201913)

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從設計角度談大線能量焊接用鋼的應用

顧軍軍， 顧黎軍

(上海江南長興造船有限責任公司， 上海 201913)

大線能量焊接用鋼和雙絲垂直氣墊焊作為一種新工藝的組合，能提高生產(chǎn)效率，但鋼板和焊絲主要由國外進口。以縮短造船周期及降低采購成本為目的，結(jié)合材料的特性，通過計算及放樣的方式將此新工藝進行設計細化，保證在生產(chǎn)計劃之前下達訂貨依據(jù)，有效縮短造船周期，降低船企的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

大線能量焊接用鋼；設計；鋼材

0 概述

以9 400箱集裝箱船為例，在船體搭載階段，厚板的立對接焊縫長度達80 m。使用常規(guī)的CO2氣體保護焊進行焊接，需先進行預熱處理，預熱溫度要求120～180 ℃，然后再進行焊接，焊接80 m長的焊縫需要640個工時，相當于4個電焊工近1個月的工作量。在引進雙絲垂直氣墊焊后，基本實現(xiàn)一次成型，有效提高焊接質(zhì)量，大幅節(jié)省焊接工時。但由于雙絲垂直氣墊焊的線能量太高，因此需配合大線能量焊接用鋼一起使用，且可免去預熱工序，直接使用雙絲垂直氣墊焊進行焊接。但大線能量焊接用鋼及雙絲垂直氣墊焊焊接材料都由日本進口，材料成本很高。如何科學合理地使用大線能量焊接用鋼及雙絲垂直氣墊焊，設計時需從多方面考慮，本文簡要分析大線能量焊接用鋼在現(xiàn)場實際應用中的控制。

1 設計階段

1.1 雙絲垂直氣墊焊

雙絲垂直氣電焊(Vertical Elector-Gas Welding with Double Wire, EGW)以CO2作為保護氣體，通過2個送絲器同時送絲進行焊接。焊接過程中打底電極不擺動，蓋面電極擺動，形成的熔池金屬填滿整個坡口，并通過襯墊和水冷銅滑塊分別對焊縫進行冷卻并使其成型，從而使立對接焊縫達到一次焊接雙面成型的效果。EGW技術(shù)對坡口精度要求較高，目前采取單邊坡口角度為10° 的V型坡口，坡口間隙控制在7～10 mm。采用EGW工藝將使焊接線能量增加，最大可達600 kJ/cm，對于母材的性能要求極高。

1.2 大線能量焊接用鋼

大線能量焊接用鋼在軋制過程中采用了熱機械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process， TMCP)技術(shù)，使得鋼材在既不添加過多合金元素，也不進行復雜后續(xù)熱處理的條件下，也能夠獲得足夠的強度和韌性。因此，鋼中的含碳量可大幅減少，從而降低碳當量Ceq值，提高焊材的可焊性，大線能量焊接用鋼焊前也無需像正火鋼那樣進行120℃以上的預熱。

目前，日本JFE公司采用的EWEL技術(shù)和新日鐵公司采用的HTUFF技術(shù)以及國內(nèi)寶鋼采用的氧化冶金技術(shù)等都是針對大線能量焊接用鋼焊接條件下開發(fā)的提高焊接接頭韌性的關(guān)鍵技術(shù)，且上述公司都具有批量生產(chǎn)大線能量焊接用鋼的能力。這也讓EGW在實船上的推廣應用具備了基本條件。

1.3 生產(chǎn)設計

由于大線能量焊接用鋼及EGW具有不同的特點，設計時需有針對性地考慮此類材料在生產(chǎn)階段實際應用的情況。

2 設計過程

通過對板規(guī)、坡口形式、精度以及焊接材料等多方面的展開，將大線能量焊接用鋼的使用進行設計分解，詳細描述從設計階段到現(xiàn)場生產(chǎn)的過程。

2.1 板規(guī)控制

目前上海江南長興造船有限責任公司鋼板起重能力為20t，預處理長度為4.2m，結(jié)合以上特性，在生產(chǎn)設計過程中需嚴格控制大線能量焊接用鋼的規(guī)格，以免造成鋼板無法處理。根據(jù)詳細設計提供的材質(zhì)板規(guī)，挑選抗扭箱區(qū)域材質(zhì)等級為EH36～EH40、厚度為55～68mm的搭載焊縫兩邊鋼板作為大線能量焊接用鋼，寬度控制在2 600mm以內(nèi)，重量控制在20t以內(nèi)。如表1所示。

表1 9 400 箱大線能量焊接用船體鋼材部分訂貨清單

由于大線能量焊接用鋼的采購成本高，因此生產(chǎn)設計階段需要將所有此類板進行優(yōu)先套料后訂貨，保證訂貨鋼板的使用率都達到98%以上，并且在圖紙上標明此板為大線能量焊接用鋼的字樣，防止一切可能導致生產(chǎn)部門使用錯誤的情況發(fā)生，且圖面上詳細描述坡口開設的方式，并標注零件大小、流向等信息，保證現(xiàn)場的切割數(shù)據(jù)完整、清晰。版圖及切割指令到達生產(chǎn)部門后，生產(chǎn)部門可按照圖面信息及切割指令制作出正確的零件，如圖1和圖2所示。

圖1 切割版圖圖面信息

圖2 火焰切割現(xiàn)場以及切割邊檢查

2.2 坡口形式

由于EGW在國內(nèi)使用較少，故對其焊接的各項性能指標均需重新制定。在設計階段就需要考慮使用何種焊材等級及坡口形式，以指導焊接試驗室制定相應的工藝評定實驗(Welding Procedure Specification， WPS)。

根據(jù)DNV GL船級社的規(guī)范要求，此類TMCP鋼的焊材等級需高于4Y40，因此在焊接大線能量焊接用鋼(≥50 mm)時，選擇5Y40V等級的焊絲，進一步考慮到實際生產(chǎn)及焊接質(zhì)量等因素，選擇DW-S50GTR與DW-S50GTF這2種焊絲，JN-1001作為襯墊進行焊接試驗。通過制作船體焊接規(guī)程表從設計源頭控制整個WPS的過程，并進行監(jiān)控。如圖3所示。

圖3 船體焊接基本規(guī)程

完成WPS并得到船級社認可后，將此類坡口通過編程，導入設計軟件。生產(chǎn)設計人員按照規(guī)則將此類坡口建模，現(xiàn)場根據(jù)設計提供的參數(shù)，切割出相應的坡口，如圖4所示。

圖4 坡口切割現(xiàn)場及角度檢查

2.3 精度

在鋼板理論設計的基礎(chǔ)上，由于焊接過程必有收縮，在板零件上加放相應的收縮量，使焊接完成后的板零件達到理論尺寸，并且在分段首部加放部分余量供搭載階段進行修正。

2.4 焊接材料

減少焊材的浪費也是設計階段必須考慮的因素之一，設計對EGW的焊縫進行統(tǒng)計，并根據(jù)焊材消耗的單位面積的計算方式：

式中：W為焊接材料需求量，g；A為截面積，cm2；ρ為密度，g/cm2；一般情況下，碳鋼密度為7.8g/cm2，Cr-Ni不銹鋼為7.9g/cm2，Cr-Ni-Mo不銹鋼為8.0g/cm2，鎳及鎳合金為8.9g/cm2;η為熔敷效率，一般情況下，焊條為55%，TIG/MIG/MAG/CO2為95%，藥芯焊絲為85%，埋弧焊絲為99%。

焊接截面積一般可分為對接形式及角接形式：

(1) 對接形式。如圖5所示。

圖5 對接形式

(2) 角接形式。如圖6所示。

圖6 角接形式

根據(jù)上述計算方法，并結(jié)合船體結(jié)構(gòu)中所用到的垂直氣墊焊區(qū)域面積，進行定額核算。表2為焊接長度的統(tǒng)計。

表2 EGW焊接長度統(tǒng)計 m

3 結(jié)論

在生產(chǎn)設計過程中，需要多方面考慮問題，將未使用過的材料及使用量進行嚴格的控制。大線能量焊接用鋼從訂貨開始，都是進口產(chǎn)品，訂貨周期較長。因此，通過以上幾個方面的考慮，將工藝、訂貨量層層分解，提供訂貨相應的依據(jù)，保證訂貨的同時，也控制了成本，以達到精藝設計的目的。

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Application of Large Energy Welding Steel from Design Perspective

GU Junjun, GU Lijun

(Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

Double wire vertical electro-gas welding and steel for high input energy welding are combined as a new process, which can improve production efficiency. But the steel and welding wire is mainly imported from abroad. In order to shorten the shipbuilding cycle and reduce the purchase cost, combined with the characteristics of the material, the design and refinement of the new process are carried out by means of calculation and lofting. It can ensure that the order is issued before the production plan is issued. This project can effectively shorten the shipbuilding cycle, reduce the production costs and improve economic efficiency.

high input energy welding； design； steel

顧軍軍(1984-)，男，工程師，從事船體生產(chǎn)設計等工作

1000-3878(2017)03-0076-05

U671

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