某船中修主船體材料替代試驗(yàn)分析

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(1.海軍工程大學(xué) 科研部，武漢 430033；2.4806廠，浙江 舟山 316000)

某型艦船主船體原用鋼材(A鋼)是國外進(jìn)口鋼材，經(jīng)濟(jì)性差、訂貨周期長，不能滿足該型船板材修換要求，若可以采用國產(chǎn)鋼進(jìn)行替換，將大大縮短修理周期。依據(jù)該型船的使用要求，擬選用某國產(chǎn)鋼材(B鋼)作為替換鋼材。為驗(yàn)證國產(chǎn)B鋼作為替代鋼的可行性，考慮首先對兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行分析，之后選取合理工藝參數(shù)、采用國產(chǎn)B鋼藥芯焊絲焊接2種鋼材，得到了相應(yīng)的焊接接頭。在對兩種材料進(jìn)行焊接時，焊接工藝是影響替換后結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素[1-2]，選取合理的焊接工藝參數(shù)是發(fā)揮材料力學(xué)性能和得到良好焊接性能的前提，當(dāng)工藝參數(shù)匹配不合理時，焊縫會出現(xiàn)氣孔、背部塌陷、或未焊透等缺陷[3-5]。為此，針對焊接接頭進(jìn)行韌性、力學(xué)性能、抗裂性和抗腐蝕性等試驗(yàn)，從材料自身性能和焊接接頭性能兩個方面對國產(chǎn)B鋼替代原引進(jìn)A鋼的可行性進(jìn)行分析。

1 鋼材成分與力學(xué)性能分析

該船原鋼材厚度為10 mm，選用與原鋼材厚度一致的B鋼材進(jìn)行材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分析。

1.1 化學(xué)成分分析

2種鋼材的化學(xué)成分見表1。

表1 鋼材化學(xué)成分 w/%

由表1可以看出，磷、鎳和決定鋼材性能的碳等成分在兩種材料中占比基本相同，A鋼材中的硫成分占比明顯高于B鋼材，而硫?qū)τ阡摬氖且环N有害元素，較多的硫元素能夠顯著地降低鋼材的塑性和韌性，而且B鋼材中含有鈦元素，鈦元素可以改善鋼材組織、細(xì)化晶粒，有利于提高材料的強(qiáng)度和韌性。

1.2 力學(xué)性能分析

分別對厚度為10 mm的A、B 2種鋼材進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 材料的力學(xué)性能

注：Rp0.2為規(guī)定非比例伸長率為0.2時的強(qiáng)度；Rm為抗拉強(qiáng)度；A為斷后伸長率，KV2為-40 ℃下的沖擊功。

由表2中靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出， B鋼的Rp0.2和Rp0.2值均高于A鋼；由低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看出，B鋼的抗沖擊能力優(yōu)于A鋼。結(jié)合2種材料的化學(xué)成分可知：2種材料的化學(xué)成分相近，但是B鋼的的力學(xué)性能優(yōu)于A鋼。

2 焊接接頭性能試驗(yàn)分析

2.1 焊接工藝參數(shù)

選擇合理的焊接工藝參數(shù)才能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，試驗(yàn)中選用B鋼藥芯焊絲，其化學(xué)成分見表3。

分別采用平焊、立焊和橫焊對A鋼和B鋼進(jìn)行焊接，并對焊接接頭進(jìn)行了分析，針對每種焊接方式選取了合適的焊接工藝參數(shù)，見表4。

表3 B鋼藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分 w/%

表4 焊接工藝參數(shù)

2.2 韌性試驗(yàn)分析

材料韌性是衡量其焊接性能的一個重要指標(biāo)，金相組織成分能很好地體現(xiàn)材料的韌性。采用電子顯微鏡分別對平焊、立焊對接接頭金相組織進(jìn)行分析，見圖1。

由圖1可知，平焊和立焊中，2種材料焊縫金屬都存有針狀、塊狀鐵素體和粒狀貝氏體，以及少量的先共析鐵素體；在平焊和立焊下，A鋼和B鋼側(cè)粗晶區(qū)都存有粒狀貝氏體，但是A鋼在平焊中粒狀貝氏體較少，B鋼是立焊中的粒狀貝氏體較少。此外，采用的藥芯焊絲使焊接的焊縫金屬中有較高含量的針狀鐵素體，這也保證了焊接接頭具有較高的沖擊韌性。由金相組織分析結(jié)果可知，2種焊接接頭對應(yīng)區(qū)域的組織差別不大，焊接接頭的韌性滿足使用要求。

2.3 焊接接頭的力學(xué)性能分析

對3種焊接方式下得到的焊接接頭開展靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接接頭強(qiáng)度滿足要求，板拉伸斷裂位置均在A鋼側(cè)部位的熱影響區(qū)(HAZ)；從接頭冷彎性能試驗(yàn)可知，橫焊接頭的正彎試樣不合格，在彎至約90°時在A鋼的HAZ位置表面出現(xiàn)微裂紋，彎至150°時斷裂。綜合靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，A鋼一側(cè)的熱影響區(qū)為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

2.4 焊接接頭抗裂性試驗(yàn)分析

為評價可拆板、局部修補(bǔ)等大拘束部位焊接接頭的抗裂性，采用窗形拘束焊接裂紋試驗(yàn)方法考察接頭的抗裂性能。

試驗(yàn)在0 ℃×90%RH、30 ℃×90%RH 2種苛刻的環(huán)境條件下進(jìn)行。2種環(huán)境條件焊接時均不預(yù)熱，只是用乙炔焰烘干坡口內(nèi)水汽。焊接過程中每焊完一道觀察焊縫的表面裂紋情況，焊接完成后刨掉試板，采用X射線探傷檢測焊接接頭的焊接質(zhì)量。結(jié)果表明，焊接過程中焊縫表面未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，X射線探傷結(jié)果顯示焊縫質(zhì)量良好，2種焊接接頭均達(dá)到了GB/T 3323[6]規(guī)定的I級要求。之后，分別將接頭在焊縫中心線、距中線線5 mm處剖開，發(fā)現(xiàn)接頭內(nèi)部沒有裂紋產(chǎn)生。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，A鋼與B鋼的焊接時，在0 ℃以上可不需預(yù)熱焊接，接頭的抗裂性能滿足使用要求。

2.5 焊接接頭耐腐蝕性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)并評估接頭的耐腐蝕性能，進(jìn)行焊縫金屬腐蝕電位測定與焊接接頭室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)。

參照Q/725—1270—2010《金屬材料自然腐蝕電位測試方法》進(jìn)行焊縫金屬腐蝕電位測定試驗(yàn)。腐蝕電位測量是在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行的，參比電極為甘汞電極，試驗(yàn)溫度為室溫(25±2) ℃，每天測量一次。經(jīng)過15 d腐蝕電位測量，取后5組數(shù)據(jù)的平均值作為穩(wěn)定腐蝕電位，得到焊縫金屬的穩(wěn)定腐蝕電位為-704.47 mV，A鋼為-713.0 mV，B鋼為-690.0 mV。

焊接接頭的加速腐蝕試驗(yàn)參照J(rèn)B/T7901—1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》進(jìn)行。經(jīng)過720 h腐蝕試驗(yàn)后，去掉試樣表面腐蝕產(chǎn)物后，表面形態(tài)見圖2。

可以看出，試驗(yàn)鋼表面均屬于不均勻全面腐蝕，焊接接頭連接處比基體腐蝕略微嚴(yán)重，兩側(cè)基體腐蝕程度也不相同。試樣腐蝕后測得3個試樣的B鋼基體側(cè)的平均厚度為2.95 mm，A鋼基體側(cè)的平均厚度為2.92 mm，焊縫的平均厚度為2.92 mm?？梢钥闯?，B鋼基體、A鋼基體以及焊縫金屬三部分的腐蝕深度與測定的腐蝕電位數(shù)據(jù)規(guī)律是一致的。

由焊縫金屬腐蝕電位測定與接頭室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可知：焊縫金屬、B鋼的腐蝕電位均低于A鋼的腐蝕電位，因此采用B鋼藥芯焊絲焊接A鋼與B鋼，不會引起B(yǎng)鋼和焊縫金屬的加速腐蝕。

3 結(jié)論

1)國產(chǎn)鋼材與該船原用引進(jìn)鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能近似，且國產(chǎn)鋼材的強(qiáng)度更高。

2)在焊接接頭性能方面，采用B鋼藥芯焊絲焊接原用引進(jìn)A鋼與國產(chǎn)B鋼能夠獲得合格的焊接接頭，接頭的韌性、力學(xué)性能、抗裂性和抗腐蝕性都能滿足要求。

3)國產(chǎn)連鑄B鋼與原A鋼匹配后有良好的力學(xué)及焊接性能，某船主船體中修時采用國產(chǎn)B鋼替代國外引進(jìn)A鋼是可行的。

[1] TABATABAEIPOUR M, HETTLER J, DELRUE S, et al. Non-destructive ultrasonic examination of root defects in friction stir welded butt-joints[J]. NDT and E international,2016.

[2] Eugeniusz Ranatowski. The influence of the constraint effect on the mechanical properties and weldability of the mismatched weld joints[J]. Polish maritime research,2012,19(2).

[3] 趙金超,齊歡,王平,等.基于多智能體的艦船維修系統(tǒng)建模技術(shù)研究[J].船海工程,2007,36(1):125-129.

[4] 張敏,王普,劉娟娟,等.D406A鋼和20鋼異質(zhì)接頭的顯微組織和力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料,2016(12):87-91.

[5] 楊智問,亓安芳,陸權(quán)森,等.國產(chǎn)SA-302C材料及工藝試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù),2009(4):57-62,66.

[6] 金屬熔化焊焊接接頭射線照相(GB/T3323—2005)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.