40萬 t礦砂船CO2氣體保護焊與埋弧自動焊混合焊接工藝方法

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

CO2氣體保護焊優(yōu)點是變形比埋弧自動焊小，通常板厚小于20 mm材料基本采用CO2氣體保護焊焊接；埋弧自動焊具有焊縫外觀成型美觀，焊接質(zhì)量可靠、穩(wěn)定高效特點，不足之處在于薄板打底、填充變形比較大。所以在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物建造過程中，當材料板厚小于20 mm，通常采用CO2氣體保護焊打底、填充和埋弧自動焊蓋面的焊接工藝。40萬t礦砂船材料厚度49 mm,如果仍然采用上述方法焊接生產(chǎn)效率會降低。因此,40萬t礦砂船采用CO2氣體保護焊打底、2道填充與埋弧自動焊填充、蓋面混合焊接技術(shù)。

1 母材

40萬 t VLOC礦砂船全船88%以上的鋼板是EH36高強度鋼，材料板厚49 mm ，主要分布在甲板0.4L～0.6L區(qū)域內(nèi)，船體甲板結(jié)構(gòu)具有高應力和高疲勞強度的特點，EH36高強度鋼化學成分、力學性能見表1。

從表1中可見，EH36鋼碳當量為0.34%，焊接性一般。在板厚較大，焊接過程中冷卻速度較快，鋼材易于淬硬，需要預熱才能防止出現(xiàn)裂紋，因此，必須采用一定的焊接工藝措施才能保證焊接質(zhì)量[1]。

表1 EH36鋼材化學成分和力學性能

碳當量Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5=0.34%

2 焊接方法及設備

2.1 CO2氣體保護焊設備

焊接作業(yè)機型為YD-500CL5 CO2/MAG氣保焊機，該焊機采用載波控制技術(shù)，省去了控制電纜和遙控器電纜，減輕了遠距離作業(yè)時電纜的重量，減少了斷線故障，方便焊工作業(yè)，作業(yè)效率高，可追加碳弧氣刨和手弧焊功能[2]。

2.2 埋弧自動焊設備

埋弧自動焊焊機型號為MZ-1250，其優(yōu)勢明顯[3]，具有等速送絲方式和變速送絲方式功能，可滿足不同焊接工藝要求。

3 焊接材料

3.1 CO2氣體保護焊焊接材料

40萬 t VLOC礦砂船EH36鋼焊絲采用與船用低合金高強度鋼強度相匹配的CO2藥芯焊絲，牌號為GFL-71NI，焊絲直徑1.2 mm。

3.2 埋弧自動焊焊接材料

EH36以下材質(zhì)δ≤57 mm，選用焊絲CHW-S3、焊劑CHF101，焊材等級為3Y級；EH36及以上材質(zhì)δ≥57 mm選用焊絲H-14、焊劑S-707T，焊材等級為4Y級。當兩種低合金鋼焊接選用焊接材料時，應當選擇強度和母材相匹配的焊接材料。

CO2焊絲及埋弧焊絲一旦從包裝中拆出應盡快使用，如當天沒用完應放到干燥箱內(nèi)保管和儲藏，以免材料因受潮使焊接性能受到影響。

4 混合焊接技術(shù)要點

4.1 坡口加工

坡口加工采用等離子切割方法，坡口表面應均勻，盡量避免坡口表面產(chǎn)生嚴重的切割波紋。若切割過程中產(chǎn)生嚴重的切割波紋，應采用打磨的方法去除坡口面上的滲碳層。

4.2 焊前清理

焊前應保證坡口兩側(cè)各25mm范圍內(nèi)無銹蝕、氧化皮、水分等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤[4]。油污、油漆、潮氣可通過火焰烘烤，銹和氧化皮使用砂輪機去除。

4.3 CO2氣體保護焊打底技術(shù)

4.3.1 陶瓷襯墊粘貼技術(shù)

在焊縫背面粘貼陶瓷襯墊，應注意陶瓷襯墊中間紅線對準焊縫中心線，在每根陶瓷襯墊的銜接處，不可過于緊密。如果襯墊與襯墊之間接頭處過于緊密，焊接中會發(fā)生第一道打底過程襯墊下沉現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)：由于焊接過程熱循環(huán)固有特點以及陶質(zhì)襯墊和鋼與熱膨脹系數(shù)存在很大差異，使得襯墊之間擠壓下沉，所以襯墊與襯墊接頭處應留有0.5 mm間隙。對于焊縫背面貼襯墊側(cè)如出現(xiàn)板邊差或間隙過大，除壓實陶質(zhì)襯墊外，必要時可在陶質(zhì)襯墊背面加裝扁鐵，用于襯托陶質(zhì)襯墊不至脫落、漏渣。

陶瓷襯墊使用中應隨拆隨用，不得在空氣中長時間暴露，以免受潮影響焊接質(zhì)量。

4.3.2 預熱

預熱溫度是焊接淬硬傾向高的鋼材一個重要參數(shù)，焊前合理的預熱有力于焊縫中擴散氫的逸出，降低焊接接頭的冷卻速度，使焊縫增加細針狀鐵素體含量，焊縫中溶解的氫有時間擴散出去，以減少擴散氫含量，從而提高焊縫金屬韌性，防止脆硬的馬氏體組織，有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生[5]。

對礦砂船EH36材料制訂詳細的預熱方案，要求母材厚度為38 mm<δ≤65 mm,預熱溫度不低于65 ℃，溫度測量點為焊縫反面兩側(cè)各50 mm處。當鋼板厚≤38 mm時，常溫下可不需預熱。但環(huán)境溫度低于5 ℃時，焊縫兩側(cè)需加熱到50 ℃～70 ℃，當環(huán)境溫度低于0 ℃時，加熱到75℃～120 ℃后焊接，層間溫度不低于150 ℃[6]，對厚板焊縫預熱情況拍照片留底，所拍照片能清晰顯示預熱溫度；對預熱、層間溫度及焊厚保溫情況進行記錄，在焊接結(jié)束報驗前提交品保部門。

4.3.3 CO2氣體流量的設定

在焊接環(huán)境空氣靜止的情況下CO2氣體流量一般為15 L/min,在船體室外登高作業(yè)時最大不超過30 L/min(采用直徑20 mm噴嘴),使用擋風設施。當焊槍使用小直徑噴嘴燒深而窄坡口焊縫時，氣體流量要小一些;反之，焊槍使用大直徑噴嘴燒焊時氣體流量要大一些。

4.3.4 CO2氣體保護焊打底層操作技術(shù)

打底層焊接。采用月牙形擺動焊接法和鋸齒形擺動焊接法。板厚超過18 mm，根部間隙(12 mm以上)可采用月牙形擺動焊接法，擺動時保持熔池水平位置，電壓不宜過大，以保證反面成型良好。板厚在18 mm以內(nèi)，根部間隙為8～12 mm是采用鋸齒形擺動焊接法，使熔池確保在焊縫溶池中心線的位置，以保證根部成型良好[7]。

在保證能夠熔透的前提下盡可能采取小電流焊接，減少焊接線能量，因為厚板打底層很容易在焊縫中心位置出現(xiàn)熱裂紋。焊接參數(shù)：CO2打底I=190 A，U=27 V，填充I=260 A，U=30 V，蓋面I=250 A，U=30 V?，F(xiàn)場焊接觀察發(fā)現(xiàn)藥芯CO2焊絲單道焊接，焊縫焊的越厚越容易產(chǎn)生熱裂紋，焊縫厚度應控制在5 mm以下。

實驗表明，進行陶瓷襯墊單面焊雙面成型打底層焊時，焊絲位置指向熔池位置過于靠前，襯墊成分過多的熔入焊縫金屬，導致打底層低溫沖擊吸收功較低[8]。所以焊接時應將焊絲指向熔池1/3處。

用CO2氣體保護焊進行打底焊，嚴格按照產(chǎn)品WPS焊接規(guī)范，根據(jù)坡口間隙，焊槍應作適當?shù)臄[動，以保證根部坡口兩側(cè)熔合良好，避免出現(xiàn)未焊透缺陷[9]。

4.3.5 CO2氣體保護焊打底厚度

CO2氣體保護焊打底厚度的估算決定了CO2氣體保護焊與埋弧自動焊混合焊接的高效率，CO2氣體保護焊打底層過厚就會生產(chǎn)效率低，反之，打底過薄埋弧自動焊會燒穿打底層。

由于厚板埋弧自動焊填充采用多層多道，焊絲直徑4.8 mm，打底完成后坡口間隙(b)為15≥b≥10 mm時，打底層厚度h≥10 mm不會焊穿(埋弧自動焊I=650 A、U=27 V、V=45 m/h)。當間隙b≥15 mm時，打底層厚度h≥13 mm不會焊穿(埋弧自動焊I=650 A、U=28 V、v=40 m/h)。

影響打底層厚度的變量還有焊縫斜角α。上坡焊隨著斜角α的增加隨重力引起熔池向后流動，母材的邊緣熔化并流向之間，對坡口側(cè)沖刷作用易形成咬邊，熔深增加，熔寬減小，余高增加。所以甲板面合攏焊縫CO2氣體保護焊打底層厚度應增加2 mm，防止焊穿。

4.4 埋弧自動焊填充蓋面操作技術(shù)

4.4.1 打底層的要求

CO2氣體保護焊打底結(jié)束一般焊縫形貌較平整，會使埋弧自動焊填充第一道打底因坡口角度、精度差易發(fā)生坡口側(cè)咬邊或未熔合、另一側(cè)焊趾卷邊或脫渣困難，主要原因為見表2。

表2 焊接缺陷產(chǎn)生的原因

上述缺陷在埋弧自動焊填充第一道焊縫時極易發(fā)生，通過CO2氣體保護焊打平至預定厚度后在坡口一側(cè)加一道平角焊。使坡口另一側(cè)形成類似于船形焊形式，當埋弧自動焊焊絲指向船形根部施焊，采用合適的焊接參數(shù)，使焊接產(chǎn)生上述缺陷的概率減小95%以上。實踐證明通過該工藝措施可以有效地避免上述缺陷產(chǎn)生。

4.4.2 起、收弧的疊加

由于工況條件、船體結(jié)構(gòu)影響等，會存在自動化焊接作業(yè)過程中產(chǎn)生疊加接頭，整體形成約α=30°的斜角，每一層起弧錯開20 mm。每道收弧應預留上一層約25 mm。見圖1。

4.4.3 埋弧自動焊多道蓋面

蓋面第一道應選擇焊縫的坡口邊緣，焊道蓋住坡口邊3 mm為宜，焊道寬度C≤26 mm見圖2

圖1 焊縫接頭處理

(焊絲直徑為4.8mm)，當焊道寬度C≥26 mm時，表面粗糙度增加，埋弧自動焊電弧變得不穩(wěn)定。

圖2 焊道寬度

蓋面第二道焊絲伸出位置指向第一道焊趾位置再向第一道調(diào)3 mm，使第2道完好地覆蓋住第一道的最高點，見圖3。焊縫整體更圓滑，減小焊縫應力集中，以此類推直至蓋面結(jié)束，見圖4。

圖3 第二道焊絲位置 圖4 焊縫蓋面

4.4.4 余高要求

焊縫的余高使焊縫的橫截面增加，承載能力提高但卻使焊趾處會產(chǎn)生應力集中；通常要求余高不能低于母材，最大不超過4 mm。

4.4.5 焊后熱處理

焊后及時進行消除應力的后熱處理，在焊接完成或停止后，立即將焊件后熱到230～250 ℃，并按每毫米板厚不少于5 min進行恒溫處理后緩冷且總的保溫時間不得小于2 h，此后應用保溫棉覆蓋緩慢冷卻至環(huán)境溫度，確保焊接接頭中的殘余氫能擴散逸出[10]，最大限度減少裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

通過分析40萬t VLOC礦砂船EH36鋼板厚49 mm材料性能，采用CO2氣體保護焊與埋弧自動焊混合高效焊接操作方法并針對兩種焊接方法在打底、填充、蓋面工藝中所產(chǎn)生的焊接問題進行工藝優(yōu)化，最大限度避免焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接質(zhì)量明顯提升，生產(chǎn)效率有較大的提高。