船用大厚度鋼板FCB法與單絲埋弧焊混合焊工藝研究

趙立蘇，蔡莼，徐飛

上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

隨著造船技術(shù)的快速發(fā)展和市場(chǎng)需求的轉(zhuǎn)變，建造的船舶噸位越來越大，一般強(qiáng)度級(jí)別的A/B級(jí)鋼板已不能滿足用戶和市場(chǎng)的需求，因此在船舶建造中使用DH/EH等級(jí)的高強(qiáng)度鋼越來越多。本文中49mm船用大厚度EH36鋼的高效焊接工藝研究，主要針對(duì)上海外高橋造船有限公司在建產(chǎn)品40萬t VLOC礦砂船甲板分段的焊接。由于板厚達(dá)到49mm，超過FCB法38mm的最大焊接厚度，通常只能采用單絲埋弧焊（SAW）雙面焊接，此方法不能有效利用平直車間流水線的FCB法焊接拼板、縱骨安裝及16電極高速焊工位的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。為了充分利用FCB法焊接流水線作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，提高生產(chǎn)效率，將現(xiàn)有的FCB法工藝進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，針對(duì)49mm厚度EH36鋼進(jìn)行FCB法+SAW混合焊工藝可行性進(jìn)行研究。

FCB法是在平面分段流水線上進(jìn)行拼板焊接的一種高效焊接方法，其原理是在銅襯墊上撒上一層底層焊劑，并將其緊貼在焊件的坡口背面，在表面用兩個(gè)或三個(gè)電極進(jìn)行埋弧焊的一種高效焊接工藝[1，2]。

2 焊接性分析

（1）母材的焊接性 EH36高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分見表1。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)的碳當(dāng)量公式，計(jì)算得到EH36高強(qiáng)度鋼的Ceq＝0.41%。當(dāng)Ceq＝0.41%～0.6%時(shí)，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，再加上此鋼對(duì)低溫沖擊性能具有較高的要求，因此EH36高強(qiáng)度鋼要獲得滿意的焊縫，必須采取相應(yīng)的措施：①采取合適的焊接工藝。②選擇合理的焊接材料。③選擇合理的焊接參數(shù)。

表1 EH36高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（2）焊接材料的選用 EH36鋼屈服強(qiáng)度≥355MPa、抗拉強(qiáng)度≥490MPa，而焊接材料應(yīng)選擇與母材等級(jí)相匹配的焊材，因此正面FCB法焊接材料選用日本神鋼焊絲（3Y級(jí)），牌號(hào)為US-36，規(guī)格分別為φ4.8mm、φ6.4mm；表面焊劑為PF-I55E、背面焊劑為PF-I50R。而反面SAW經(jīng)過多次試驗(yàn)最終采用伊薩5Y級(jí)焊材：焊絲牌號(hào)為OK Autrod 13.27、規(guī)格為φ4mm；焊劑為OK Flux10.62。焊材的化學(xué)成分見表2。

表2 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 焊接工藝過程

（1）焊接坡口與焊道設(shè)計(jì) EH36試板尺寸為2000mm×1500mm×49mm，試板為Y形坡口，如圖1所示。試板坡口、焊縫兩側(cè)20mm要打磨去除底漆和氧化皮，打磨好后進(jìn)行試板定位拼裝。

圖1 坡口示意

為保證焊接質(zhì)量，防止裂紋產(chǎn)生，焊前采用火焰加熱或電加熱對(duì)坡口進(jìn)行65℃預(yù)熱。正面FCB法焊接完成后，試板翻身，反面焊縫采用碳弧氣刨清根，然后利用砂輪機(jī)把焊縫兩側(cè)20mm范圍內(nèi)和坡口內(nèi)的氧化皮等雜質(zhì)清除干凈。反面進(jìn)行SAW焊接，焊接5道即可完成，如圖2所示。

圖2 焊接示意

（2）焊接參數(shù) FCB法采用三絲進(jìn)行單面焊接，焊絲的位置要求：前絲L向前傾斜15°，中絲T1垂直，后絲T2向后傾斜5°。三根焊絲的伸出長度分別為：前絲35mm、中絲45mm、后絲55mm；另外三絲之間的間距如圖3所示。

圖3 焊絲的位置

FCB法三絲焊接電源極性分別是：前絲L、中絲T1直流反接，后絲T2交流電源，單絲埋弧焊直流反接。通過多次反復(fù)試驗(yàn)，總結(jié)出了適合該工藝的焊接參數(shù)，見表3。

表3 FCB法+單絲埋弧焊焊接參數(shù)

4 焊接結(jié)果分析

（1）焊縫外觀和無損檢測(cè) 焊接結(jié)束后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫表面成形均勻并平滑向母材過渡，無裂紋、焊瘤和咬邊等焊接缺陷（見圖4）。24h后進(jìn)行超聲波與磁粉檢測(cè)，焊縫內(nèi)部不存在任何缺陷。

圖4 焊縫外觀形貌

隨后進(jìn)行宏觀金相分析、力學(xué)性能試驗(yàn)及硬度測(cè)試。焊縫斷面宏觀檢查應(yīng)顯示完全焊縫、無裂紋?？估瓘?qiáng)度應(yīng)不低于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度；彎曲試樣的受拉表面應(yīng)不出現(xiàn)超過3mm的裂紋或其他裂紋（彎頭直徑4t，彎曲角度180°）；低溫沖擊試驗(yàn)溫度為-20℃，焊接接頭平均沖擊吸收能量≥34J。

焊接接頭宏觀樣貌如圖5所示，未發(fā)現(xiàn)裂紋和其他缺陷。

圖5 焊接接頭宏觀樣貌

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4～表6，由此可知，拉伸試樣斷裂部位為母材，焊接接頭抗拉強(qiáng)度均高于母材；彎曲試樣未產(chǎn)生裂紋或其他缺陷，表明焊接接頭連續(xù)、致密，塑性好；熱影響區(qū)及母材的低溫沖擊性能均符合船級(jí)社規(guī)范驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

硬度測(cè)試點(diǎn)位置分布如圖6所示，焊接接頭硬度值見表7。由表7可知，接頭硬度值均＜350HV，滿足規(guī)范要求。

圖6 硬度測(cè)試點(diǎn)位置分布

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 焊接接頭硬度值 （HV）

5 結(jié)束語

通過試驗(yàn)證明，49mm厚船用大厚度EH36高強(qiáng)度鋼采用FCB+SAW焊接工藝方法后，各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)異，滿足船級(jí)社規(guī)范要求。該工藝的成功開發(fā)，可充分利用流水線的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，并在公司系列40萬t VLOC礦砂船中得到了成功應(yīng)用，充分說明該工藝的可行性和實(shí)用性。在不增加硬件設(shè)施的同時(shí)，通過工藝改進(jìn)和創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)有資源，仍然可以大幅度地提高產(chǎn)品的建造效率，降低生產(chǎn)成本，因此在行業(yè)中具有較好的推廣應(yīng)用前景。