垂直氣電焊工藝在客滾船建造中的應(yīng)用探索

劉亞偉，李兆霞，黃瓊，秦永剛

廣船國際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

垂直氣電焊作為一種大熱輸入的高效焊接方法已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外船舶、鋼結(jié)構(gòu)焊接中，具有單面焊雙面成形、熔敷效率高、焊接速度快、焊接過程穩(wěn)定、焊縫成形均勻及焊接質(zhì)量好等優(yōu)點。同時，垂直氣電焊自身也存在一些缺點，如焊前準(zhǔn)備工作多、坡口質(zhì)量及其裝配要求高、焊接熱源集中，以及焊接熱輸入是一般埋弧焊的3～4倍，易引起焊接接頭脆化，導(dǎo)致接頭韌性降低，特別是有低溫要求的鋼材[1]。

客滾船因自身重量、重心和穩(wěn)定性的控制要求，其車庫和上建部分區(qū)域外板多采用7～10mm厚的AH36級船用高強鋼建造。由于客滾船車庫和上建區(qū)域外板分段總組、搭載過程中立對接縫適用的自動焊方法有限，因此7～10mm厚AH36級船用高強鋼外板立對接焊縫已成為客滾船總組與搭載階段高效、自動焊接應(yīng)用難點之一。

結(jié)合國內(nèi)外船企客滾船建造經(jīng)驗，客滾船總組、搭載階段立對接縫主要焊接方法包括：陶瓷襯墊 CO2氣體保護半自動焊和陶瓷襯墊CO2氣體保護自動焊。

上述焊接方法在焊縫成形、焊接質(zhì)量、焊接效率等方面都存在各自的不足。因此，結(jié)合垂直氣電焊工藝主要應(yīng)用于船舶分段總組、搭載時立對接縫焊接，且焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等特點[2]，提出垂直氣電焊在客滾船外板立對接縫焊接中的研究與應(yīng)用，對提高客滾船外板焊接質(zhì)量和效率，推進國內(nèi)客滾船建造技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 試驗研究與工藝評定

垂直氣電焊通常用于11～80mm厚低碳鋼和高碳鋼的焊接[3，4]，若將垂直氣電焊應(yīng)用于7～10mm厚AH36級船用高強鋼立對接縫中，則需要在保證焊接質(zhì)量的前提下減小焊接熱輸入和焊縫尺寸。

2.1 試驗條件選擇

結(jié)合9mm厚鋼板垂直氣電焊焊接經(jīng)驗[4]，試驗所用焊接參數(shù)見表1。垂直氣電焊坡口和焊縫成形如圖1所示。

圖1 垂直氣電焊坡口和焊縫成形

表1 試驗所用焊接參數(shù)

為提高厚度為7～10mm板的垂直氣電焊焊縫成形質(zhì)量，減少焊接變形，應(yīng)適當(dāng)減小坡口寬度、增加焊接速度，達到減小焊縫尺寸與焊接熱輸入的目的。減小焊縫正面寬度主要依靠減小坡口角度和縮小垂直氣電焊銅滑塊的寬度[3]，減小焊縫背面寬度主要依靠調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。

綜合考慮厚度為9mm板的垂直氣電焊工藝經(jīng)驗，將坡口尺寸、焊接速度、銅滑塊尺寸作為試驗對象來研究7～10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊工藝。

（1）坡口形式與裝配間隙 結(jié)合客滾船7～10mm厚AH36級船用高強鋼外板立對接CO2半自動焊坡口形式，以及垂直氣電焊減小坡口尺寸和焊接熱輸入量的要求，保持現(xiàn)有7～10mm厚外板立對接縫CO2半自動焊坡口形式、尺寸和裝配要求，厚度為10mm板的垂直氣電焊試驗坡口形式、尺寸和裝配示意如圖2所示。

圖2 垂直氣電焊坡口形式、尺寸和裝配示意

（2）焊接設(shè)備與焊接材料 焊接設(shè)備選擇松下KHII600型垂直氣電焊設(shè)備；焊接材料選擇韓國現(xiàn)代φ1.6mm的SC-EG2 Cored藥芯焊絲；剛性陶瓷襯墊選擇神鋼KL-4；保護氣選擇純度≥99.8%的CO2氣體；板材選擇10mm厚AH36級船用高強鋼，交貨狀態(tài)為TMCP。銅滑塊凹槽尺寸隨坡口寬度減小而減小，焊接用銅滑塊和陶瓷襯墊凹槽尺寸見表2。

表2 垂直氣電焊銅滑塊、陶瓷襯墊凹槽尺寸（mm）

（3）焊接參數(shù) 根據(jù)厚度為9mm板的垂直氣電焊焊接參數(shù)[4]，并結(jié)合提高焊接速度來減小焊接熱輸入的要求，預(yù)設(shè)厚度為10mm板垂直氣電焊試驗焊接參數(shù)見表3。

表3 預(yù)設(shè)試驗焊接參數(shù)

通過多次試驗研究和對試驗參數(shù)的不斷改進，得到能滿足焊縫成形和焊接質(zhì)量要求的10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊焊接參數(shù)，見表4。

表4 10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊適用焊接參數(shù)

2.2 焊縫成形與焊接質(zhì)量

10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊焊縫經(jīng)100%VT、MT、RT檢測，結(jié)果合格，焊縫無氣孔、夾渣、裂紋及未焊透等缺陷。焊縫正反面成形均勻、光亮，焊縫外觀成形和尺寸（見圖3）滿足相關(guān)要求。

圖3 焊縫成形和尺寸

2.3 焊縫力學(xué)性能

（1）沖擊試驗 在表面焊縫中心（Cap WM）、熔合線（Cap FL）、熔合線+2mm（Cap FL+2）、熔合線+5mm（Cap FL+5）位置取樣，進行20℃沖擊試驗，沖擊性能試驗數(shù)據(jù)見表5。按船級社規(guī)范換算成10mm×10mm×55mm試驗沖擊吸收能量，最小沖擊吸收能量為45.6J，平均沖擊吸收能量為65.2J，完全滿足船級社規(guī)范最低值34J的沖擊要求。

表5 接頭不同位置V型缺口沖擊吸收能量

與CO2半自動焊相比，10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊焊接接頭20℃沖擊吸收能量有明顯降低。經(jīng)分析，原因是垂直氣電焊焊接熱輸入量較大，焊接接頭熱影響區(qū)寬度增加，焊接熱循環(huán)影響時間增長，組織晶粒粗大，導(dǎo)致接頭性能變差[5，6]。10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊與CO2半自動焊立對接接頭的20℃沖擊試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 垂直氣電焊與CO2半自動焊立對接接頭沖擊試驗結(jié)果

（2）橫向拉伸試驗 抗拉強度滿足船級社規(guī)范要求，斷裂位置為母材，試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 焊縫橫向拉伸試驗結(jié)果

（3）彎曲和硬度試驗 彎頭直徑40mm，彎曲角度180°，受拉面未見開口。焊縫接頭維氏硬度試驗位置如圖5所示。試驗數(shù)值見表7，最大值為216HV10，滿足船級社規(guī)范硬度最大值不超過350HV10的要求。

表7 硬度試驗結(jié)果 （HV10）

圖5 硬度試驗位置示意

因垂直氣電焊焊接熱輸入較大，焊接接頭冷卻速度較慢，所以熱影響區(qū)組織和性能受焊接熱循環(huán)影響大，熱影響區(qū)晶粒隨焊接熱輸入量增加而粗化，與CO2半自動焊接頭相比，焊縫、熱影響區(qū)硬度值相應(yīng)增加[5]。10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊與CO2半自動焊立對接接頭硬度檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 垂直氣電焊對接接頭與CO2半自動焊立對接接頭硬度數(shù)據(jù)

（4）宏觀金相試驗 焊接接頭顯示焊縫與母材熔合良好，焊縫正反面寬度相近，焊縫未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，宏觀金相如圖7所示。

圖7 焊接接頭宏觀金相

（5）微觀金相試驗 母材微觀組織為帶狀珠光體+鐵素體，焊縫微觀組織為先共析鐵素體呈網(wǎng)狀分布，針狀鐵素體往晶內(nèi)穿插+少量珠光體[7]，母材和焊縫微觀組織如圖8所示。

圖8 母材與焊縫位置微觀組織

表面熔合線位置微觀組織：左上方為鐵素體+少量珠光體，右下方為網(wǎng)狀鐵素體+焊縫組織，晶內(nèi)鐵素體呈魏氏組織特征，微觀組織如圖9所示。

圖9 表面熔合線位置微觀組織

1/2板厚熔合線位置微觀組織：左方為焊縫組織，右方為粗大的網(wǎng)狀鐵素體+片狀珠光體，其中晶內(nèi)出現(xiàn)少量呈魏氏特征的鐵素體，微觀組織如圖10所示。

圖10 1/2板厚熔合線位置微觀組織

根部熔合線位置微觀組織：左方為焊縫組織，右方為粗大的網(wǎng)狀鐵素體+片狀珠光體，晶內(nèi)出現(xiàn)少量魏氏特征的鐵素體，微觀組織如圖11所示。

圖11 根部熔合線位置微觀組織

2.4 焊接工藝評定

為滿足客滾船7～10mm厚AH36級高強鋼外板立對接縫垂直氣電焊應(yīng)用需求，完成10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊工藝評定的DNV船級社認(rèn)證，工藝評定覆蓋范圍和焊接參數(shù)見表8。

表8 工藝評定覆蓋范圍和焊接參數(shù)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍

該工藝已在包括G3072/73、G3078/79、G3083/84等客滾船車庫及上建平直外板立對接縫焊接中應(yīng)用達1200m，現(xiàn)場應(yīng)用和焊縫成形如圖12所示?，F(xiàn)場焊縫成形均勻、光順，焊縫尺寸見表9。

表9 垂直氣電焊現(xiàn)場應(yīng)用焊縫尺寸 （mm）

圖12 現(xiàn)場應(yīng)用和焊縫成形

3.2 應(yīng)用質(zhì)量

1）垂直電焊焊縫成形和尺寸完全滿足船級社規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫成形均勻，焊后打磨量明顯減少，相比CO2半自動焊或自動焊受人為因素影響更少，對提高焊縫質(zhì)量具有重要意義[1]。

2）MT和RT檢測抽查結(jié)果顯示，焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格，無未焊透、未熔合、裂紋及氣孔等缺陷。

3）焊接變形情況與CO2半自動立對接焊相近，整體焊接變形可控。

3.3 應(yīng)用效率

以10mm厚AH36級船用高強鋼立對接縫焊接為例，垂直氣電焊較CO2半自動焊焊接效率提高193%，打磨效率提高400%（見表10）。

表10 垂直氣電焊和CO2半自動焊焊接、打磨效率統(tǒng)計

3.4 存在問題

垂直氣電焊焊接效率高、成形好、質(zhì)量穩(wěn)定，已在多型船舶建造中廣泛應(yīng)用[1]。雖然厚度為7～10mm板的垂直氣電焊工藝研究拓寬了本廠垂直氣電焊工藝板厚適用范圍，增強了垂直氣電焊工藝適用性，但客滾船厚度為7～10mm外板垂直氣電焊的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)場應(yīng)用的效果、特別是焊接變形還需經(jīng)過規(guī)模化應(yīng)用后才能更好地體現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過對10mm厚AH36級船用高強鋼垂直氣電焊的工藝試驗研究，完成了可覆蓋厚度為7～10mm船用高強鋼垂直氣電焊焊接工藝評定，并成功在客滾船厚度為7～10mm外板立對接縫焊接中應(yīng)用。關(guān)于客滾船外板垂直氣電焊工藝研究與應(yīng)用得出以下結(jié)論。

1）客滾船垂直氣電焊接頭各區(qū)域微觀組織符合船用鋼板大熱輸入焊接接頭微觀組織的典型特征。

2）雖然因焊接熱輸入量大而導(dǎo)致焊接接頭沖擊性能變差，但仍滿足船級社規(guī)范要求，常溫條件下有稍大的裕度。

3）可用于7～10mm厚A、AH32、AH36級船體結(jié)構(gòu)用鋼立對接自動焊，焊接性良好，焊縫成形均勻。

4）可實現(xiàn)單面單道焊雙面成形，焊接質(zhì)量、效率和焊縫成形顯著提高。

5）焊接效率與焊接質(zhì)量在客滾船、汽車運輸船等薄板船建造中極具優(yōu)勢，可明顯縮短分段總組、搭載周期，滿足企業(yè)“降本增效、提質(zhì)上量”的要求。