雙絲氣電立焊技術(shù)在大型集裝箱船中的應(yīng)用研究

陳慶城

（廣船國際有限公司，廣州 511462）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，集裝箱船作為集裝箱的現(xiàn)代物流運輸載體，正向著大型化、高速化和多用途方向發(fā)展。由于大型集裝箱船設(shè)計的貨艙開口大，沒有內(nèi)部甲板，為保證船體強(qiáng)度，同時提高抗扭強(qiáng)度，在雙層舷側(cè)頂部設(shè)計了抗扭箱結(jié)構(gòu)，均采用高強(qiáng)度鋼E40、超高強(qiáng)度鋼E47 及止裂鋼，厚度60 ～85 mm。鑒于大型集裝箱船超厚板的特點，開展超厚板的高效焊接技術(shù)研究。

氣電立焊（Electrogas Welding，EGW）作為一種大輸入的高效焊接方法，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、焊縫成形美觀及質(zhì)量高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外船舶、鋼結(jié)構(gòu)焊接中。氣電立焊工藝一般只能焊接厚度不超過40 mm 的板材[1-2]，雙絲氣電立焊是氣電立焊的延伸，可應(yīng)用于40 mm 以上厚度板材的焊接。但是，雙絲氣電立焊焊接熱輸入量較大，通常為300 kJ·cm-1及以上，60 mm 的厚板甚至達(dá)到400 kJ·cm-1，而焊接接頭的沖擊韌性會隨著線能量的增大而急劇降低。因此，從板材、焊材、坡口角度及間隙、焊接參數(shù)的選擇方面研究雙絲氣電立焊工藝技術(shù)的接頭力學(xué)性能及焊接性能，對于保證大型集裝箱船超厚板的焊接質(zhì)量尤為重要。

1 雙絲氣電立焊機(jī)理

雙絲氣電立焊利用專用焊接輔助小車夾住兩把焊槍，采用1.6 mm 藥芯焊絲，以CO2氣體為保護(hù)層，沿焊縫旁固定的齒輪軌道由下向上進(jìn)行焊接。在焊接過程中，兩根焊絲的焊接電弧為雙電弧。單熔池金屬將整個坡口填滿，焊接時在V 形坡口接縫背面粘貼帶有U 形凹槽的陶質(zhì)襯墊，在坡口的正面用水冷滑塊托住熔池強(qiáng)制成形，以達(dá)到雙絲氣電立焊單面焊雙面一次成形的效果。焊接熔池原理，如圖1 所示。

圖1 焊接熔池原理

2 鋼板材料與焊接材料選擇

2.1 鋼板材料選擇

在鋼板材料選擇方面，由于E40 級鋼材焊接接頭需要進(jìn)行-20 ℃溫度下的沖擊試驗，在400 kJ·cm-1表1、表2 所示。焊接線能量下，其熱影響區(qū)的沖擊急劇下降，需要采用專門的大線能量鋼板。通過焊接試驗及理化試驗驗證，改善鋼板的化學(xué)成分及軋制工藝，最終完成挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）、英國勞氏船級社（Lloyd’s Register，LR）、法國船級社（Bureau Veritas，BV）對鋼板的大線能量焊接試驗認(rèn)證，力學(xué)性能特別是-40 ℃的沖擊性能均滿足規(guī)范要求。根據(jù)大型集裝箱船抗扭箱舷頂列板所需的材質(zhì)，鋼板選擇南京鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱南鋼）生產(chǎn)的E40-W600 大線能量焊接用鋼。60 mm 厚大線能量鋼板E40-W600 化學(xué)成分及力學(xué)性能測試結(jié)果，分別如

表1 南鋼E40-W600 大線能量鋼板的化學(xué)成分

表2 南鋼E40-W600 大線能量鋼板的力學(xué)性能測試結(jié)果

2.2 焊接材料選擇

大型集裝箱船抗扭箱舷頂列板采用E40 級材質(zhì)，因此焊接材料不能選擇常規(guī)船用鋼板所用的3Y 級焊材[3]。結(jié)合DNV 的規(guī)范要求，通過等強(qiáng)匹配的原則選擇焊接材料，采用VY40 級雙絲氣電立焊DWS50GTF、DW-S50GTR 型號焊絲，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表3 和表4 所示。襯墊選擇雙絲氣電立焊專用FAMIARC 的KL-4 型號陶瓷襯墊。通過針對性的焊材選擇，減少厚板焊接應(yīng)力冷裂紋的產(chǎn)生。

表3 焊絲化學(xué)成分 單位：%

表4 焊絲力學(xué)性能

3 裝配坡口及工藝參數(shù)選擇

3.1 裝配坡口選擇

坡口角度和間隙的設(shè)計直接影響焊接填充量，進(jìn)而影響焊接效率、焊接變形及焊接線能量，因此坡口的選擇應(yīng)在確保焊接質(zhì)量的前提下減少焊接填充量和焊接線能量。為實現(xiàn)大型集裝箱船抗扭箱舷頂列板單面焊雙面成形的目標(biāo)，本試驗選擇60 mm 厚的大線能量鋼板E40-W600，坡口形式設(shè)計為單邊V 形坡口，坡口角度為20°，間隙為6 ～8 mm，鈍邊為0 ～1 mm，如圖2 所示。

圖2 坡口形式（單位：mm）

3.2 工藝參數(shù)選擇

根據(jù)雙絲氣電立焊的機(jī)理，坡口背面粘貼陶瓷襯墊，坡口正面安裝水冷滑塊。為保證焊接雙電弧單熔池的穩(wěn)定性及焊縫正反面成形，焊接電源后絲R 為直流正接法，前絲F 為直流反接法。60 mm 厚的大線能量鋼板E40-W600 雙絲氣電立焊前后兩根焊絲的干伸長為32 mm，焊槍角度為8°～12°。后絲R 到襯墊的距離為20 mm，兩根焊絲的間距為15 mm，如圖3 所示。焊接時，后絲R 固定不擺動，前絲F 的擺動寬度為15 ～20 mm。試驗焊接參數(shù)選定如表5所示。

表5 試驗焊接參數(shù)

圖3 前后焊絲距離（單位：mm）

3.3 質(zhì)量檢測

焊接結(jié)束后進(jìn)行外觀檢測，常溫放置48 h 進(jìn)行無損探傷。由于E40-W600 大線能量鋼板為60 mm厚，無法進(jìn)行X 光拍片。如果按照常規(guī)超聲檢測（Ultrasonic Testing，UT）雙面雙測的方法進(jìn)行檢測，過厚的板在焊縫區(qū)域會存在UT 探傷盲區(qū)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量問題。根據(jù)DNV 規(guī)范要求并綜合各方面因素，推薦高精度超聲波衍射時差法（Time Of Flight Diffraction，TOFD）+UT+ 磁粉檢測（Magnetic Particle Testing，MT）的100%探傷檢測。經(jīng)檢測，該試驗焊縫接頭外觀及探傷結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4 理化性能試驗與工藝評定

4.1 沖擊試驗

根據(jù)船級社相關(guān)規(guī)范的特別規(guī)定，對焊接接頭進(jìn)行沖擊試驗。該試驗在母材上表面下2 mm、下根部上2 mm 及中間板厚3 個位置的焊縫中心位置進(jìn)行取樣，分別記作WM（Cap）、WM（Root）和WM（t/2）。同時，在熔合線（Fusion Line，F(xiàn)L）、FL+2 mm、FL+5 mm的上表面、下根部和中間位置，以及FL+10 mm 的上表面位置進(jìn)行取樣，所有試樣均進(jìn)行-40 ℃溫度下的沖擊試驗。為充分驗證對背面的沖擊，增補-20 ℃下根部FL+2 mm 的沖擊試驗，試驗數(shù)據(jù)均高于DNV 規(guī)范最低值39 J 的沖擊要求[4-5]。試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 焊縫不同位置沖擊韌性值

4.2 拉伸和彎曲試驗

根據(jù)DNV 規(guī)范中E40 鋼最小抗拉強(qiáng)度490 MPa的要求，對焊縫進(jìn)行橫向拉伸和彎曲試驗。由橫向拉伸試驗結(jié)果可知，斷裂位置在母材一側(cè)，抗拉強(qiáng)度平均值為541 MPa，符合規(guī)范要求。彎曲試驗為對焊接接頭進(jìn)行側(cè)向彎曲，試驗結(jié)果符合規(guī)范要求。焊縫橫向拉伸與彎曲試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 焊縫橫向拉伸與彎曲試驗

4.3 接頭金相試驗

4.3.1 宏觀檢測

截面顯示焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)清晰、熔合良好，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋、氣孔等明顯焊接缺陷，如圖4 所示。

圖4 宏觀檢測截面

4.3.2 微觀金相檢測

試樣經(jīng)過粗、細(xì)磨后放在拋光機(jī)上拋光，若表面沒有明顯劃痕則用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕[6]。腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的顯微組織，如圖5 所示。圖5（a）焊縫區(qū)主要組織為粒狀貝氏體和鐵素體，強(qiáng)度較高。圖5（b）熱影響區(qū)粗晶區(qū)為沿晶界分布的片狀鐵素體、晶內(nèi)生長的針狀鐵素體以及少量魏氏組織。圖5（c）熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)由珠光體、鐵素體組成。經(jīng)微觀金相檢測可知，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)均滿足大線能量焊縫DNV 規(guī)范的力學(xué)性能。

圖5 焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的微觀組織檢測

4.4 工藝評定

根據(jù)DNV 規(guī)范要求，選用南鋼E40-W600 大線能量鋼板，尺寸為1 200 mm×300 mm×60 mm。采用現(xiàn)場生產(chǎn)焊接試驗（Welding Production Test，WPT）焊接方式進(jìn)行工藝評定性能驗證，在現(xiàn)場單獨裝配WPT 試板，按雙絲氣電立焊試驗方法進(jìn)行工藝評定焊接，焊接工藝嚴(yán)格采用試驗工藝范圍內(nèi)的參數(shù)。WPT 焊接完成48 h 后，進(jìn)行MT、UT 及TOFD 探傷及理化試驗。WPT 焊接試驗工藝評定的整個過程都在專業(yè)人員的見證下進(jìn)行，其各項檢測結(jié)果均合格。

5 雙絲氣電立焊技術(shù)的應(yīng)用效果

現(xiàn)場WPT 焊接試驗工藝評定認(rèn)可后編制了焊接工藝規(guī)程，并在G2124 大型集裝箱船抗扭箱舷頂列板大線能量鋼板E40-W600 中試用，對板材、焊材、坡口角度及間隙等方面嚴(yán)格按照工藝評定試驗執(zhí)行，盡量控制坡口角度及間隙下限值，減少焊接填充量，進(jìn)而降低焊接熱輸入量，滿足焊接正反面的成形，保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量。經(jīng)過對比之前采用的多層多道焊的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊后發(fā)現(xiàn)，同為60 mm 厚鋼板，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊約需2.5 d 完成焊接；采用雙絲氣電立焊技術(shù)進(jìn)行焊接，約1.5 h即可完成，焊接效率提高10～12倍。同時，抗扭箱舷頂列板大線能量鋼板E40-W600 雙絲氣電立焊經(jīng)UT+TOFD 無損探傷為100%合格。

6 結(jié)語

通過對國內(nèi)南鋼E40-W600 大線能量鋼板進(jìn)行雙絲氣電立焊的焊接工藝研究可知，在大型集裝箱船抗扭箱舷頂列板中應(yīng)用雙絲氣電立焊，嚴(yán)格控制坡口角度及間隙等工藝參數(shù)下限值，能夠減少焊接填充量，降低焊接熱輸入，進(jìn)而獲得良好的力學(xué)性能。雙絲氣電立焊技術(shù)焊接質(zhì)量穩(wěn)定，與傳統(tǒng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對比，其焊接效率提高10 ～12 倍。雙絲氣電立焊技術(shù)的成功應(yīng)用，豐富了大型集裝箱船厚板的關(guān)鍵焊接核心技術(shù)，有效帶動大線能量鋼板國產(chǎn)化的配套行業(yè)進(jìn)入國際船配高端市場，為國產(chǎn)配套行業(yè)的發(fā)展提供了高質(zhì)量的發(fā)展平臺，為我國成為世界造船大國、強(qiáng)國夯實了基礎(chǔ)。