船用鋼焊接工藝評定試驗研究

□ 朱達(dá)新

1江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 江蘇江陰 214400

2北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081

船用鋼是船舶結(jié)構(gòu)類常用鋼中的高等級材料。隨著船舶噸位的增大及船體結(jié)構(gòu)性能要求的提高，這一等級的鋼材用量越來越多，主要適用部位包括強(qiáng)力甲板、集裝箱座子、船用起重機(jī)筒身及基座等，特點(diǎn)為厚度大、承受應(yīng)力高?？梢?，有必要對船用鋼焊接工藝評定試驗進(jìn)行分析研究。

1 焊接工藝評定試驗要求

EH36、EH32船用鋼相比其它種類的高強(qiáng)鋼，如AH36、DH36等，具有更好的冷卻加工性能和可焊性，采用常用的焊接方法均可以進(jìn)行焊接施工，X光探傷、冷彎、拉伸、硬度等均能滿足規(guī)范要求。除非出現(xiàn)環(huán)境氣溫過低（低于0℃）及厚度過大（大于30 mm），否則不必采取特殊措施。另一方面，目前，一些船廠在對船用鋼進(jìn)行焊接工藝評定時出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，而且問題比較集中，即低溫沖擊功偏小。夏比V形缺口沖擊試驗要求見表1[1-2]。

如果產(chǎn)品在加工中出現(xiàn)低溫沖擊功偏小現(xiàn)象，那么危害較大，直接后果是板材由于較厚且剛性很大，在施工過程中可能發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象。此外，船用鋼往往用于承受高應(yīng)力部位，在環(huán)境氣溫過低、部分承受交變動載荷時，容易發(fā)生疲勞裂紋、脆性斷裂等現(xiàn)象。

表1 夏比V形缺口沖擊試驗要求

對船用鋼進(jìn)行焊接工藝評定，有助于研究得到合理的焊接方法、材料、工藝參數(shù)等，確保部件的焊接質(zhì)量，尤其是沖擊試驗滿足要求。另一方面，可以獲得船級社認(rèn)可，能夠進(jìn)行合法施焊[3-4]。

2 焊接工藝評定試驗研究

根據(jù)規(guī)范要求及表1數(shù)值，用于焊接船用EH36鋼的焊接材料只要符合3Y級，均可選用。常用的焊接方法有手工焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、藥芯焊絲二氧化碳保護(hù)焊（FCAW）等，均有相匹配的焊接材料。

2.1 試驗參數(shù)

船用鋼焊接工藝評定試驗參數(shù)見表2。

2.2 力學(xué)試驗

力學(xué)試驗包括抗拉強(qiáng)度試驗、彎曲試驗、硬度試驗、夏比沖擊試驗等，其中難度最大的是夏比沖擊試驗。夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果見表3，表中WELD為焊接區(qū)域焊縫，F(xiàn)L為熔合線，HAZ為熱影響區(qū)。

2.3 試驗結(jié)果

本次船用鋼焊接工藝評定試驗結(jié)果見表4。

3 結(jié)果分析

本次船用鋼焊接工藝評定試驗是同一等級鋼材焊接試驗中涉及焊接方法、焊接位置、焊接材料等規(guī)模較大的一次試驗，試驗中采用了不同廠家的焊材，因此，也是對生產(chǎn)中主要使用焊材的一次大檢閱，試驗結(jié)果值得進(jìn)一步探討和分析[5]。

3.1 不合格主要原因

本次船用鋼焊接工藝評定試驗中，不合格項很明顯，原因是焊縫低溫沖擊功值偏小。低溫沖擊功表征焊接接頭的沖擊韌性，影響焊接接頭沖擊韌性的因素除熔敷金屬的化學(xué)成分外，還有線能量、層間溫度等。因此有必要圍繞這兩個方面對焊接方法和焊接材料進(jìn)行分析。

表2 船用鋼焊接工藝評定試驗參數(shù)

表3 夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果

表4 船用鋼焊接工藝評定試驗結(jié)果

3.2 手工焊J507焊材

從試驗結(jié)果看，J507焊材的低溫沖擊韌性最穩(wěn)定和可靠，參與試驗的三個牌號J507焊材均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大的富余量。特別是CHE50焊材，還進(jìn)行了-40℃的低溫試驗，沖擊韌性仍然很穩(wěn)定，這一焊材已超過了自身的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)3Y級，達(dá)到了4Y級，可以焊接FH36鋼板。通過各種途徑的試驗及應(yīng)用表明，CHE50焊材的工藝性和力學(xué)性兼佳，是低氫類焊材中較好的產(chǎn)品。

從目前了解的產(chǎn)品工藝信息看，雖然手工焊的效率很低，但在大厚度、高應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的焊接上仍有一定優(yōu)勢，即抗裂性好。有些廠家為了防止焊縫開裂和提高效率，采用手工焊和二氧化碳或埋弧焊組合焊接?；谝陨戏治觯P者認(rèn)為大厚度合金鋼結(jié)構(gòu)件中的重點(diǎn)焊縫應(yīng)慎重選擇焊接方法，在各種工藝因素不易控制的情況下，可以采用手工焊防止產(chǎn)生裂紋[6]。

3.3 藥芯焊絲二氧化碳保護(hù)焊

目前國內(nèi)船企大多使用日本、美國、韓國或我國臺灣地區(qū)企業(yè)的焊材產(chǎn)品，國產(chǎn)焊材僅作為輔助。目前在使用的TWE-711焊材是市場上的主流產(chǎn)品，各船廠所用的焊材與TWE-711焊材性能和工藝性相當(dāng)。此類焊材原來均向船檢申報為2Y級，最高只可用于DH36鋼級別，但現(xiàn)在外資企業(yè)產(chǎn)品及部分國產(chǎn)焊材均申報為3Y級，即理論上滿足EH36鋼的焊接要求，可在試驗時卻出現(xiàn)了不合格。

TWE-711、TWE-711Ni、YJ-502 焊材的藥芯類型均為氧化鈦型，屬酸性渣焊材。酸性渣焊材焊接而成的焊縫，其金屬含氧量、擴(kuò)散氫含量相對于堿性渣而言較高，低溫沖擊韌性相對較弱，抗裂性較差。TWE-711Ni焊材試圖通過加入微量鎳元素來改善低溫沖擊韌性，但由于是酸性渣，電弧氣氛具有氧化性，合金元素鎳很難向金屬熔池中過渡，所以本次試驗結(jié)果仍為不合格[7]。

氧化鈦型藥芯焊材的沖擊韌性可以達(dá)到3Y級，但在焊接工藝控制不當(dāng)時，就有可能引起試驗失敗，在產(chǎn)品上表現(xiàn)為焊縫開裂，這一點(diǎn)已得到焊材行業(yè)人員的認(rèn)同。根據(jù)歷次試驗經(jīng)驗，后續(xù)在大型鋼結(jié)構(gòu)件加工中加工厚度為80 mm的DH36鋼，確認(rèn)層間溫度和線能量的控制相當(dāng)重要，這兩個參數(shù)控制得好，TWE-711焊材焊縫可獲得較強(qiáng)的低溫沖擊韌性[8]。

KFX-712C是目前接觸到的另一類焊材，同類焊材還有林肯公司的E712C，盡管其標(biāo)準(zhǔn)號仍為E71T-1,但根據(jù)試驗，此類焊材的藥芯為鈦鈣型，屬于弱堿性渣焊材，并在藥芯中加入鈦等微量元素，起到細(xì)化焊縫晶粒、改善低溫沖擊韌性的作用。同時，由于焊渣為堿性，減小了焊縫金屬中的含氧量和擴(kuò)散氫含量，進(jìn)一步提高了焊縫的韌性。通過工藝評定，進(jìn)一步證實這一焊材具有較強(qiáng)的低溫沖擊韌性。

需要強(qiáng)調(diào)的是，由于氧化鈦類藥芯焊材具有優(yōu)良的工藝性能，目前船廠大多使用這類焊材。另一方面，KFX-712C焊材的脫渣性、發(fā)煙量、送材、吸潮率、電弧穩(wěn)定性等指標(biāo)均不如TWE-711焊材[9]。

3.4 埋弧焊

本次試驗共焊接兩塊埋弧焊試板，其中一塊雖然合格，但焊縫低溫沖擊韌性仍較弱。另一塊由于對層溫未加控制，出現(xiàn)了不合格。

近年來，筆者一直在尋找一種用于高強(qiáng)鋼焊材，能夠焊接所有的合金鋼，并應(yīng)用了新型焊材——JF-B燒結(jié)焊材。通過應(yīng)用，對燒結(jié)焊材與熔煉焊材進(jìn)行對比。

（1）燒結(jié)焊材屬低溫?zé)Y(jié)成形，有利于在焊材中添加各種合金元素，以便向焊縫過渡。

（2）燒結(jié)焊材屬于堿性焊材，具有還原性氣氛，合金元素?zé)龘p較少，便于向焊縫過渡，改善焊縫的性能。

（3）燒結(jié)焊材焊接接頭的力學(xué)性能比熔煉焊材好。

（4）燒結(jié)焊材許用電流大，可以超過1 000 A，焊接過程中消耗少，可降低成本。

目前，大部分船廠及橋梁鋼結(jié)構(gòu)的合金鋼都已應(yīng)用燒結(jié)焊材施焊。

本次試驗燒結(jié)焊材不合格的可能原因分析如下。

（1）燒結(jié)焊材過于強(qiáng)調(diào)焊材的工藝性，對力學(xué)性能關(guān)注不夠，焊材的堿度值偏低。而另一方面，若升高堿度，則對工藝性有不利影響。

（2）焊材在制造過程中，工藝控制不當(dāng)。

（3）試板焊接時，對線能量和層溫控制不嚴(yán)格[10]。

盡管本次試驗出現(xiàn)了不合格，但埋弧焊總體計劃不變，并執(zhí)行如下工藝：①A、B、D級船用鋼采用H08A焊材與431焊材組合；②所有船用高強(qiáng)鋼及16 Mn、普通強(qiáng)度的E級船用鋼均采用H10Mn2焊材與JF-B焊材組合。

以上工藝配置較為簡單，通用性強(qiáng)，施工部門易于執(zhí)行和控制。目前，已實行以上方案。今后要做的工作是，結(jié)合產(chǎn)品選擇性能更佳的燒結(jié)焊材，以確保試驗的順利進(jìn)行，保證產(chǎn)品的施工質(zhì)量[11-12]。

4 總結(jié)

船用EH36鋼的藥芯焊絲二氧化碳保護(hù)焊認(rèn)可試驗報告已被鋼結(jié)構(gòu)和修船部門引用。船用EH32鋼的工藝評定已被中遠(yuǎn)某輪采用。船用DH36鋼的手工焊和藥芯焊絲二氧化碳保護(hù)焊獲法國船級社認(rèn)可，手工焊被認(rèn)可用于船用EH36鋼，并較好地實施于某輪的船用起重機(jī)修理中。

船用鋼的工藝評定認(rèn)可，極大地方便了修造船業(yè)務(wù)承接，按照德國船級社規(guī)范，只要船用EH36鋼焊接得到認(rèn)可，所有低于此級別的鋼材焊接均被認(rèn)可，即至少 DH36、AH36、DH32、EH32、DH32、AH32鋼焊接已被認(rèn)可。

本次船用鋼焊接工藝評定試驗，焊接材料總體質(zhì)量良好，尤其是主要產(chǎn)品J507焊材質(zhì)量穩(wěn)定。氧化鈦型藥芯焊材TWE-711可以用于EH36鋼焊接，但必須控制好焊接工藝，尤其是對焊接線能量和層溫要嚴(yán)格控制。燒結(jié)焊材是高強(qiáng)鋼埋弧焊的應(yīng)用方向，在后續(xù)工作中將繼續(xù)開展選型、認(rèn)可工作。KFX-712C焊材具有較好的力學(xué)性能，但工藝性能不及TWE-711焊材，暫時僅可在特殊構(gòu)件上應(yīng)用。本次評定試驗中，藥芯焊絲二氧化碳保護(hù)焊均為陶瓷襯墊單面焊，便于修造船工程的實際應(yīng)用。

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