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(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院,武漢 430065；2.武昌船舶重工有限責(zé)任公司,武漢 430064)

隨著三用工作船作業(yè)水深的不斷增加，半潛平臺(tái)錨和錨鏈對(duì)大型拖纜機(jī)的工作負(fù)荷不斷增加，導(dǎo)致船體對(duì)局部強(qiáng)度的要求越來越高，同時(shí)考慮到空船重量，普通強(qiáng)度船體用鋼的強(qiáng)度難以滿足船舶功能要求，從而使得高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼越來越受到設(shè)計(jì)者的青睞，應(yīng)用日趨廣泛。為了滿足各種大厚度高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼在船舶結(jié)構(gòu)中的性能要求，焊接結(jié)構(gòu)也向高參數(shù)大型化方向發(fā)展。這就對(duì)高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性以及相應(yīng)的焊接工藝提出了越來越高的要求，不僅要求具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能，而且還應(yīng)具有較高的工作效率[1]。故對(duì)高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的厚板焊接工藝進(jìn)行研究有一定的適用價(jià)值[2]。

由于深水作業(yè)的需求，加之海況條件惡劣，三用工作船船體外板主要采用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼，其中在主甲板處加強(qiáng)部位采用EH36 100 mm超厚板高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼，為此本文針對(duì)超厚板高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的焊接方法和工藝措施展開研究，并通過一系列的措施來保證超厚板高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的焊接質(zhì)量和焊接效率，為以后此類鋼種的焊接工藝提供技術(shù)支持。

1 母材成分及焊接性分析

1.1 高強(qiáng)鋼EH36的化學(xué)成分及力學(xué)性能

高強(qiáng)鋼EH36化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、2。

表1 高強(qiáng)鋼EH36的化學(xué)成分 %

表2 高強(qiáng)鋼EH36的力學(xué)性能

1.2 高強(qiáng)鋼EH36的可焊性分析

金屬焊接性的評(píng)定方法通常有間接判斷法和直接試驗(yàn)法兩類。間接判斷法中最常用且最簡(jiǎn)單的方法是用“碳當(dāng)量”來估算的淬硬傾向，從而評(píng)定其焊接性；直接試驗(yàn)法是通過一系列的試驗(yàn)，反映鋼材的焊接裂紋傾向及焊接接頭的使用性能，能夠直接評(píng)定金屬材料的焊接性[3]。

所謂“碳當(dāng)量”法就是把各種元素都按相當(dāng)于若干含碳量的辦法總和起來，它是一種近似的計(jì)算方法。因?yàn)楹辖鹪貙?duì)焊接性的影響是十分復(fù)雜的，多種元素存在與單獨(dú)元素的影響不同，在不同的含碳量或不同類型鋼中的影響也不同，所以出現(xiàn)了許多碳當(dāng)量的計(jì)算公式。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式如下。

0.18+(0.9～1.6)/6+(0.40+

0.35)/15+(0.20+0.08+0.05～

0.10)/5=0.446～0.573

CE為0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。

在評(píng)價(jià)低合金高強(qiáng)度鋼的焊接冷裂紋敏感性時(shí)，除采用IIW公式外，還可采用焊接裂紋敏感成分PCM。

60歲以上老年人可把肝功能檢查中“球蛋白”這項(xiàng)作為早期監(jiān)測(cè)指標(biāo)。球蛋白偏高時(shí)，可到血液科進(jìn)一步檢查。當(dāng)老年人出現(xiàn)持續(xù)腰背疼痛、骨折、貧血、腎炎等病，久治難愈時(shí)，也應(yīng)考慮到血液科進(jìn)一步診斷。

根據(jù)桶樣化學(xué)成分采用下列公式計(jì)算冷裂紋敏感系數(shù)PCM以衡量鋼材的可焊性：

1.6)/20+0.35/20+0.40/60+

0.20/20+0.08/15+(0.05～

0.10)/10=0.286 5～0.326 5

計(jì)算出高強(qiáng)鋼EH36的冷裂紋敏感系數(shù)PCM為0.286 5～0.326 5，符合公認(rèn)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

EH36焊接接頭的焊接淬硬傾向較大，冷裂紋的敏感性較大，焊接性較差。焊接時(shí)需采取焊前預(yù)熱、焊接過程中控制道間溫度、后熱處理等一系列工藝措施，同時(shí)必須采取合理的焊接方法并注意焊接順序，采用小熱輸入施焊。在結(jié)構(gòu)剛度大、焊接收縮拘束力大的情況下，還必須采取一定的收縮補(bǔ)償措施。焊接后，還必須對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行焊后熱處理，消除焊接件內(nèi)應(yīng)力[4]。

2 焊接工藝

試驗(yàn)中焊接的為深水三用工作船主甲板處加強(qiáng)部位的EH36 100 mm厚拼板平對(duì)接焊。綜合對(duì)母材成分、力學(xué)性能、焊接性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，考慮焊接質(zhì)量及效率，選用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接。埋弧焊允許使用較大的焊接熱輸入，熔敷速度及熔透能力大，焊接生產(chǎn)率比焊條電弧焊高得多，焊縫及熱影響區(qū)隨著焊接熱輸入增加而加寬。且其特點(diǎn)是熱效率高，熔深大，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)條件好，對(duì)操作者的技術(shù)水平依賴性小[5]。

2.1 焊接材料的選擇

2.2 焊接坡口形式

由于EH36 高強(qiáng)鋼的板厚為100 mm，尚未在實(shí)際生產(chǎn)中形成大規(guī)模的使用，故從可焊性、焊接材料的消耗量、坡口加工、焊接變形等方面考慮，基于板厚100 mm高強(qiáng)鋼的坡口形式的獨(dú)特性，以及船廠焊接條件，采用雙V形坡口。坡口角度為70°±5°，便于清根和節(jié)省焊材，提高焊接效率，縮短焊接時(shí)間。坡口形式和尺寸見圖1。

圖1 坡口形式及尺寸

2.3 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱的作用在于通過減緩冷卻速度，改善接頭的顯微組織，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高塑性，并使焊縫中的氫加速向外擴(kuò)散，也起到減少一些焊接應(yīng)力的作用，可以防止焊接區(qū)域金屬的溫度梯度過大，降低焊縫的冷卻速度，減少裂紋的產(chǎn)生。

焊接前采用電加熱方式對(duì)焊縫及焊縫兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到180 ℃開始施焊，施焊時(shí)道間溫度控制在180～220 ℃。施焊過程中，焊縫處的溫度應(yīng)控制在180～220 ℃，隨時(shí)采用點(diǎn)溫計(jì)進(jìn)行反面測(cè)量，若溫度低于該溫度，則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)溫。這樣可以減小焊接應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)鋼的影響。焊接過程中各層各道焊接順序見圖2。

圖2 焊接順序示意

2.4 焊接工藝參數(shù)

合適的焊接工藝參數(shù)對(duì)改善高強(qiáng)鋼的焊接性能有影響，根據(jù)焊接方法和措施的要求，主要的焊接工藝參數(shù)必須控制在表3范圍內(nèi)。

2.5 焊接變形控制措施

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

在焊接過程中，采用埋弧自動(dòng)焊接時(shí)，為防止出現(xiàn)凝固裂紋，焊縫兩端必須安裝引弧板和熄弧板，其材質(zhì)和坡口形式與被焊件相同且板厚應(yīng)與母材相當(dāng)。厚鋼板對(duì)接焊后的變形主要是角變形。實(shí)踐中為控制變形，往往先焊正面的一部分焊道，翻轉(zhuǎn)工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉(zhuǎn)工件，這樣循環(huán)往復(fù)，一般來說，每次翻身焊接3～5道后即可翻身，直至焊滿正面的各道焊縫。同時(shí)在施焊時(shí)要隨時(shí)觀察其角變形情況，注意隨時(shí)準(zhǔn)備翻身焊接，以盡可能地減少焊接變形及焊縫內(nèi)應(yīng)力。在焊接過程中隨時(shí)觀測(cè)拼板焊接變形狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)拼板焊接上翹過多，則應(yīng)該停止焊接，并按要求進(jìn)行后熱處理，調(diào)整焊接順序，待焊縫冷卻，翻身，重新預(yù)熱焊縫，焊接反面；在板材未發(fā)生焊接變形的情況下，盡量將正面多焊接幾道，以防止板材翻身時(shí)產(chǎn)生開裂，正面焊接幾道后，若發(fā)現(xiàn)板材變形，應(yīng)將工件翻身，采用碳弧氣刨清根，再實(shí)施反面焊接。

2.6 焊后處理

為避免焊縫表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，焊縫表層應(yīng)圓滑過渡，不得出現(xiàn)咬變弧坑等缺陷，并在焊后對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨。焊后加熱的目的是促使焊接接頭的氫逸出，防止產(chǎn)生延遲裂紋。焊接工作完成后，焊縫及兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)需要加熱到200～250 ℃，保溫2 h，然后再采用巖棉墊覆蓋緩冷處理。焊后緩冷可以降低焊件焊后的冷卻速度，防止產(chǎn)生冷裂紋。

3 力學(xué)性能試驗(yàn)

1)試板為400 mm×400 mm×100 mm(EH36)。

2)焊接材料為直徑5 mm的H08Mn2E焊絲，CHF101 焊劑。

3)焊接設(shè)備為美國(guó)林肯公司生產(chǎn)的埋弧自動(dòng)焊小車LT-7，埋弧自動(dòng)焊控制系統(tǒng)NA5，自動(dòng)焊機(jī)電源DC1 000/1 000 A。

4)焊接坡口形式為雙V形坡口，坡口角度為70°，見圖1。

5)焊接方法采用埋弧自動(dòng)焊。

6)焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

7)測(cè)試結(jié)果見表4～6。

表4 埋弧焊對(duì)接焊縫強(qiáng)度及接頭冷彎試驗(yàn)

表5 對(duì)接接頭低溫沖擊試驗(yàn)AKV (-20℃) J

表6 焊接接頭硬度測(cè)試Hv10

試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)EH36 100 mm高強(qiáng)鋼超厚板焊接工藝的研究，應(yīng)用埋弧自動(dòng)焊工藝，選擇合適的焊接參數(shù)，制定焊接工藝，在焊接過程中嚴(yán)格保證相關(guān)工藝措施的正確實(shí)施，成功解決了高強(qiáng)鋼超厚板的焊接工藝難題。在焊接過程中，焊縫和焊接熱影響未產(chǎn)生裂紋，焊后經(jīng)過外觀和無損檢測(cè)都未曾發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果證明該工藝能滿足力學(xué)性能的要求，能夠滿足深水三用工作船對(duì)船體局部強(qiáng)度的要求。

[1] 凌云志.船用EH36鋼厚板焊接工藝探討[J].造船技術(shù),2004(6)：32-33.

[2] 林 浩.高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼焊接性及其焊接裂紋的形成和預(yù)防的研究[D].上海:上海海事大學(xué),2006.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè):材料的焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4] 黃增忠.船體EH36高強(qiáng)度鋼焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)[J].機(jī)電技術(shù),2007(2):77-78.

[5] 黃 浩.船舶工藝手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1989.