□ 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(jí)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(jí)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(yàn)進(jìn)行分析研究。

1 焊接工藝評定試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(dòng)載荷時(shí)，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(yàn)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(yàn)滿足要求。另一方面，可以獲得船級(jí)社認(rèn)可，能夠進(jìn)行合法施焊[3-4]。

2 焊接工藝評定試驗(yàn)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(jí)，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(yàn)參數(shù)

船用鋼焊接工藝評定試驗(yàn)參數(shù)見表2。

2.2 力學(xué)試驗(yàn)

力學(xué)試驗(yàn)包括抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)等，其中難度最大的是夏比沖擊試驗(yàn)。夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

本次船用鋼焊接工藝評定試驗(yàn)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(yàn)是同一等級(jí)鋼材焊接試驗(yàn)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(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)中，不合格項(xiàng)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(gè)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(yàn)參數(shù)

表3 夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 船用鋼焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果

3.2 手工焊J507焊材

從試驗(yàn)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(yàn)的三個(gè)牌號(hào)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(yàn)，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(jí)，達(dá)到了4Y級(jí)，可以焊接FH36鋼板。通過各種途徑的試驗(yàn)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?，筆者認(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(tái)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(bào)為2Y級(jí)，最高只可用于DH36鋼級(jí)別，但現(xiàn)在外資企業(yè)產(chǎn)品及部分國產(chǎn)焊材均申報(bào)為3Y級(jí)，即理論上滿足EH36鋼的焊接要求，可在試驗(yàn)時(shí)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(yàn)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(jí)，但在焊接工藝控制不當(dāng)時(shí)，就有可能引起試驗(yàn)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(yàn)經(jīng)驗(yàn)，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(gè)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(hào)仍為E71T-1,但根據(jù)試驗(yàn)，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(shí)，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(shí)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(yàn)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(yàn)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(shí)，對線能量和層溫控制不嚴(yán)格[10]。

盡管本次試驗(yàn)出現(xiàn)了不合格，但埋弧焊總體計(jì)劃不變，并執(zhí)行如下工藝：①A、B、D級(jí)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(jí)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(shí)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(yàn)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(yàn)報(bào)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(jí)社認(rèn)可，手工焊被認(rèn)可用于船用EH36鋼，并較好地實(shí)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(jí)社規(guī)范，只要船用EH36鋼焊接得到認(rèn)可，所有低于此級(jí)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(yàn)，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(shí)僅可在特殊構(gòu)件上應(yīng)用。本次評定試驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用。

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