(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

CO2氣體保護(hù)焊優(yōu)點(diǎn)是變形比埋弧自動(dòng)焊小，通常板厚小于20 mm材料基本采用CO2氣體保護(hù)焊焊接；埋弧自動(dòng)焊具有焊縫外觀成型美觀，焊接質(zhì)量可靠、穩(wěn)定高效特點(diǎn)，不足之處在于薄板打底、填充變形比較大。所以在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物建造過(guò)程中，當(dāng)材料板厚小于20 mm，通常采用CO2氣體保護(hù)焊打底、填充和埋弧自動(dòng)焊蓋面的焊接工藝。40萬(wàn)t礦砂船材料厚度49 mm,如果仍然采用上述方法焊接生產(chǎn)效率會(huì)降低。因此,40萬(wàn)t礦砂船采用CO2氣體保護(hù)焊打底、2道填充與埋弧自動(dòng)焊填充、蓋面混合焊接技術(shù)。

1 母材

40萬(wàn) t VLOC礦砂船全船88%以上的鋼板是EH36高強(qiáng)度鋼，材料板厚49 mm ，主要分布在甲板0.4L～0.6L區(qū)域內(nèi)，船體甲板結(jié)構(gòu)具有高應(yīng)力和高疲勞強(qiáng)度的特點(diǎn)，EH36高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能見(jiàn)表1。

從表1中可見(jiàn)，EH36鋼碳當(dāng)量為0.34%，焊接性一般。在板厚較大，焊接過(guò)程中冷卻速度較快，鋼材易于淬硬，需要預(yù)熱才能防止出現(xiàn)裂紋，因此，必須采用一定的焊接工藝措施才能保證焊接質(zhì)量[1]。

表1 EH36鋼材化學(xué)成分和力學(xué)性能

碳當(dāng)量Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5=0.34%

2 焊接方法及設(shè)備

2.1 CO2氣體保護(hù)焊設(shè)備

焊接作業(yè)機(jī)型為YD-500CL5 CO2/MAG氣保焊機(jī)，該焊機(jī)采用載波控制技術(shù)，省去了控制電纜和遙控器電纜，減輕了遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)電纜的重量，減少了斷線故障，方便焊工作業(yè)，作業(yè)效率高，可追加碳弧氣刨和手弧焊功能[2]。

2.2 埋弧自動(dòng)焊設(shè)備

埋弧自動(dòng)焊焊機(jī)型號(hào)為MZ-1250，其優(yōu)勢(shì)明顯[3]，具有等速送絲方式和變速送絲方式功能，可滿足不同焊接工藝要求。

3 焊接材料

3.1 CO2氣體保護(hù)焊焊接材料

40萬(wàn) t VLOC礦砂船EH36鋼焊絲采用與船用低合金高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度相匹配的CO2藥芯焊絲，牌號(hào)為GFL-71NI，焊絲直徑1.2 mm。

3.2 埋弧自動(dòng)焊焊接材料

EH36以下材質(zhì)δ≤57 mm，選用焊絲CHW-S3、焊劑CHF101，焊材等級(jí)為3Y級(jí)；EH36及以上材質(zhì)δ≥57 mm選用焊絲H-14、焊劑S-707T，焊材等級(jí)為4Y級(jí)。當(dāng)兩種低合金鋼焊接選用焊接材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇強(qiáng)度和母材相匹配的焊接材料。

CO2焊絲及埋弧焊絲一旦從包裝中拆出應(yīng)盡快使用，如當(dāng)天沒(méi)用完應(yīng)放到干燥箱內(nèi)保管和儲(chǔ)藏，以免材料因受潮使焊接性能受到影響。

4 混合焊接技術(shù)要點(diǎn)

4.1 坡口加工

坡口加工采用等離子切割方法，坡口表面應(yīng)均勻，盡量避免坡口表面產(chǎn)生嚴(yán)重的切割波紋。若切割過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的切割波紋，應(yīng)采用打磨的方法去除坡口面上的滲碳層。

4.2 焊前清理

焊前應(yīng)保證坡口兩側(cè)各25mm范圍內(nèi)無(wú)銹蝕、氧化皮、水分等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤[4]。油污、油漆、潮氣可通過(guò)火焰烘烤，銹和氧化皮使用砂輪機(jī)去除。

4.3 CO2氣體保護(hù)焊打底技術(shù)

4.3.1 陶瓷襯墊粘貼技術(shù)

在焊縫背面粘貼陶瓷襯墊，應(yīng)注意陶瓷襯墊中間紅線對(duì)準(zhǔn)焊縫中心線，在每根陶瓷襯墊的銜接處，不可過(guò)于緊密。如果襯墊與襯墊之間接頭處過(guò)于緊密，焊接中會(huì)發(fā)生第一道打底過(guò)程襯墊下沉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于焊接過(guò)程熱循環(huán)固有特點(diǎn)以及陶質(zhì)襯墊和鋼與熱膨脹系數(shù)存在很大差異，使得襯墊之間擠壓下沉，所以襯墊與襯墊接頭處應(yīng)留有0.5 mm間隙。對(duì)于焊縫背面貼襯墊側(cè)如出現(xiàn)板邊差或間隙過(guò)大，除壓實(shí)陶質(zhì)襯墊外，必要時(shí)可在陶質(zhì)襯墊背面加裝扁鐵，用于襯托陶質(zhì)襯墊不至脫落、漏渣。

陶瓷襯墊使用中應(yīng)隨拆隨用，不得在空氣中長(zhǎng)時(shí)間暴露，以免受潮影響焊接質(zhì)量。

4.3.2 預(yù)熱

預(yù)熱溫度是焊接淬硬傾向高的鋼材一個(gè)重要參數(shù)，焊前合理的預(yù)熱有力于焊縫中擴(kuò)散氫的逸出，降低焊接接頭的冷卻速度，使焊縫增加細(xì)針狀鐵素體含量，焊縫中溶解的氫有時(shí)間擴(kuò)散出去，以減少擴(kuò)散氫含量，從而提高焊縫金屬韌性，防止脆硬的馬氏體組織，有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生[5]。

對(duì)礦砂船EH36材料制訂詳細(xì)的預(yù)熱方案，要求母材厚度為38 mm<δ≤65 mm,預(yù)熱溫度不低于65 ℃，溫度測(cè)量點(diǎn)為焊縫反面兩側(cè)各50 mm處。當(dāng)鋼板厚≤38 mm時(shí)，常溫下可不需預(yù)熱。但環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，焊縫兩側(cè)需加熱到50 ℃～70 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，加熱到75℃～120 ℃后焊接，層間溫度不低于150 ℃[6]，對(duì)厚板焊縫預(yù)熱情況拍照片留底，所拍照片能清晰顯示預(yù)熱溫度；對(duì)預(yù)熱、層間溫度及焊厚保溫情況進(jìn)行記錄，在焊接結(jié)束報(bào)驗(yàn)前提交品保部門。

4.3.3 CO2氣體流量的設(shè)定

在焊接環(huán)境空氣靜止的情況下CO2氣體流量一般為15 L/min,在船體室外登高作業(yè)時(shí)最大不超過(guò)30 L/min(采用直徑20 mm噴嘴),使用擋風(fēng)設(shè)施。當(dāng)焊槍使用小直徑噴嘴燒深而窄坡口焊縫時(shí)，氣體流量要小一些;反之，焊槍使用大直徑噴嘴燒焊時(shí)氣體流量要大一些。

4.3.4 CO2氣體保護(hù)焊打底層操作技術(shù)

打底層焊接。采用月牙形擺動(dòng)焊接法和鋸齒形擺動(dòng)焊接法。板厚超過(guò)18 mm，根部間隙(12 mm以上)可采用月牙形擺動(dòng)焊接法，擺動(dòng)時(shí)保持熔池水平位置，電壓不宜過(guò)大，以保證反面成型良好。板厚在18 mm以內(nèi)，根部間隙為8～12 mm是采用鋸齒形擺動(dòng)焊接法，使熔池確保在焊縫溶池中心線的位置，以保證根部成型良好[7]。

在保證能夠熔透的前提下盡可能采取小電流焊接，減少焊接線能量，因?yàn)楹癜宕虻讓雍苋菀自诤缚p中心位置出現(xiàn)熱裂紋。焊接參數(shù)：CO2打底I=190 A，U=27 V，填充I=260 A，U=30 V，蓋面I=250 A，U=30 V?，F(xiàn)場(chǎng)焊接觀察發(fā)現(xiàn)藥芯CO2焊絲單道焊接，焊縫焊的越厚越容易產(chǎn)生熱裂紋，焊縫厚度應(yīng)控制在5 mm以下。

實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)行陶瓷襯墊單面焊雙面成型打底層焊時(shí)，焊絲位置指向熔池位置過(guò)于靠前，襯墊成分過(guò)多的熔入焊縫金屬，導(dǎo)致打底層低溫沖擊吸收功較低[8]。所以焊接時(shí)應(yīng)將焊絲指向熔池1/3處。

用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底焊，嚴(yán)格按照產(chǎn)品WPS焊接規(guī)范，根據(jù)坡口間隙，焊槍應(yīng)作適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)，以保證根部坡口兩側(cè)熔合良好，避免出現(xiàn)未焊透缺陷[9]。

4.3.5 CO2氣體保護(hù)焊打底厚度

CO2氣體保護(hù)焊打底厚度的估算決定了CO2氣體保護(hù)焊與埋弧自動(dòng)焊混合焊接的高效率，CO2氣體保護(hù)焊打底層過(guò)厚就會(huì)生產(chǎn)效率低，反之，打底過(guò)薄埋弧自動(dòng)焊會(huì)燒穿打底層。

由于厚板埋弧自動(dòng)焊填充采用多層多道，焊絲直徑4.8 mm，打底完成后坡口間隙(b)為15≥b≥10 mm時(shí)，打底層厚度h≥10 mm不會(huì)焊穿(埋弧自動(dòng)焊I=650 A、U=27 V、V=45 m/h)。當(dāng)間隙b≥15 mm時(shí)，打底層厚度h≥13 mm不會(huì)焊穿(埋弧自動(dòng)焊I=650 A、U=28 V、v=40 m/h)。

影響打底層厚度的變量還有焊縫斜角α。上坡焊隨著斜角α的增加隨重力引起熔池向后流動(dòng)，母材的邊緣熔化并流向之間，對(duì)坡口側(cè)沖刷作用易形成咬邊，熔深增加，熔寬減小，余高增加。所以甲板面合攏焊縫CO2氣體保護(hù)焊打底層厚度應(yīng)增加2 mm，防止焊穿。

4.4 埋弧自動(dòng)焊填充蓋面操作技術(shù)

4.4.1 打底層的要求

CO2氣體保護(hù)焊打底結(jié)束一般焊縫形貌較平整，會(huì)使埋弧自動(dòng)焊填充第一道打底因坡口角度、精度差易發(fā)生坡口側(cè)咬邊或未熔合、另一側(cè)焊趾卷邊或脫渣困難，主要原因?yàn)橐?jiàn)表2。

表2 焊接缺陷產(chǎn)生的原因

上述缺陷在埋弧自動(dòng)焊填充第一道焊縫時(shí)極易發(fā)生，通過(guò)CO2氣體保護(hù)焊打平至預(yù)定厚度后在坡口一側(cè)加一道平角焊。使坡口另一側(cè)形成類似于船形焊形式，當(dāng)埋弧自動(dòng)焊焊絲指向船形根部施焊，采用合適的焊接參數(shù)，使焊接產(chǎn)生上述缺陷的概率減小95%以上。實(shí)踐證明通過(guò)該工藝措施可以有效地避免上述缺陷產(chǎn)生。

4.4.2 起、收弧的疊加

由于工況條件、船體結(jié)構(gòu)影響等，會(huì)存在自動(dòng)化焊接作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生疊加接頭，整體形成約α=30°的斜角，每一層起弧錯(cuò)開(kāi)20 mm。每道收弧應(yīng)預(yù)留上一層約25 mm。見(jiàn)圖1。

4.4.3 埋弧自動(dòng)焊多道蓋面

蓋面第一道應(yīng)選擇焊縫的坡口邊緣，焊道蓋住坡口邊3 mm為宜，焊道寬度C≤26 mm見(jiàn)圖2

圖1 焊縫接頭處理

(焊絲直徑為4.8mm)，當(dāng)焊道寬度C≥26 mm時(shí)，表面粗糙度增加，埋弧自動(dòng)焊電弧變得不穩(wěn)定。

圖2 焊道寬度

蓋面第二道焊絲伸出位置指向第一道焊趾位置再向第一道調(diào)3 mm，使第2道完好地覆蓋住第一道的最高點(diǎn)，見(jiàn)圖3。焊縫整體更圓滑，減小焊縫應(yīng)力集中，以此類推直至蓋面結(jié)束，見(jiàn)圖4。

圖3 第二道焊絲位置 圖4 焊縫蓋面

4.4.4 余高要求

焊縫的余高使焊縫的橫截面增加，承載能力提高但卻使焊趾處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；通常要求余高不能低于母材，最大不超過(guò)4 mm。

4.4.5 焊后熱處理

焊后及時(shí)進(jìn)行消除應(yīng)力的后熱處理，在焊接完成或停止后，立即將焊件后熱到230～250 ℃，并按每毫米板厚不少于5 min進(jìn)行恒溫處理后緩冷且總的保溫時(shí)間不得小于2 h，此后應(yīng)用保溫棉覆蓋緩慢冷卻至環(huán)境溫度，確保焊接接頭中的殘余氫能擴(kuò)散逸出[10]，最大限度減少裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

通過(guò)分析40萬(wàn)t VLOC礦砂船EH36鋼板厚49 mm材料性能，采用CO2氣體保護(hù)焊與埋弧自動(dòng)焊混合高效焊接操作方法并針對(duì)兩種焊接方法在打底、填充、蓋面工藝中所產(chǎn)生的焊接問(wèn)題進(jìn)行工藝優(yōu)化，最大限度避免焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接質(zhì)量明顯提升，生產(chǎn)效率有較大的提高。