袁中龍，張京華，熊慶和，宋光濤，劉業(yè)廷

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在半潛式平臺(tái)船體建造過(guò)程中，一般會(huì)在鋼材加工前進(jìn)行表面噴丸除銹，并涂上一層車間底漆，通過(guò)這樣的預(yù)處理來(lái)提高鋼材的抗腐蝕能力。噴涂的普通車間底漆如不被徹底清除，會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程中產(chǎn)生大量的氣孔，大幅降低焊縫合格率，從而嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量[1，2]。為了免除打磨車間底漆的工作量并保證焊接質(zhì)量，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各車間底漆廠家開(kāi)發(fā)了可焊接車間底漆。我公司承建的半潛式平臺(tái)項(xiàng)目中，就選用了該類型車間底漆。

另外，由于半潛船體中存在大量的球扁鋼與壁板的長(zhǎng)直角焊縫，所以這為采用機(jī)械化焊接方式提供了很好的應(yīng)用場(chǎng)景。在長(zhǎng)直焊道焊接的情況下，相比手工藥芯氣體保護(hù)焊工藝，機(jī)械藥芯小車焊接工藝主要的優(yōu)點(diǎn)有：①由機(jī)械藥芯小車夾持焊槍進(jìn)行焊接，以替代人工握持焊槍操作，在大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也大幅降低了對(duì)焊工技能水平的要求。②現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，一名焊接操作工可以同時(shí)跟蹤多臺(tái)焊接小車，這樣既提高了施工效率，又極大地緩解了焊接人員短缺的問(wèn)題。③機(jī)械藥芯小車焊接時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定可靠，焊接質(zhì)量高，焊接缺陷少，避免了手工焊接時(shí)人為因素導(dǎo)致的焊接質(zhì)量問(wèn)題。④機(jī)械藥芯小車可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)焊接，焊接效率較之手工焊效率得到很大提升。因此，進(jìn)行機(jī)械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝開(kāi)發(fā)，對(duì)于項(xiàng)目的高效施工具有極其重要的意義。

2 試驗(yàn)材料

工藝開(kāi)發(fā)試驗(yàn)用母材采用湖南華菱鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ABS EH36鋼板，供貨態(tài)為TMCP。由于該供貨態(tài)鋼板是在降低碳含量和合金元素含量的前提下，主要通過(guò)控軋與控冷來(lái)獲得主要的性能，因此其具有優(yōu)良的焊接性。其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)用ABS EH36鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)用ABS EH36鋼板力學(xué)性能

藥芯焊絲選用天泰焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表3，力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表3 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ主要化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ力學(xué)性能

選用JOTUN MUKI Z 2008無(wú)機(jī)鋅車間底漆，從廠家提供的焊接性報(bào)告可看出，該底漆適用于焊接，其噴涂于試件母材的平均漆膜厚度不超過(guò)30μm。

3 試驗(yàn)設(shè)備

藥芯氣體保護(hù)焊設(shè)備采用松下數(shù)字逆變YD-500ER2通用CO2/MAG焊機(jī)（見(jiàn)圖1a），其輸出電流為60～550A，輸出電弧電壓為17～41.5V，外殼防護(hù)等級(jí)為IP21S，對(duì)于碳素鋼藥芯焊絲適用焊絲直徑為1.2mm與1.4mm。送絲控制系統(tǒng)采用IVF技術(shù)，能夠保證強(qiáng)勁的送絲力，確保送絲穩(wěn)定，適應(yīng)大距離延長(zhǎng)電纜作業(yè)。焊接參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，操作容易。

機(jī)械藥芯小車采用中船重工鵬力（南京）智能裝備系統(tǒng)有限公司的多導(dǎo)向形式焊接小車（見(jiàn)圖1b），能夠?qū)崿F(xiàn)行走速度15～880mm/min，且具有直線擺動(dòng)功能，配合固定軌道進(jìn)行焊接。焊接小車可進(jìn)行行走方向、擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)模式、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)中心位置和左右停留時(shí)間等各種擺動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖1 焊接設(shè)備

4 焊接工藝開(kāi)發(fā)

（1）試板準(zhǔn)備 試板厚度為25mm，進(jìn)行對(duì)接坡口焊與角焊縫的焊接試驗(yàn)，具體的試板尺寸如圖2所示。對(duì)接坡口焊采用2G位置，角焊縫選取2F位置。

圖2 試板尺寸

（2）漆膜厚度控制 由于鋼材坡口均噴涂了車間底漆，所以焊接時(shí)產(chǎn)生的煙塵量較不噴涂底漆焊接時(shí)明顯增多，這可導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔的概率增加，而局部車間底漆漆膜過(guò)厚會(huì)加劇這種情況。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，將漆膜厚度控制在30μm以內(nèi)，可以避免焊接接頭中氣孔的產(chǎn)生。

（3）焊接小車導(dǎo)軌鋪設(shè) 在機(jī)械化焊接中，導(dǎo)軌鋪設(shè)的狀況會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。鋪設(shè)的導(dǎo)軌要與坡口面一側(cè)的距離相同，且固定牢靠。在開(kāi)始焊接前要進(jìn)行焊接小車空跑，以檢驗(yàn)導(dǎo)軌的鋪設(shè)狀況。

（4）預(yù)熱溫度與層間溫度 通過(guò)母材的材質(zhì)證書計(jì)算其碳當(dāng)量為0.34%，說(shuō)明其具有優(yōu)良的焊接性，因此選取預(yù)熱溫度為20℃。為了滿足EH36材料－40℃的低溫沖擊性能要求，限制最大層間溫度為250℃。

（5）焊接參數(shù) 為了保證焊接接頭滿足－40℃低溫沖擊性能要求以及防止產(chǎn)生淬硬組織，除控制預(yù)熱與最大層間溫度外，還需要對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行限制。過(guò)大的熱輸入會(huì)導(dǎo)致焊接接頭晶粒粗大、組織粗化，使焊縫與熱影響區(qū)韌性降低；過(guò)小的熱輸入會(huì)使焊接接頭冷卻速度過(guò)快，容易產(chǎn)生淬硬組織，造成接頭硬度超標(biāo)且容易開(kāi)裂。最終選取的焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 最終選取的焊接參數(shù)

（6）其他注意事項(xiàng) 對(duì)于采用可焊接車間底漆且膜厚滿足要求的坡口，可不去除車間底漆進(jìn)行焊接，但需要在焊前清除水分、鐵銹、油污等污染物。焊工在帶底漆焊接過(guò)程中應(yīng)更加注意焊接操作，如發(fā)現(xiàn)明顯異常，如電弧不穩(wěn)、氣孔傾向增大等情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止焊接。

5 檢測(cè)結(jié)果及分析

試件焊接完成48h后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，且在檢測(cè)合格后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

（1）無(wú)損檢測(cè) 對(duì)接試件進(jìn)行外觀觀察、磁粉及超聲波檢測(cè)，角焊縫試件進(jìn)行外觀觀察與磁粉檢測(cè)，結(jié)果均滿足AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)要求。

無(wú)損檢測(cè)結(jié)果證明，機(jī)械藥芯小車帶車間底漆焊接并沒(méi)有使焊縫內(nèi)部的氣孔超出標(biāo)準(zhǔn)要求，也沒(méi)有產(chǎn)生其余的不可接受的缺陷。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn) 主要包含減截面拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、宏觀金相和硬度試驗(yàn)。對(duì)接試件需要進(jìn)行以上全部性能測(cè)試，角焊縫試件僅進(jìn)行宏觀金相試驗(yàn)與硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)需要根據(jù)ASTM A370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》要求進(jìn)行，對(duì)接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，對(duì)接與角焊縫試件宏觀金相如圖3所示，對(duì)接試件與角焊縫試件的硬度見(jiàn)表7。

表6 對(duì)接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 對(duì)接與角焊縫試件宏觀金相

表7 對(duì)接試件與角焊縫試件的硬度 （HV10）

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度值大于標(biāo)準(zhǔn)要求的490MPa，側(cè)彎試樣180°彎曲后無(wú)缺陷，－40℃下焊縫與熱影響區(qū)位置的沖擊吸收能量均滿足單值＞34J、平均值＞47J的要求。其中由于母材為TMCP供貨態(tài)鋼板，其通過(guò)控軋獲得細(xì)小晶粒而具有良好的韌性，而在焊接時(shí)，受多次焊接熱循環(huán)的影響，其熔合線的晶粒在焊接連續(xù)加熱與冷卻過(guò)程中粗化，形成脆性組織，從而導(dǎo)致焊接接頭的熔合線韌性較之熱影響區(qū)其他區(qū)域顯著降低。圖3的宏觀金相無(wú)氣孔、未熔合等缺陷，硬度檢測(cè)結(jié)果均低于325HV10。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械藥芯小車帶車間底漆的焊接接頭各項(xiàng)指標(biāo)均滿足項(xiàng)目要求，車間底漆并沒(méi)有對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能造成不利影響。且從焊縫的沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，由于采用機(jī)械化焊接方式，減少了人為操作因素的影響，所以焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性得到了提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將車間底漆的漆膜厚度限制在30μm以內(nèi)，并且嚴(yán)格控制最低預(yù)熱溫度20℃，最大層間溫度250℃，選取中等的熱輸入，控制機(jī)械藥芯小車導(dǎo)軌的鋪設(shè)精度，確保了焊接接頭的無(wú)損與理化性能，避免了氣孔、未熔合等缺陷的出現(xiàn)以及焊接接頭的性能不合格。機(jī)械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝的開(kāi)發(fā)，在免除車間底漆打磨去除工作的同時(shí)，采用機(jī)械藥芯小車代替手工焊接，大幅降低了焊前打磨工作量，也降低了對(duì)焊工的技能水平要求，提升了焊接施工效率并降低了成本。