陳慶城 張八虎 潘抓易 陳建輝

（廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462）

半潛船是中國高端裝備制造產(chǎn)業(yè)具有代表性的產(chǎn)品之一，也是一個高技術(shù)、高附加值的船舶，其特點之一是所用結(jié)構(gòu)件板厚大都在40mm～60mm 以上，焊接工作量大。如何采用高效焊接方法以滿足生產(chǎn)需要是擺在造船企業(yè)面前的一道難題。

雙絲埋弧焊（DSAW）是從單絲埋弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效的焊接方法，是一種以電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)效率高、無弧光及煙塵很少的等優(yōu)點。目前在國家原油儲罐焊接制造中，雙絲埋弧焊是廣泛使用的焊接工藝[1-2]，但在造船行業(yè)，雙絲埋弧焊只少量應(yīng)用于分段拼板X 型坡口對接。因此，進行超厚板V 型坡口雙絲埋弧焊試驗，對提高我國船舶搭載焊接效率和技術(shù)水平、降低建造成本具有十分重要的意義。

半潛船甲板為超厚板，采用常規(guī)工藝焊接板厚60mm 的V 型坡口至少需要94 道焊道，效率有待提高，由于多層多道焊接，其角變形也相對更大，同時厚板焊接易產(chǎn)生粗大的枝狀晶粒和焊接磁場電弧偏擺，易因保護不力而出現(xiàn)氣孔及熱裂紋，返修工作量非常大。如何高質(zhì)量、高效率地完成超厚板焊接工作，已成為半潛船建造的重要問題，雙絲埋弧焊的技術(shù)研究及應(yīng)用非常有必要。

1 焊接方法

受建造精度的影響，半潛船甲板的搭載V 型坡口對接縫需要工人進行二次修割，這將導(dǎo)致部分坡口的裝配要求達不到直接使用自動焊的條件。為此，該文工藝應(yīng)用CO2氣體保護焊（FCAW）+雙絲埋弧焊（DSAW）的組合焊接方法，擬采用在結(jié)構(gòu)面貼陶瓷襯墊并使用CO2氣體保護焊打底焊來實現(xiàn)單面焊、雙面成型的目的，同時為雙絲埋弧焊進行填充、蓋面焊創(chuàng)造條件。考慮船塢施工周期，通常一條總段焊縫的焊接難以在一天內(nèi)完成，為保證打底焊縫不受焊接內(nèi)應(yīng)力和外部因素影響而產(chǎn)生裂紋，可以選擇使用FCAW 焊三層打底焊。

2 焊接設(shè)備與焊接材料

2.1 焊接設(shè)備選擇

埋弧焊設(shè)備選擇成都某廠家制造的雙絲埋弧自動焊機。主機使用一臺ZD7 系列大功率直流電源和一臺ZDE-1250 交流方波電源。該設(shè)備為雙弧雙絲埋弧焊，其焊接小車操作簡易且相對輕便（71kg），埋弧焊控制器采用數(shù)字化控制，具有電流、電壓和焊接速度的預(yù)置等功能?；谝陨咸攸c，解決了半潛船搭載現(xiàn)場雙絲埋弧焊應(yīng)用搬運和使用操作上難度較大的瓶頸。

2.2 焊接材料選用

船用鋼的焊接接頭的韌性、沖擊性能和焊接應(yīng)力等關(guān)鍵指標(biāo)對船體焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用，焊接材料必須采用船級社認(rèn)可的焊接材料，以“等強度”為原則進行選材，CO2氣體保護焊選用藥芯焊絲GFL-71Ni，直徑?1.2mm。埋弧焊絲選擇H-14，直徑4.0mm，焊劑選用配套使用的S-707T 焊劑，符合AWSA5.17/ASMESFA5.17F7A6-EH14 標(biāo)準(zhǔn)，并取得DNV.GL、CCS、ABS 等船級社認(rèn)證。H-14 的化學(xué)成分和機械性能見表1、表2，S-707T 的焊劑成分見表3。

表1 H-14 化學(xué)成分（%）

表2 S-707T×H-14 機械性能

表3 S-707T 焊劑成分（%）

3 焊接工藝試驗

3.1 坡口形式設(shè)計

用于焊接試驗的DH36 高強鋼板材規(guī)格為1200mm×200mm×60mm。為實現(xiàn)雙絲埋弧焊的操作，使用CO2氣體保護焊打底焊來實現(xiàn)單面焊、雙面成型，坡口形式設(shè)計成單邊V 型坡口，如圖1 所示。并考慮超厚板焊接需要減少V 型坡口金屬的填充量，以利于快焊速及操作、焊渣脫渣清理和提高焊接質(zhì)量，坡口角度設(shè)計為坡口35°，裝配組對間隙為6mm～12mm，鈍邊為0mm～1mm。

圖1 坡口形式圖

3.2 焊接電源要求

雙絲埋弧自動焊采用2 個獨立的焊接電源，焊槍的布置要求2 個電極在同一直線上，同時2 個電弧需要共同作用于一個熔池，并且前絲電極垂直于工件，以獲得最佳的熔深。前絲電極為直流電源，后絲電極稍微向后傾（60°～80°傾角），以獲得平滑的表面成型。后絲電極為交流電源，2 個電弧作用于同一個熔池，前絲電極與后絲電極的距離不大于25mm，如圖2 所示，確保電弧共同作用于一個熔池。熔池電弧的攪拌作用強，焊縫中的微量元素有較長的時間進行擴散，可降低熱裂紋的產(chǎn)生概率并避免形成氣孔。

圖2 焊絲電源及傾角

3.3 試驗參數(shù)設(shè)計

由于焊接試件較厚，因此焊前需要進行預(yù)熱，其方法為在坡口兩側(cè)各100mm 范圍內(nèi)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為65℃～120℃，層道間溫度控制在250℃以下。對采用圖1 中V 型坡口形式的試板進行焊接，第一～三層采用FCAW 進行打底焊，并采用DSAW 進行多層多道的焊接方法進行填充和蓋面焊。經(jīng)多次試驗，得出的焊接參數(shù)范圍見表4。對試驗板焊縫進行100%MT、100%UT 和100%TOFD 無損探傷，結(jié)果均為合格，后續(xù)將對該工藝進行工藝評定。

表4 焊接參數(shù)范圍

4 焊接工藝評定

4.1 評定方案

工藝評定采用上述焊接材料、焊接參數(shù)及坡口形式，試板材質(zhì)為DH36高強鋼，每件試板規(guī)格為1200mm×200mm×60mm。焊前需要在坡口內(nèi)及兩側(cè)30mm 內(nèi)清除鐵銹、油污等，DSAW焊劑所需烘干溫度為350℃×1h、保溫150℃。FCAW 打底焊接前應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度為最低65℃、最高不超過120℃，焊接層道間溫度控制為250℃以下。試板焊接完成并放置24h 后，對焊接接頭進行外觀及（TOFD+UT+MT）100%無損檢測，合格后進行理化試驗。

4.2 焊接檢驗

4.2.1 沖擊試驗

根據(jù)LR 和DNV.GL 船級社相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，經(jīng)100%無損檢測后，對焊接接頭進行沖擊試驗。沖擊試樣分別在上表面SAW 層、下表面FCAW 層2 層取樣。對SAW 層焊縫中心、熔合線、熔合線+2、熔合線+5 和FCAW 層焊縫中心、熔合線、熔合線+2 進行0℃沖擊韌性試驗，檢測數(shù)據(jù)見表5。焊接接頭上表面與下表面焊縫區(qū)韌性最差，該位置的沖擊值分別為159J 與155J，熔合線處的沖擊值分別為173J 與158J，上表面線外2mm、5mm 及下表面線外2mm 處的沖擊值均接近于母材。在焊縫金屬與母材強度相當(dāng)?shù)那闆r下，焊縫金屬的韌性一般比母材低。由于采用了合適的焊接材料和焊接工藝，因此沖擊試驗數(shù)值滿足船級社的要求。

表5 焊縫不同位置的沖擊韌性值

4.2.2 焊縫拉伸和彎曲

參照GB/T2651—2008，在接頭取拉伸試樣，采用GPTS2000M 試驗機對焊縫進行橫向拉伸試驗。試驗結(jié)果顯示，接頭抗拉強度平均值為591MPa，高于母材520MPa 的抗拉強度，斷裂位置均在母材一側(cè)，接頭抗拉強度較好，數(shù)據(jù)見表6。彎曲試驗所用彎軸直徑為25mm，彎曲角度為180°，結(jié)果表明彎曲試驗結(jié)果合格。

表6 焊縫橫向拉伸試驗

4.2.3 硬度試驗

焊接接頭組織與性能之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系，不同的組織應(yīng)具有不同的硬度，對焊接接頭試樣各區(qū)域測試顯微硬度，硬度試驗測試部位如圖3 所示。以焊縫中心為起始點，依次向熱影響區(qū)及母材區(qū)每間隔2mm 測試其硬度，所測數(shù)值見表7?？芍畲笾禐镠V235，滿足船級社規(guī)范最大值不超過HV350 的要求。

表7 HV10 硬度試驗結(jié)果

圖3 接頭不同位置的硬度測試點（mm）

4.2.4 宏觀金相試驗

焊縫呈銀白色，焊縫外形美觀，余高較小，過渡圓滑。根據(jù)船級社《材料與焊接》規(guī)范第三篇的規(guī)定，對FCAW+DSAW焊縫接頭斷面進行宏觀檢測。經(jīng)檢驗，焊接接頭成型良好，無氣孔、裂紋和夾渣等肉眼明顯可見的焊接缺陷，如圖4 所示。

圖4 宏觀焊接缺陷檢查

4.2.5 微觀組織分析

分別在焊縫中心的根部和填充層取樣進行微觀組織檢測。從圖5、圖6 可看出，焊縫處主要的組織為大量針狀鐵素體和少量塊狀鐵素體。在填充層有比在根部更多的等軸晶粒，原因是經(jīng)過多層多道焊接后，焊道之間有再加熱作用，從而獲得了細小的等軸晶粒，提高了焊縫的力學(xué)性能。

圖5 根部微觀組織形貌（×500）

圖6 填充層微觀組織形貌（×500）

4.3 評定結(jié)論

利用FCAW+DSAW 組合焊接工藝技術(shù)對試件進行焊接，各性能檢測結(jié)果符合LR 和DNV.GL 船級社標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 現(xiàn)場實船應(yīng)用

試驗雙絲埋弧焊技術(shù)經(jīng)過工藝評定，取得了LR 和DNV.GL 船級社認(rèn)可，將FCAW+DSAW 組合焊接技術(shù)實施于G5080、G5098半潛船甲板搭載的分段上。由于V型坡口采用的是單面焊、雙面成型，為控制半潛船甲板超厚板60mm 的焊接變形，采用定位卡碼擔(dān)排固定，其橫向大接縫位置卡碼安裝如圖7 所示?？ùa安裝在結(jié)構(gòu)面，每擋縱骨之間安裝2 個卡碼，并要求在橫縫兩端端頭各加2 根擔(dān)排（1000mm×150mm×25mm）。該擔(dān)排要求滿焊，安裝在板邊50mm 范圍內(nèi)，長排一端需要頂在一側(cè)的肋板上。

圖7 橫向大接縫卡碼安裝圖

縱向大接縫位置卡碼安裝如圖8 所示?？ùa安裝在結(jié)構(gòu)面，卡碼安裝間距300mm 均布，每兩擋肋板之間安裝3 塊擔(dān)排（850mm×150mm×20mm），加強板兩端需要頂住縱骨，并要求與縱骨的立角焊進行雙面焊，坡口兩側(cè)各200mm 雙面焊。同時縱縫兩端端頭也各加2 根長排（850mm×150mm×25mm），該擔(dān)排要求滿焊，安裝在板邊50mm 范圍內(nèi)。

圖8 縱向大接縫卡碼及加強板安裝示意圖

在G5080、G5098 半潛船甲板超厚板現(xiàn)場應(yīng)用過程中，F(xiàn)CAW+DSAW 雙絲埋弧焊的2 個電弧共同作用于一個熔池。熔池電弧的攪拌作用強，可有效消除焊縫邊緣的未熔合。同時焊接時形成的熔池較長，金屬在其固熔態(tài)的時間較長，比單電弧時的冷卻速度和熱循環(huán)過程慢，焊縫中的微量元素有較長的時間進行擴散，熔池的底部面積擴展，不易形成梨形焊道，可降低焊縫熱裂紋的產(chǎn)生概率，同時也有效避免了氣孔等焊接缺陷的形成，經(jīng)（TOFD+UT+MT）100%無損檢測發(fā)現(xiàn)，基本無點狀或線狀缺陷。

將FCAW+DSAW 雙絲埋弧焊和FCAW+單絲埋弧焊（SAW）的組合焊接方法進行對比可發(fā)現(xiàn)，在60mm 的同板厚下，當(dāng)FCAW+DSAW 雙絲埋弧焊技術(shù)輸入功率增加50%時，線能量減少了15%～30%，而焊接速度提高了1.5～2.5 倍，焊接道數(shù)45～47 道減少1/2，同時減少了超厚板V 型坡口的焊接變形，其整體焊接效率提高了30%～50%。

6 結(jié)語

該文進行了FCAW+DSAW 組合雙絲埋弧焊技術(shù)試驗，并根據(jù)船級社規(guī)范要求，完成了LR 和DNV.GL 工藝評定認(rèn)可。在半潛船甲板應(yīng)用中得出以下結(jié)論。

首先，通過采取合適的工藝措施，對超厚板V 型坡口平對接焊縫采用FCAW+DSAW 組合焊接方法，能夠取得良好的工藝性能，同時滿足船級社的相關(guān)規(guī)范要求，取得了較滿意的效果，既保證了焊縫質(zhì)量，又控制住了焊接變形。

其次，采用單電弧進行結(jié)構(gòu)加熱時，由于要增加一道蓋面工件，因此當(dāng)溫度降低以后還需要進行第二次加熱，增加了焊劑熔化時的能量損耗。而雙絲埋弧焊可有效降低工件因二次加熱帶來的能量損耗，該損耗包括工件的熱量損耗、焊劑的二次熱量損耗等，起到了節(jié)能的作用。

最后，用該工藝焊接半潛船超厚板V 型坡口平對接縫，可有效減少焊縫施工時間且質(zhì)量穩(wěn)定，得到了半潛船船東及船檢的高度評價，不僅為我司贏得了聲譽，還積累了技術(shù)經(jīng)驗，為以后高附加值船舶的建造提供了技術(shù)和工藝上的參考。