加厚板焊接工艺及焊接过程的质量控制

2014-06-20李绍祥张兆光

船舶标准化工程师 2014年2期

李绍祥，张兆光

（中海工业（江苏）有限公司，江苏扬州 225211）

0 引言

加厚E40钢板主要应用于船舶中需要承受较大扭曲应力的部位，这些部位的钢板厚度一般较大。10000TEU集装箱船的舱口围、主甲板及抗扭箱区域中最厚部位的钢板为68mm，该厚度钢板在焊接工艺的选择上需要进行重新考虑，并对其焊接质量进行控制。焊接过程中如果操作不当或者焊接质量控制不过关，很容易产生裂纹，产生裂纹的区域一般为根部或者钢材表面，另外还可能由于冷却过快等原因导致板材接头区域发生层状撕裂，焊接部位如果焊缝粗大，将会降低材料的冲击韧性。另外，如果工艺选择不合理，还将大大延长焊接时间，影响焊接质量的同时也会导致焊接效率低下。

1 焊接工艺选择

1.1 钢材特点

作为高强度钢，一般都由不同比例的铁素体以及奥氏体组成，可以很好的保证钢板材料的稳定性，同时，两种结构之间还存在相互制约的作用，对于晶粒的扩散具有很好的抑制作用。其中含有的铬、钼以及镍等元素具有极强的固溶性，大大提高了钢材的屈服强度。本文所研究的E40钢板主要由铁素体（细化）以及珠光体组成，该种钢材具有高强度特性，同时较传统钢材具有较低的韧脆转变温度，因此该种钢材能够广泛的应用于船舶制造业，对于提高相应板材的抗腐蚀特性具有很好的效果[1]。

1.2 准备工作

本文研究对象为50mm厚度的E40钢板，焊接方法采用大热输入双丝埋弧焊，在进行焊接工艺之前，应当进行一定的准备工作，以保证焊接过程顺利进行，并对焊接质量的提高具有重要的作用。

1.2.1 加工坡口

一般来说，通常采用数控切割机对50mm加厚板进行坡口的加工，坡口形式一般选择X型，焊接单侧开口一般为50°左右（图1），这样可以有效的防止在焊接时变形量过大的问题，提高焊接质量[2,3]。

图1 X型坡口示意图

对图1所示坡口加工的过程中，应当严格按照图纸进行，采用数控切割机进行加工时应当注意坡口表面粗糙度应当尽量低，并且保证无锯齿痕迹。加工过程中产生的铁锈应当及时进行清理，以方便进行下一步的焊接工作。假如坡口加工一段时间后方才进行焊接工作，则应对坡口周围铁锈进行处理，以保证破口表面光滑、干净。

1.2.2 板材装配

加厚钢板的装配也应当严格按照设计图纸进行，保证装配过程中间隙的控制，一般情况下，材料之间缝隙以不超过2mm为最佳，错位空间也保持在 2mm以内，使各坡口之间的间隙距离保持一致。装配工作完成之后，开始进行各连接处的定位焊接，在定位焊之前必须先预热，温度控制在80℃~120℃左右，定位焊时选用的焊丝必需与正式焊接一致，焊接高度不得超过缝隙高度的70%，严格遵循定位焊操作规程，控制焊缝长度在5mm~10mm的范围之内，相邻定位点之间距离以400mm为宜。定位焊接操作完成之前必须对定位焊点进行检查，不合格焊点应当进行清理焊接工作。

1.2.3 预热工作

大厚度钢板焊接过程中容易出现焊接裂纹，因此在对大厚度钢板进行焊接时，应当提前预热，用以降低焊接过程中接头部位的冷却速率。另外，通过预热过程还可对板材起到去除表面油污以及水分的功能，降低氢含量。但是对于如何合理选择预热温度，应当进行考虑。通常情况下，大厚度钢材预热温度选择在100~℃150℃之间，钢材预热范围选择时，局部预热在焊缝两侧100mm~200mm之间，板材预热过程应当均匀，防止预热不均导致应力集中现象，预热过程可采用专用的火焰加热器由检验人员对温度进行严格控制。

1.3 焊接过程

焊接方法采用多层多道焊，这种方法对焊接速度以及热输入量的调整范围较大，有利于整个焊接过程中热循环的调整。该种方法针对不同材质的钢材可以通过控制在不同区域的停留时间进行调整，多层多道焊接方法中，后一焊道对前一焊道可进行再热，通过不同焊道焊接顺序的改变，可以对钢板结构的变形量和应力起到很好的控制作用。

1.3.1 焊接过程热输入的控制

在有关学者对双丝埋弧焊焊接方法的研究中，通过控制不同的热输入对E40钢材所表现出来的性能进行了分析。结果表明，随着热输入量的增大，相应焊缝的冷却时间延长，速度变慢，柱状晶结构在宽度上生长更加容易，先共析铁素体在沿着原来奥氏体晶界上的析出量减小。同时，随着热输入量增加，相应的焊缝组织中的M-A成分含量增加，但其分布较为均匀，对于结构韧性基本无不良影响；随着热输入量增加，在焊接过程中相应的焊道便会减少，受热循环的区域也会减小，与之共生的先共析铁素体含量下降；焊接焊缝可吸收的冲击功也随着不同热输入的增加而有所增加。

针对以上分析，在焊接过程中，对于热输入量的控制应在一定范围内，通常情况下，将该热量控制在 5000J/m，过高的输入热量会使焊缝冷却速度降低，从而导致焊缝内部晶粒的长大，影响结构的硬度与强度，过低的热量值会加快冷却，容易造成冷裂现象。

1.3.2 控制层间温度

当进行多层焊接时应当注意层间温度的选择，以120℃~250℃为宜，可以使后一焊层在焊接过程中对前一焊层起到除氢的作用，同时能够使焊接区域的晶相组织得到加强，层间温度的保持必须依靠稳定的热输入量来控制。

2 焊接过程质量控制策略

大厚度高强度E40钢板的焊接是一个复杂的过程，包括坡口切割、组装、定位焊接、预热、焊接、探伤以及最后的热处理工艺，在这些过程中，必须严格遵循操作规程进行作业，以保证焊接质量，降低产品使用过程中的安全隐患。对于焊接过程的质量控制，应当从以下方面进行严格管理。

2.1 焊接环境控制

在焊接过程中，环境因素的影响往往不可忽略。环境温度对焊缝冷却速度有较大影响，会间接地影响焊缝中的晶相组织，影响其强度与韧性，依据相关技术要求，在进行焊接时，E40低合金高强度钢的最低许用环境温度为零下10℃。环境中的湿度对于焊缝中氢含量的影响较大，容易导致气孔等缺陷，影响焊接结构强度，一般来说，环境空气的相对湿度应当控制在90%以下[2,4]。另外，在雨、雪等天气下焊接工作不允许进行作业，必须增加保护措施并且环境湿度控制在90%以下方可进行。

2.2 焊接人员资格控制

焊接工作人员作业水平对焊接产品的质量造成直接影响，所有参与焊接的工作人员都应具备作业资格证，并且严格审查资格证所规定范围是否与工程中的需要相一致，不具备焊工资格的人员禁止进行焊接操作。定期检查焊工资格证是否超过有效期，对于即将到期的资格证持有人，应当再次进行培训，获得资格证延期后方可再次进行焊接作业。在实际工作中，出现产品问题较多的焊工也要对其进行培训，至达到合格标准方可。

2.3 焊接材料及焊接设备控制

焊接过程中使用的各种材料，如母材、填充材料等，应当进行严格的质量控制，所有材料均需经正规途径采购，产品证明文件齐全，各种铭牌、标志清晰。焊接中使用的各种设备，如电焊机等，其规格参数必须符合相关规定，鉴于双丝埋弧焊等先进的焊接技术要求稳定输入热量等参数，其电流等输出量必须稳定，且要控制实际电流与显示电流之间的偏差，显示设备需经严格检验。