疏浚船用Dp6钢焊接工艺性能研究

郭云飞， 包　孔， 周弋琳， 严　峰

(1.上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125； 2.上海海工装备智能焊接制造工程技术研究中心， 上海 200125)



疏浚船用Dp6钢焊接工艺性能研究

郭云飞1,2， 包孔1,2， 周弋琳1,2， 严峰1

(1.上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125； 2.上海海工装备智能焊接制造工程技术研究中心， 上海 200125)

摘要根据疏浚船舶性能要求，首先对Dp6钢的力学性能进行试验研究，结果证明其具有良好的焊接性能及抗冷裂纹性。然后根据项目情况采用手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊、埋弧自动焊三种焊接方法。对所选焊条CHE50、药芯焊丝SQJ501L、埋弧焊丝CHW-S3/焊剂CHF102进行性能试验，结果证明其力学性能与Dp6相匹配。然后进行三种焊接方法的工艺评定试验，结果证明手工电弧焊，焊接线能量控制在1.4～1.7 kJ/mm；CO2药芯焊丝气体保护焊，焊接线能量控制在1.3～1.8 kJ/mm；埋弧自动焊，焊接线能量控制在1.6～2.0 kJ/mm，均可获得良好的焊接接头性能。

关键词疏浚船舶Dp6焊接力学性能

0引言

21世纪是海洋资源开发的新世纪，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标。近年来我国海油的勘探开发工作取得突飞猛进的发展。为了远离大陆的海上施工，提高施工效率是首先应考虑的事情，我国目前能适应南海工况的大型抓斗疏浚船很少，目前已有的较大抓斗疏浚船抓斗容积为30 m3，这些船舶设计都是按照沿海作业，近海调遣来设计的，能否在南海开敞水域作业，也需要分析考证，而且受到抓斗容积限制，船舶的施工效率显然也不能适应南海建设的需要。

目前国内在大型抓斗疏浚船的技术理论研究及产业化开发程度都十分有限，对于特大型疏浚抓斗的相关技术研发更是处于空白，有关技术理论研究十分薄弱。由于大型抓斗长期被日本等少数国家垄断，抓斗长期依靠进口，所以价格一直居高不下，且交货期长，售后服务难以跟上。为实现我国南海发展战略，南海基地建设迫在眉睫，需要一批拥有自主研发产权的海上大型抓斗疏浚船，自主设计和开发大型抓斗疏浚船和大型疏浚抓斗，形成自主知识产权，打破西方发达国家对此领域的垄断，是十分必要的。

作为疏浚船舶的重要组成部分结构人字架、转盘结构、圆筒体结构等的技术制作成为关键技术之一，对此我公司经设计采用船舶高强钢Dp6作为制造材料，降低产品自重，保证焊接制造质量。同时针对不同结构的设计要求需要采用不同的焊接方法进行焊接工艺研究，以满足现场生产需求。

1Dp6钢的化学成分及力学性能

选择南京钢铁生产的Dp6作为试验材料，其化学成分与力学性能如表1、表2所示。

表1　Dp6钢的化学成分

表2　Dp6钢的力学性能

由表1、表2可知本次试验所选钢材的化学成分和力学性能完全满足CCS的标准要求。该钢的P、S含量控制的比较低，并添加了Nb、V等微合金元素。钢板的屈服强度σs、抗拉强度σb都有较大的富余量，良好的屈强比保证钢板有一定的韧性储备。板材冲击功在170 J左右，远大于标准平均冲击功34 J的要求。钢板的优良性能为焊接接头力学试验取得理想的结果奠定了基础[1,2]。

2Dp6钢的斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验

2.1焊接试验方法及过程斜Y型坡口焊接裂纹试验是一种拘束程度较为苛刻的冷裂纹试验方法，其焊缝根部的应力集中系数高达4.7，主要考虑焊接热影响区的根部裂纹情况。根据GB 4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》，对Dp6钢进行了该项焊接性试验[3,4]。试验在室温，60℃，90℃，120℃四种不同的预热温度条件下进行，每组试验一副试板，分别进行表面裂纹率与断面裂纹率检测。试板焊接完成48 h以后对焊缝进行外观检查，然后对试板进行机械加工，对4个横断面进行裂纹率检查。具体试验计划以及试验参数如表3所示。

表3　斜Y型坡口焊接冷裂纹试验

焊接材料选用按照等强匹配的原则，同时考虑疏浚船舶低温的作业环境对冲击韧性要求较高，选择上海大西洋公司生产的CHE50电焊条，由于其含碳量，S、P含量均较低，保证了良好的焊接性，不易产生裂纹与气孔。且该焊条的低温冲击韧性值为47 J大于钢板要求的34 J，保证了焊缝的良好性能。焊条规格采用直径Φ4.0 mm，焊前经350℃约1～2 h烘干，后保温于100℃左右，随取随用，焊接采用直流反接。采用该种匹配方式，对于焊接Dp6钢来说，具有冷裂纹倾向小，预热温度低的优点。

斜Y型坡口焊接冷裂纹敏感性试验需按照GB 4675.1-84标准规定进行，其尺寸与装配图如图1所示。采用手工电弧焊进行焊接试验，先焊拘束焊缝，再焊试验焊缝如图2所示。

图1　试件形状和尺寸装配图

图2　采用手工焊时试验焊缝位置

2.2表面裂纹率与断面裂纹率检查

(1) 表面裂纹率的检查按照GB 4675.1-84标准规定，在焊后48 h后进行，采用着色法测量焊缝表面裂纹(见图3)，按下式计算表面裂纹率。

式中：L为试验焊缝长度(mm)；Cf为表面裂纹率(%)；∑Lf为表面裂纹长度之和(mm)。

图3　表面裂纹长度测量与计算

图4　断面裂纹长度测量与计算

(2) 断面裂纹率的检查，按照GB 4675.1-84标准规定，在试验焊缝上切出同样厚度的4块试样(按试验焊缝宽度开始均匀处与焊缝弧坑中心之间的距离三等分而确定)，检测4个横断面上的裂纹深度(见图4)，按下式对4个横断面计算断面裂纹率，然后求其平均值。

式中：Cs为断面裂纹率(%)；Hs为断面裂纹的深度(mm)；H为试验焊缝的最小厚度(mm)。

2.3斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验结果

表面裂纹率与断面裂纹率检测结果如表4所示。可见30 mm厚Dp6钢常规条件下焊接没有冷裂纹倾向，可以很好地应用于疏浚船舶相关结构。

表4　斜Y型坡口焊接裂纹试验结果

3Dp6钢焊接工艺评定试验

3.1焊接材料的选择

针对疏浚船舶Dp6钢的应用范围较广，且需满足不同的结构形式，故计划完成不同焊接方法的焊接工艺评定试验，焊接方法包括：(1)手工电弧焊，焊材选用CHE50；(2)CO2药芯焊丝气体保护焊，焊材选用SQJ501L；(3)埋弧自动焊，焊材采用CHW-S3/CHF102(采用SQJ501L药芯焊丝气体保护焊打底)。为保证所需焊材满足Dp6钢与项目的应用要求，首先进行焊接材料力学性能试验，具体试验计划如表5所示。

表5　焊接材料力学性能试验计划

焊接材料力学性能试验主要进行焊缝纵向拉伸试验与低温冲击试验，具体试验结果如表6所示。可见所选焊接材料力学性能完全可以满足试验需要。

表6　焊接材料性能试验结果

3.2焊接工艺评定试验

针对疏浚船舶对Dp6钢板的应用，同时根据中国船级社《材料与焊接规范》选择25 mm厚Dp6钢板，X型坡口形式进行焊接工艺评定试验，可覆盖大部分项目板厚范围，具体的焊接工艺评定试验方案与焊接参数如表7所示[5]。

表7　焊接工艺评定试验方案

(1) 弯曲试验。根据中国船级社《材料与焊接规范》的要求进行侧弯试验。每次评定4个试样，试样规格：10 mm×25 mm×260 mm，弯心直径d=4 t，弯心角为180°，弯曲结果全部合格，表现出良好的低温塑性。

(2) 宏观试验。每个评定试验做两个宏观试样，经10%硝酸酒精腐蚀，未见缺陷，结果合格，表明焊接工艺可行。

(3) 硬度试验。每个评定进行一组硬度试验，根据相关标准要求，硬度值HV10≤350，试验结果均合格。

(4) 拉伸试验与冲击试验。拉伸试验每次评定两个试样；冲击试验每次评定进行5个位置的冲击，每个位置3个试样，具体结果如表8所示。力学性能结果均合格。

表8　力学性能试验结果

经焊接工艺评定试验表明Dp6焊缝的综合力学性能良好，也表明采用的焊接材料及焊接工艺参数合理，可以满足生产需要。

4结论

(1) 斜Y型坡口焊接冷裂纹敏感性试验证明，Dp6钢不需要预热就可以获得良好的抗冷裂纹能力。

(2) 焊接材料性能试验证明，试验选用的焊条CHE50，药芯焊丝SQJ501L，埋弧焊丝CHW-S3(焊剂CHF102)三种焊材可以满足Dp6钢的性能要求。

(3) 采用焊条CHE50，焊接线能量控制在1.4～1.7 kJ/mm，Dp6钢可获得良好的焊接接头性能。

(4) 采用药芯焊丝SQJ501L，焊接线能量控制在1.3～1.8 kJ/mm，Dp6钢可获得良好的焊接接头性能。

(5) 采用埋弧焊CHW-S3(焊丝)/CHF102(焊剂)，焊接线能量控制在1.6～2.0 kJ/mm，Dp6钢可获得良好的焊接接头性能。

参考文献

[1]郑英杰, 薛东妹, 柴锋. 大线能量焊接Dp6钢焊接热影响区组织与性能研究[J]. 上海金属, 2010，32(2):30-33.

[2]郭文帅, 覃拥清, 潘丽艳. 柳钢Dp6高强船板焊接性能试验与分析[J]. 柳钢科技, 2015(1):14-16.

[3]李敏,李旺生. A516Gr70钢焊接性试验及焊接工艺评定[C]. 山东金属学会压力加工学术交流会2008年论文集, 2008:329-332.

[4]刑相勤. Dp6级高强度造船板的试验研究[C]. 山东金属学会压力加工学术交流会2008年论文集, 2008:34-41.

[上接第13页]

制船可以节省板材成本约33.2万元，后续单船可以节省板材成本40.2万元。

② 焊材。76 000 t散货船装焊8 000块马板大约需消耗焊材372 kg，折合人民币2 250元。

38 000 t化学品船上装焊6 000块不锈钢马板大约需要消耗焊材274 kg，折合人民币27 400元；装焊5 700块普通马板大约需消耗焊材265 kg，折合人民币1 600元。

(2) 人工成本的降低。

以装配工27元/h的成本计算，76 000 t散货船每船可节省人工成本大约6.6万元，38 000 t化学品船可节省人工成本每船大约8.3万元。

(3) 动能成本的降低。

按照公司综合动能使用成本6.8元/h统计，76 000 t散货船上使用“活动马板”可节约动能1.7万元，38 000 t化学品上单船可以节约动能2.1万元。

4.1.3综合经济效益

综上所述，使用“活动马板”后，76 000 t散货船单船可节约成本16.5万元，38 000 t化学品船单船可以节约成本53.5万元。

4.2社会效益

“活动马板”的应用及推广，对船舶制造而言，可以提高造船效率和船舶建造质量，同时缩短造船周期；对施工人员而言，能大幅降低施工人员的劳动强度、改善现场施工环境；对公司而言，提升公司造船管理水平及竞争力，更为公司实现降本增益打下基础。

Research of the Dp6 Steel’s Welding Performance on Dredging Vessel

GUO Yun-fei1,2, BAO Kong1,2, ZHOU Yi-lin1,2, YAN Feng1

(1. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai 200125, China;

2. Shanghai Engineering Research Center of Marine Equipment Intelligent Welding,

Shanghai 200125, China)

AbstractFirstly, according to the performance requirement of dredging vessel,mechanical property tests on the Dp6 steel were carried out, the results show that welding performance and resistance to cold cracking of Dp6 steel is very well. Subsequently, welding processes of GMAW, SMAW, SAW were adopted to conducting mechanical property tests of welding electrode CHE50, flux-cored wire SQJ501L, submerged arc welding wire CHW-S3/ flux CHF102. Mechanical performance similar with Dp6 was acquired. Finally, the welding procedure qualification tests of three kinds of welding methods were conducted. The results show that welding linear energy controlled between 1.4 and 1.7 kJ/mm(SMAW), the welding line energy controlled between 1.3 and 1.8 kJ/mm(FCAW), welding linear energy controlled between 1.6 and 2.0 kJ/mm(SAW), good welding joint performance can be obtained.

KeywordsDredging vesselDp6WeldingMechanical property

中图分类号U671

文献标志码A

作者简介：郭云飞(1985-)，男，硕士研究生。

基金项目：工信部高技术船舶科研项目计划资助(工信部联装[2012]539号)。