高強鋼高效焊接與加工技術(shù)在船舶與海工建造上的應(yīng)用

陳曉俊

一、高強鋼的應(yīng)用與焊接特點

1. 船體結(jié)構(gòu)TMCP鋼

我公司一直以來承接和建造外籍船東的3500TEU、36000TEU/4000TEU等中型集裝箱船，其船體結(jié)構(gòu)大部分是高強度鋼，特別是貨艙區(qū)域的舷頂列板、縱艙壁頂列板、主甲板以及縱向艙口圍壁板為44mm厚板EH3 2/EH36級高強度鋼。為了實現(xiàn)船臺大合攏和分段結(jié)成時厚板立焊自動高效焊接，保證建造的焊接質(zhì)量，提升建造集裝箱船的水平，我公司開展了“45mm厚板EH36級鋼垂直氣電自動焊（SEGARC法）工藝”應(yīng)用研究。通過一系列焊接性試驗，研究分析了鋼板性能、焊接材料性能、接頭的坡口形式、焊接規(guī)范和操作方法等因素對焊接接頭性能的影響，掌握了厚板大熱輸入量SEGARC法焊接的關(guān)鍵技術(shù)。

2. 海工裝備鉆井系統(tǒng)高壓泥漿管ASTM4130 高強鋼

ASTMA519Gr4130屬于Cr-Mo系中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的屈服強度和抗拉強度、良好的缺口韌性。由國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量公式計算該材料的平均碳當(dāng)量為0.67。裂紋敏感指數(shù)為0.42，冷裂紋敏感性較高，由于在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，且焊后不能進行調(diào)質(zhì)處理，焊接時易產(chǎn)生冷裂紋和熱影響脆化、軟化，所以在制定焊接參數(shù)時，主要從防止冷裂紋和避免軟化出發(fā)。

在海洋鉆井船、鉆井駁的ASTM A519 Gr4130管道焊接施工中，針對該種類型管線的特點，要獲得優(yōu)良性能的焊接接頭需注意以下幾點：①管段的切割及坡口加工必須采用機械方法，嚴(yán)禁使用火焰切割。②焊接環(huán)境的穩(wěn)定性需要特別重視，當(dāng)焊接施工處于以下任何環(huán)境時，若無有效防護措施，嚴(yán)禁進行焊接施工：雨、雪、霧、焊接區(qū)域大氣相對濕度＞90%。③焊件局部預(yù)熱的加熱范圍為坡口兩側(cè)各150~200mm, 最低預(yù)熱溫度為180℃，最高層間溫度為250℃。④焊接時，每個焊層厚度應(yīng)盡量薄，一般≤5mm。每條焊道的引弧、收弧處要錯開，收弧時填滿弧坑。施焊過程中，要保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

二、高強鋼焊接材料的應(yīng)用

1. 船體結(jié)構(gòu)高強度鋼匹配焊材

船體結(jié)構(gòu)高強度鋼大熱輸入焊接時，焊縫金屬的韌性主要是通過焊接材料來保證的。DW—S43G焊絲屬3Y級焊材，只能滿足30mmAH/DH級鋼和20mmEH級鋼SEGARC法焊接時對接頭的沖擊韌性要求。在45mm厚板焊接時，為彌補大熱輸入焊接時焊縫中心低溫韌性的不足，應(yīng)選用低溫韌性更高的焊材。為此，選用了神戶制鋼的DW—S1L G焊絲、φ 1.6mm，以提高焊縫中心和熔合線的沖擊韌性，其低溫沖擊韌性可滿足GL船級社6Y40V要求，-60℃時V型沖擊韌性試驗的平均沖擊吸收能量≥34J。

2. 高壓泥漿管ASTM4130 高強鋼焊接用焊材

對于4130鋼焊接，一般建議選用低強匹配AWS ER70S—2焊絲打底，若對焊接接頭要求強度較高，可選用等強匹配AW S ER80S—D2焊絲，我公司試驗用焊絲為AWS A5.28 ER80S—Ni1, φ 2.4mm。試驗用焊條為AWSA5.5 E11018G H4, φ3.2mm。

4130 鋼焊接冷裂紋敏感性大，為防止冷裂紋，可選用奧氏體不銹鋼焊絲，例如AWSER308L、E312；對于鉆井船、半潛鉆井平臺等海工裝備高壓管線也可選用焊材類型為AWS A5.28 ER80S—D2，E11018—M。焊材正式焊接時，建議要先去除焊絲表面的銅鍍層和油污，保護氣體氬氣流量要充足，以免產(chǎn)生氣孔；焊前要有溫控措施，且控制冷速；必要時要后熱處理。為提高韌性，可選用70S—3型號焊絲。

三、高強鋼自動化焊接技術(shù)的應(yīng)用

船用高強度鋼EH36 級鋼（TMCP）45mm厚板垂直氣電焊接工藝（見圖1）是我司已經(jīng)應(yīng)用現(xiàn)場產(chǎn)品建造的一項高效自動化焊接技術(shù)。該工藝獲得GL船級社批準(zhǔn)認可，可用于板厚3 6~50mm的DH36、EH32、EH36級鋼（TMCP）立對接縫單道焊接一次成形。

隨著我國提出海洋強國戰(zhàn)略，造船與海洋裝備建造產(chǎn)量將不斷上升，焊接質(zhì)量要求也越來越高。大型化、高效化是現(xiàn)代船舶與海工建造的特點，更高效率、更高質(zhì)量的CO2氣體保護垂直氣電焊工藝在船體結(jié)構(gòu)裝焊中頻繁使用，垂直氣電焊比手工焊、半自動焊更適宜厚板焊接，已成為船體裝焊的共識：焊縫成形好、性能高且均勻、焊接效率高。氣電立焊在船體結(jié)構(gòu)焊接中的主要應(yīng)用有：①船側(cè)大接頭垂直焊縫對接自動焊；②槽型隔壁垂直對接自動焊；③舷側(cè)雙殼隔壁垂直對接自動焊；④氣電立焊超厚板單面焊；⑤氣電立焊角焊；⑥海洋裝備齒條鋼、樁腿等厚板對接自動焊。

雖然在制造領(lǐng)域應(yīng)用如此廣泛，但是氣電立焊的大熱輸入對其配套焊接材料提出了極高的要求，其難點是大熱輸入下焊接金屬的韌性難點。到目前為止，我國船舶建造所需的焊接材料基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但像海洋裝備特有結(jié)構(gòu)高效焊接應(yīng)用中，氣電立焊使用頻率和專用藥芯焊絲研發(fā)等有時候仍然依賴國外技術(shù)和焊材。

同時，也要注意配套的焊接工藝，坡口角度和間隙，焊接電流和電弧電壓，焊絲擺動幅度和停留時間及焊絲伸出長度對焊縫性能的影響。氣電立焊藥芯焊絲的研發(fā)，具有重要的技術(shù)性和經(jīng)濟性。

四、高強鋼切割技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)鍵工藝流程數(shù)控化在我司已得到大力的推廣應(yīng)用。例如某個加工車間，鋼材加工具有型鋼兼鋼板預(yù)處理流水線以及鋼板預(yù)處理流水線各一套。板材下料具有數(shù)控等離子切割機6臺，數(shù)控干式等離子切割機2臺，數(shù)控精細等離子切割機1臺，數(shù)控火焰切割機1臺，數(shù)控切割機6臺。部件裝焊具有自動角焊機21臺，垂直自動焊機17臺，全位置角焊小車26臺。船廠預(yù)處理設(shè)備與等離子切割機分別如圖2、圖3所示。

此外，信息化項目管理在生產(chǎn)設(shè)計、作業(yè)流程及生產(chǎn)組織等方面近年來也取得了長足進步。目前我廠以造船過程的知識融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模和優(yōu)化為特征，逐步將信息化管理方法應(yīng)用于船舶與海工產(chǎn)品高強度鋼的數(shù)控切割和焊接成形管理體系中，利用現(xiàn)有的信息化軟件平臺等手段幫助提高海工項目焊接設(shè)計、完工建造的質(zhì)量和效率，并以此推動我廠船舶與海工裝備制造現(xiàn)代化的管理進程。

圖 1

圖 2

圖 3