極地重載甲板運(yùn)輸船立角焊縱向裂紋的研究和預(yù)防

吳磊磊+陳華+劉博+王超

摘 要： 極地重載甲板運(yùn)輸船的甲板區(qū)域的縱骨與壁板的材質(zhì)為EH36，厚度較厚，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)立角焊的縱向裂紋。作者針對(duì)本船的該類裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，通過分析得出角焊間隙、焊接參數(shù)、擺動(dòng)寬度對(duì)于焊縫的力學(xué)性能有重要影響。

關(guān)鍵詞：極地重載甲板運(yùn)輸船；立角焊；縱向裂紋

中圖分類號(hào)：U671.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The main structure material of longitudinal bars and frames in the polar class heavy transport deck carrier is of grade EH36 with the thickness much more than the normal vessel. The longitudinal cracks were found in the vertical fillet welds on the site. This paper makes tests for this problem， analyses the result and concludes that the gap of T joints， parameters and the range of the width will affect the result of mechanics capability.

Key word： Polar class heavy transport deck carrier；Vertical fillet weld； Longitudinal cracks；

1 前言

本公司承接的極地重載甲板運(yùn)輸船，其水線以上部分基本上都采用了EH36級(jí)別鋼。該船的甲板縱骨和壁板厚度較厚，特別是縱骨厚度達(dá)到了35 mm，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)縱骨與壁板的立角焊縫出現(xiàn)了縱向裂紋的情況。為保證產(chǎn)品質(zhì)量和后續(xù)生產(chǎn)的可行性，需對(duì)該情況進(jìn)行分析，并研究裂紋的預(yù)防措施。

2 現(xiàn)場情況及初步分析

由于本船的壁板和縱骨明顯偏厚，其裝配、焊接后所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力較大，部件的裝配難度也加大。在內(nèi)場甲板段縱骨與壁板的拉入裝配過程中，出現(xiàn)了少量的壁板修割量，隨后在個(gè)別修割后焊接的焊縫上出現(xiàn)了縱向裂紋，裂紋集中在焊縫的趾端靠近壁板一側(cè)。

經(jīng)過碳刨和現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）未熔合。個(gè)別位置經(jīng)過碳刨發(fā)現(xiàn)明顯的角焊縫根部未熔合，主要原因?yàn)楹腹ず笜尳嵌儒e(cuò)誤，同時(shí)出現(xiàn)擺動(dòng)不足的問題，如圖1所示；

（2）弧坑裂紋。部分縱向裂紋的始端有明顯的弧坑裂紋，此應(yīng)為弧坑裂紋在應(yīng)力作用下出現(xiàn)的擴(kuò)展；

（3）間隙過大。由于拉入壁板進(jìn)行裝配時(shí)對(duì)個(gè)別位置的壁板進(jìn)行了修割，而一旦修割不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)該處的角焊縫間隙過大的情況。由于部分操作人員沒有按照要求進(jìn)行加焊或開設(shè)坡口，同時(shí)間隙過大后現(xiàn)場人員會(huì)選擇加大焊接參數(shù)、放大焊接擺動(dòng)的幅度進(jìn)行操作。

根據(jù)上述分析，未熔合和弧坑裂紋是導(dǎo)致縱向裂紋的直接原因，屬于人員操作不當(dāng)，可對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行檢查和糾正。而接頭間隙過大、參數(shù)過大和擺動(dòng)過大，尚沒有直接證據(jù)證明其是直接原因，需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)及分析

主觀分析，由于間隙增大會(huì)引起以下問題：

（ 1 ） 使焊縫填充量增大，加大焊接工作量，增大風(fēng)險(xiǎn)；

（ 2 ） 使角焊縫的表面寬度增大，當(dāng)表面沒有分道時(shí)容易產(chǎn)生擺動(dòng)寬度過大。

為此，對(duì)間隙過大進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)其對(duì)焊接量和角變形的影響：

針對(duì)現(xiàn)場出現(xiàn)的典型間隙數(shù)據(jù)2 mm、5 mm、10 mm進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的間隙情況下，如果只是采取加焊使焊腳加大，則不同間隙的金屬填充量如下表1所列。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，間隙過大時(shí)填充量直線上升，焊接線能量增大。

我們制作了三個(gè)對(duì)比參照組，分別裝配三組工件，在使用一定的卡碼固定的情況下檢驗(yàn)不同的T型接頭單面焊的變形情況，結(jié)果如圖2所示。

從圖2的角變形情況來看，一旦間隙過大時(shí)接頭的收縮變形量大，而本船由于板較厚限制了其自由變形，使得接頭存在較大的應(yīng)力。由此可見間隙對(duì)于立角焊產(chǎn)生裂紋起到重要作用。

在正常情況下，此處角焊縫的焊腳高度為9.5 mm左右，焊縫的表面寬度為14 mm左右，不需要進(jìn)行擺動(dòng)。而如果焊腳分別加大至12.5 mm及17.5 mm時(shí)，焊縫的表面寬度變?yōu)?8 mm及25 mm左右。由于立焊的線能量一般較大，沖擊韌性值較其它位置偏低。針對(duì)此種情況，我們分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)工件為對(duì)接形式，試驗(yàn)焊材相同，母材為EH36，板材厚度為20 mm，取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，一旦擺動(dòng)過寬，焊縫金屬的沖擊韌性值會(huì)嚴(yán)重下降，影響焊縫金屬的性能，所以必須嚴(yán)格控制焊接時(shí)的擺動(dòng)寬度。

4 預(yù)防和改進(jìn)措施

從以上所述情況可知，極地甲板運(yùn)輸船由于結(jié)構(gòu)較特殊、強(qiáng)度較大，如現(xiàn)場操作控制不嚴(yán)會(huì)產(chǎn)生立角焊縫縱向裂紋。間隙過大是造成裂紋的根源，將形成一系列的不良影響，最終由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力及焊縫內(nèi)部缺陷導(dǎo)致出現(xiàn)開口裂紋。所以裂紋產(chǎn)生的主要原因歸結(jié)于T型接頭的間隙過大及人員操作不當(dāng)，未嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。

預(yù)防和糾正措施如下：

（ 1 ） 不得隨意修割，盡量保證接頭的間隙上限不要過大；

（ 2 ） 當(dāng)間隙為3 mm≤g≤5 mm時(shí)，要加大焊腳，同時(shí)注意擺動(dòng)寬度不超過16 mm；

（ 3 ） 當(dāng)間隙>5 mm時(shí)，要求開設(shè)坡口進(jìn)行全焊透，注意擺動(dòng)寬度不得超過16 mm；

（ 4 ） 需注意焊槍的擺動(dòng)角度和避免出現(xiàn)弧坑裂紋，立焊上口包角位置應(yīng)注意包角良好，并可適當(dāng)加大焊腳。

經(jīng)過后續(xù)的跟蹤和檢查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場改進(jìn)明顯，沒有新增裂紋出現(xiàn)。

5 結(jié)語

（1）極地重載甲板運(yùn)輸船由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、板材型材較厚，對(duì)于厚板的立角焊應(yīng)保證角焊縫的間隙，避免出現(xiàn)修割過量，對(duì)于間隙偏大的情況應(yīng)開設(shè)坡口進(jìn)行焊接。

（2）焊接參數(shù)過大、擺動(dòng)寬度過大，將導(dǎo)致角焊的力學(xué)性能嚴(yán)重下降，應(yīng)嚴(yán)格限制操作者的參數(shù)選取和擺動(dòng)幅度，并加強(qiáng)監(jiān)控。endprint