耐低溫材料焊接關(guān)鍵技術(shù)研究

■ 趙連春

1. 概述

耐低溫材料焊接關(guān)鍵技術(shù)研究是“極地油船建造技術(shù)研究”專題的重要組成部分之一，采用理論與試驗相結(jié)合的方法，研究冰區(qū)極低的環(huán)境和海水溫度下焊接材料和焊接技術(shù)。極地航行船舶由于其航行地域的特殊性，外界大氣和海水的溫度將很長的時間內(nèi)都處于極地低溫的工況下，因此極地航行船舶的焊接結(jié)構(gòu)技術(shù)較常規(guī)運(yùn)營船舶均面臨較大挑戰(zhàn)。

本文針對極地航行油船用EH40低溫鋼焊接工藝進(jìn)行探索研究，通過焊接工藝評定試驗得到船級社認(rèn)可的WPQR（焊評試驗報告）和WPS（焊接工藝規(guī)程），研究成果可以用來支持極地油船的焊接建造。

2. 方案的設(shè)計

試驗用板材EH40鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，85mm的EH40鋼的縱向沖擊吸收能量要求達(dá)到55J。

本文主要闡述焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊（FCAW）的焊接工藝研究。根據(jù)DNVGL規(guī)范的要求，焊接材料需要選用5Y級，經(jīng)過焊材復(fù)驗和焊接工藝性能檢驗等項目的篩選，最終確定CO2氣體保護(hù)焊的焊接材料為產(chǎn)自韓國的K—81TK2。焊接試板的規(guī)格為80 mm×200mm×700mm。

此外，考慮焊評覆蓋所有位置的焊接情況，對該項目做2G、3G兩個位置的焊接試驗。經(jīng)過大量的技術(shù)研究、探索試驗和與DNVGL和CCS船級社的溝通，最終確定EH40鋼CO2氣體保護(hù)焊的方案，項目的試驗研究按照預(yù)定方案逐步展開。

表1 EH40 耐低溫鋼力學(xué)性能

3. 焊前準(zhǔn)備和裝配

坡口加工采用機(jī)械加工的方式，以確保坡口表面保持鋼板原有的組織和性能。嚴(yán)格控制機(jī)加工質(zhì)量，保證坡口表面平整光順。2G和3G的焊接位置粘貼陶瓷襯墊，焊接坡口角度和裝配形式如圖1和圖2所示。

4. 焊接

（1）預(yù)熱及層間溫度 由于高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量相對較高，本項目用EH40鋼的碳當(dāng)量為0.46，焊接性差，增加了焊接難度，所以需要嚴(yán)格把握焊前預(yù)熱并控制好層間溫度。經(jīng)過碳當(dāng)量和鋼板厚度的綜合考慮，加上前期試驗室的探索試驗，最后確定EH40鋼焊前試板預(yù)熱溫度為最低X℃，焊接層間溫度須保持在A～B℃之間。采用電加熱片進(jìn)行預(yù)熱，采用測溫筆實(shí)時檢測試板溫度。焊接過程不可操之過急，每焊完一道都需要測量試板溫度，當(dāng)試板溫度降到A～B℃之間，方可進(jìn)行下一道的焊接。

（2）焊接參數(shù) EH40鋼厚度大，屈服和抗拉級別高，尤其沖擊吸收能量-20℃縱向最小值55J。試驗板厚85mm，焊接量非常大，但是不能采用過大的焊接參數(shù)，熱輸入過大將導(dǎo)致焊縫的力學(xué)性能無法滿足試驗要求。本項目的焊接參數(shù)如表2所示。

（3）焊道布置 本項目用EH40鋼板厚度85mm，焊接過程中焊道依次均勻布置，焊接接頭互相錯開。每焊完一道都要將藥皮和焊渣清理干凈，防止產(chǎn)生夾渣等缺陷。最后一個焊道作為退火焊道，要布置在距離母材2mm以上的位置，本試驗的最后一道焊道布置如圖3所示。焊后外觀如圖4所示，可以清晰地看出蓋面層焊道的布置情況。

圖1 2G焊接接頭設(shè)計

圖2 3G焊接接頭設(shè)計

圖3 焊道布置示意

圖4 焊后外觀

圖5 MT探傷檢測

圖6 UT探傷檢測

5. 焊后檢測

（1）檢測 焊接結(jié)束進(jìn)行外觀檢測，48h后進(jìn)行探傷，根據(jù)DNVGL和CCS規(guī)范要求需要進(jìn)行MT和UT探傷檢測。本項目所有檢測項目報驗DNVGL和CCS船級社。將焊縫的正反面分別進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求。圖5、圖6分別為焊后MT和UT探傷檢測現(xiàn)場。

（2）機(jī)械加工和性能試驗 根據(jù)DNVGL和CCS規(guī)范要求，本項目2G、3G兩個位置力學(xué)性能種類和數(shù)量：拉伸試驗橫向2個（510MPa）；彎曲試驗側(cè)彎4個（4t，180°）；宏觀1個；硬度1個（HV10≤350）；沖擊5組（-20℃，縱向47J）焊縫中心表面1組和根部各1組，熔合線表面1組和根部各1組，熔合線外2mm表面1組。性能試驗的結(jié)果全部滿足方案要求。

6. 結(jié)語

研究成果制作WPQT報告的同時編制了焊接工藝規(guī)程，得到DNVGL和CCS兩家船級社的認(rèn)可，焊接工藝可以應(yīng)用到極地油船的焊接建造中。本項目的研究填補(bǔ)了國內(nèi)耐低溫EH40鋼焊接工藝的技術(shù)空白，焊接工藝滿足焊評試驗的所有檢測項目。該項工藝技術(shù)為極地油船的焊接建造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

表2 焊接參數(shù)