加厚板焊接工藝及焊接過程的質量控制

李紹祥，張兆光

（中海工業（江蘇）有限公司，江蘇揚州 225211）

0 引言

加厚E40鋼板主要應用于船舶中需要承受較大扭曲應力的部位，這些部位的鋼板厚度一般較大。10000TEU集裝箱船的艙口圍、主甲板及抗扭箱區域中最厚部位的鋼板為68mm，該厚度鋼板在焊接工藝的選擇上需要進行重新考慮，并對其焊接質量進行控制。焊接過程中如果操作不當或者焊接質量控制不過關，很容易產生裂紋，產生裂紋的區域一般為根部或者鋼材表面，另外還可能由于冷卻過快等原因導致板材接頭區域發生層狀撕裂，焊接部位如果焊縫粗大，將會降低材料的沖擊韌性。另外，如果工藝選擇不合理，還將大大延長焊接時間，影響焊接質量的同時也會導致焊接效率低下。

1 焊接工藝選擇

1.1 鋼材特點

作為高強度鋼，一般都由不同比例的鐵素體以及奧氏體組成，可以很好的保證鋼板材料的穩定性，同時，兩種結構之間還存在相互制約的作用，對于晶粒的擴散具有很好的抑制作用。其中含有的鉻、鉬以及鎳等元素具有極強的固溶性，大大提高了鋼材的屈服強度。本文所研究的E40鋼板主要由鐵素體（細化）以及珠光體組成，該種鋼材具有高強度特性，同時較傳統鋼材具有較低的韌脆轉變溫度，因此該種鋼材能夠廣泛的應用于船舶制造業，對于提高相應板材的抗腐蝕特性具有很好的效果[1]。

1.2 準備工作

本文研究對象為50mm厚度的E40鋼板，焊接方法采用大熱輸入雙絲埋弧焊，在進行焊接工藝之前，應當進行一定的準備工作，以保證焊接過程順利進行，并對焊接質量的提高具有重要的作用。

1.2.1 加工坡口

一般來說，通常采用數控切割機對50mm加厚板進行坡口的加工，坡口形式一般選擇X型，焊接單側開口一般為50°左右（圖1），這樣可以有效的防止在焊接時變形量過大的問題，提高焊接質量[2,3]。

圖1 X型坡口示意圖

對圖1所示坡口加工的過程中，應當嚴格按照圖紙進行，采用數控切割機進行加工時應當注意坡口表面粗糙度應當盡量低，并且保證無鋸齒痕跡。加工過程中產生的鐵銹應當及時進行清理，以方便進行下一步的焊接工作。假如坡口加工一段時間后方才進行焊接工作，則應對坡口周圍鐵銹進行處理，以保證破口表面光滑、干凈。

1.2.2 板材裝配

加厚鋼板的裝配也應當嚴格按照設計圖紙進行，保證裝配過程中間隙的控制，一般情況下，材料之間縫隙以不超過2mm為最佳，錯位空間也保持在 2mm以內，使各坡口之間的間隙距離保持一致。裝配工作完成之后，開始進行各連接處的定位焊接，在定位焊之前必須先預熱，溫度控制在80℃~120℃左右，定位焊時選用的焊絲必需與正式焊接一致，焊接高度不得超過縫隙高度的70%，嚴格遵循定位焊操作規程，控制焊縫長度在5mm~10mm的范圍之內，相鄰定位點之間距離以400mm為宜。定位焊接操作完成之前必須對定位焊點進行檢查，不合格焊點應當進行清理焊接工作。

1.2.3 預熱工作

大厚度鋼板焊接過程中容易出現焊接裂紋，因此在對大厚度鋼板進行焊接時，應當提前預熱，用以降低焊接過程中接頭部位的冷卻速率。另外，通過預熱過程還可對板材起到去除表面油污以及水分的功能，降低氫含量。但是對于如何合理選擇預熱溫度，應當進行考慮。通常情況下，大厚度鋼材預熱溫度選擇在100~℃150℃之間，鋼材預熱范圍選擇時，局部預熱在焊縫兩側100mm~200mm之間，板材預熱過程應當均勻，防止預熱不均導致應力集中現象，預熱過程可采用專用的火焰加熱器由檢驗人員對溫度進行嚴格控制。

1.3 焊接過程

焊接方法采用多層多道焊，這種方法對焊接速度以及熱輸入量的調整范圍較大，有利于整個焊接過程中熱循環的調整。該種方法針對不同材質的鋼材可以通過控制在不同區域的停留時間進行調整，多層多道焊接方法中，后一焊道對前一焊道可進行再熱，通過不同焊道焊接順序的改變，可以對鋼板結構的變形量和應力起到很好的控制作用。

1.3.1 焊接過程熱輸入的控制

在有關學者對雙絲埋弧焊焊接方法的研究中，通過控制不同的熱輸入對E40鋼材所表現出來的性能進行了分析。結果表明，隨著熱輸入量的增大，相應焊縫的冷卻時間延長，速度變慢，柱狀晶結構在寬度上生長更加容易，先共析鐵素體在沿著原來奧氏體晶界上的析出量減小。同時，隨著熱輸入量增加，相應的焊縫組織中的M-A成分含量增加，但其分布較為均勻，對于結構韌性基本無不良影響；隨著熱輸入量增加，在焊接過程中相應的焊道便會減少，受熱循環的區域也會減小，與之共生的先共析鐵素體含量下降；焊接焊縫可吸收的沖擊功也隨著不同熱輸入的增加而有所增加。

針對以上分析，在焊接過程中，對于熱輸入量的控制應在一定范圍內，通常情況下，將該熱量控制在 5000J/m，過高的輸入熱量會使焊縫冷卻速度降低，從而導致焊縫內部晶粒的長大，影響結構的硬度與強度，過低的熱量值會加快冷卻，容易造成冷裂現象。

1.3.2 控制層間溫度

當進行多層焊接時應當注意層間溫度的選擇，以120℃~250℃為宜，可以使后一焊層在焊接過程中對前一焊層起到除氫的作用，同時能夠使焊接區域的晶相組織得到加強，層間溫度的保持必須依靠穩定的熱輸入量來控制。

2 焊接過程質量控制策略

大厚度高強度E40鋼板的焊接是一個復雜的過程，包括坡口切割、組裝、定位焊接、預熱、焊接、探傷以及最后的熱處理工藝，在這些過程中，必須嚴格遵循操作規程進行作業，以保證焊接質量，降低產品使用過程中的安全隱患。對于焊接過程的質量控制，應當從以下方面進行嚴格管理。

2.1 焊接環境控制

在焊接過程中，環境因素的影響往往不可忽略。環境溫度對焊縫冷卻速度有較大影響，會間接地影響焊縫中的晶相組織，影響其強度與韌性，依據相關技術要求，在進行焊接時，E40低合金高強度鋼的最低許用環境溫度為零下10℃。環境中的濕度對于焊縫中氫含量的影響較大，容易導致氣孔等缺陷，影響焊接結構強度，一般來說，環境空氣的相對濕度應當控制在90%以下[2,4]。另外，在雨、雪等天氣下焊接工作不允許進行作業，必須增加保護措施并且環境濕度控制在90%以下方可進行。

2.2 焊接人員資格控制

焊接工作人員作業水平對焊接產品的質量造成直接影響，所有參與焊接的工作人員都應具備作業資格證，并且嚴格審查資格證所規定范圍是否與工程中的需要相一致，不具備焊工資格的人員禁止進行焊接操作。定期檢查焊工資格證是否超過有效期，對于即將到期的資格證持有人，應當再次進行培訓，獲得資格證延期后方可再次進行焊接作業。在實際工作中，出現產品問題較多的焊工也要對其進行培訓，至達到合格標準方可。

2.3 焊接材料及焊接設備控制

焊接過程中使用的各種材料，如母材、填充材料等，應當進行嚴格的質量控制，所有材料均需經正規途徑采購，產品證明文件齊全，各種銘牌、標志清晰。焊接中使用的各種設備，如電焊機等，其規格參數必須符合相關規定，鑒于雙絲埋弧焊等先進的焊接技術要求穩定輸入熱量等參數，其電流等輸出量必須穩定，且要控制實際電流與顯示電流之間的偏差，顯示設備需經嚴格檢驗。

2.4 焊接工藝控制

焊接工藝的選擇必須滿足工程上對該焊接產品焊接質量的要求，焊縫各項指標是焊接工藝選擇的主要依據。鑒于有些力學性能上的缺陷無法采用無損檢測技術檢出，所以焊接工藝一經試驗確定，必須在操作中嚴格遵守工藝規程，嚴禁隨意改變，以防對焊接質量產生影響。

2.5 檢驗過程控制

焊接產品的質量檢驗主要測定焊接產品是否符合工程要求，這是焊接過程的最后一步也是關鍵一步。該檢驗主要是對技術性缺陷以及工藝性缺陷進行分類，以確定影響焊接質量的關鍵所在，以便于進一步提高焊接質量，滿足工程需要[2,5]。

3 結束語

伴隨著船用大厚度鋼板的大規模應用，其焊接質量對工程質量有直接的影響。本文主要對E40大厚度鋼板的焊接工藝選擇以及焊接質量的控制問題進行了詳細的分析。該研究對于提高E40高強度鋼板焊接質量具有一定的指導意義。

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[2]尚林義, 王東紅. 鋼結構工程焊接質量管理[C]//全國焊接工程創優活動經驗交流會. 2011.

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[5]左家兵, 汪鵬, 梁會作. Q420D材質大厚板焊接工藝[C]//全國鋼結構學術年會. 2010.