耐低溫材料焊接關鍵技術研究

■ 趙連春

1. 概述

耐低溫材料焊接關鍵技術研究是“極地油船建造技術研究”專題的重要組成部分之一，采用理論與試驗相結合的方法，研究冰區極低的環境和海水溫度下焊接材料和焊接技術。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都處于極地低溫的工況下，因此極地航行船舶的焊接結構技術較常規運營船舶均面臨較大挑戰。

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

2. 方案的設計

試驗用板材EH40鋼力學性能數據如表1所示。由表1可知，85mm的EH40鋼的縱向沖擊吸收能量要求達到55J。

本文主要闡述焊接方法為CO2氣體保護焊（FCAW）的焊接工藝研究。根據DNVGL規范的要求，焊接材料需要選用5Y級，經過焊材復驗和焊接工藝性能檢驗等項目的篩選，最終確定CO2氣體保護焊的焊接材料為產自韓國的K—81TK2。焊接試板的規格為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。經過大量的技術研究、探索試驗和與DNVGL和CCS船級社的溝通，最終確定EH40鋼CO2氣體保護焊的方案，項目的試驗研究按照預定方案逐步展開。

表1 EH40 耐低溫鋼力學性能

3. 焊前準備和裝配

坡口加工采用機械加工的方式，以確保坡口表面保持鋼板原有的組織和性能。嚴格控制機加工質量，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）預熱及層間溫度 由于高強鋼碳當量相對較高，本項目用EH40鋼的碳當量為0.46，焊接性差，增加了焊接難度，所以需要嚴格把握焊前預熱并控制好層間溫度。經過碳當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。采用電加熱片進行預熱，采用測溫筆實時檢測試板溫度。焊接過程不可操之過急，每焊完一道都需要測量試板溫度，當試板溫度降到A～B℃之間，方可進行下一道的焊接。

（2）焊接參數 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，熱輸入過大將導致焊縫的力學性能無法滿足試驗要求。本項目的焊接參數如表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焊接接頭設計

圖2 3G焊接接頭設計

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 焊接結束進行外觀檢測，48h后進行探傷，根據DNVGL和CCS規范要求需要進行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行檢測，檢測結果滿足規范要求。圖5、圖6分別為焊后MT和UT探傷檢測現場。

（2）機械加工和性能試驗 根據DNVGL和CCS規范要求，本項目2G、3G兩個位置力學性能種類和數量：拉伸試驗橫向2個（510MPa）；彎曲試驗側彎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。性能試驗的結果全部滿足方案要求。

6. 結語

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

表2 焊接參數