EH47止裂鋼關鍵焊接技術在工程中的研究應用

胡傳揚，何君華，楊文華，申亞軍，趙文華，姜殿忠

1.舟山中遠海運重工有限公司 浙江舟山 316131

2.中遠海運重工有限公司 上海 200000

3.中建八局鋼結構工程公司 上海 200000

1 序言

EH47止裂鋼中含有較多的合金元素，如Cu、Ni、Cr、Ti、V等用以改善鋼材的性能，因此碳當量比普通的高強度用鋼偏高，焊接性也隨之下降。在焊接過程中，為確保焊接質量、滿足規范要求，EH47止裂鋼焊接工藝的制定尤為重要[1]。本文以EH47止裂鋼在世界首例集船體加長、生活區加高、節能鍋爐安裝及混合式脫硫塔于一身的大型集裝箱船體13800TEU改17200TEU項目的成功應用為例，為類似止裂鋼焊接提供有意義的參考及借鑒。17200TEU集裝箱船體如圖1所示。

圖1 17200TEU集裝箱船體

2 集裝箱船體概況

該工程為13800TEU改17200TEU集裝箱加長改裝項目，共4艘，單船改裝項目包括新增一個貨艙中段、生活區和煙囪加高，以及舷側抗扭梁與主甲板部分角隅板挖補等，單船鋼結構改裝用鋼量約4000t。部分材質為EH47止裂鋼，板厚為50～90mm，其中主甲板角隅板、艙口圍肘板及筋板板厚為65～80mm，舷頂列板加強板板厚為90mm。

該工程船體焊接主要為平焊和立焊，焊接位置及可操作性均比較常規，根據受力構件等強原則，采用EH47止裂鋼，其屈服強度為470MPa級。針對構件類型及焊接特點，生產過程中存在以下要點：①防止焊接過程中出現層狀撕裂。②防止焊接變形。③防止正火鋼熱影響區脆化。

3 EH47止裂鋼焊接技術

3.1 EH47止裂鋼焊接性分析

EH47止裂鋼具有良好的綜合力學性能和加工工藝性能。該工程用EH47止裂鋼與焊材的主要化學成分及力學性能分別見表1、表2。

3.2 EH47止裂鋼熱裂紋敏感度分析

1）碳當量采用國際焊接學會推薦的適用于中高強度的非調質低合金高強度鋼公式計算[2]，得出EH47止裂鋼碳當量為0.46%。由于碳當量越高，淬硬和冷裂傾向越大，焊接性就越差，可以判斷EH47有產生焊接冷裂紋的傾向，屬于淬硬傾向鋼，因此在焊接時應采取適當的工藝措施（見表3）。

表1 EH47止裂鋼與焊材主要化學成分（質量分數） （%）

表2 EH47止裂鋼與焊材的力學性能

表3 不同焊接性等級的工藝要求

2）在冶金過程中對熱裂紋敏感性元素S、P含量控制較為嚴格，而Mn含量較高，在很大程度上抑制了S的有害作用，有助于提高焊縫的塑性，因而可提高其抗結晶裂紋的能力。為了充分發揮Mn元素的有益作用，要求焊縫中應保證一定的Mn/S值。根據表1中EH47止裂鋼的化學成分可知，S、P、Mn的含量分別為0.001%、0.006%和1.42%，因此Mn/S值達到了1420，對提高焊縫抗裂性能發揮了重要的作用[3]。

按照DNVGL規范中對EH47止裂鋼的熱裂紋敏感指數的要求，并根據熱裂紋敏感指數計算公式得出其熱裂紋敏感指數值為0.2，符合規范要求。

4 焊接工藝措施

4.1 焊接材料選用

根據美國焊接規范AWSD1.1及船級社DNV-GLRU-SHIP-PT2規范中等強材料選用的相關規定，EH47止裂鋼焊接可采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊或者埋弧焊。EH47止裂鋼焊材型號選用見表4。

表4 EH47止裂鋼焊材型號選用

4.2 坡口加工要求

該船體改造坡口均采用等離子火焰切割機進行加工，坡口加工后采用打磨機對坡口面存在的脆硬組織進行去除，確保坡口面不影響焊接質量。

坡口的制備原則：坡口越大，焊接過程中熱輸入量越大，焊接后變形也隨之增大；當坡口較小時，焊槍難以擺動，焊接后容易出現根部缺陷，因此選用合理的坡口參數至關重要。該工程坡口加工前均采用計算機模擬放樣方式預制坡口，經計算機模擬后統一選用35°坡口，具體坡口形式如圖2所示。

圖2 坡口形式

4.3 下料余量的加放

由于在焊接施工過程中會產生收縮變形，為避免在建造過程中因短尺而影響精度，因此在對鋼板進行下料時，需加放余量。

4.4 工藝措施

（1）焊前預熱 焊接前應對EH47止裂鋼坡口及其坡口兩側100mm范圍進行預熱，預熱方式統一采用電加熱板預熱，預熱溫度≥125℃，預熱時間≥2h。預熱溫度應在距坡口邊緣76mm位置進行測量，測溫槍需經過有資質的校驗部門進行校驗，確保測量溫度的準確性，具體的測溫位置如圖3所示。

（2）焊接參數 焊接參數必須符合焊接工藝規程的要求，嚴禁大電流焊接，減小焊接熱影響區。兩種焊接方法的焊接參數分別見表5、表6。

圖3 測溫位置示意

表5 藥芯焊絲CO2氣體保護焊焊接參數

表6 埋弧焊焊接參數

（3）加設引弧板、引出板 在焊接引弧和熄弧端必須安裝引弧板、引出板，厚度和材質與母材相同并開設坡口，坡口角度要求與焊縫的坡口一致，坡口長度至少50mm。引弧、熄弧嚴禁在坡口內進行。

（4）定位焊 當采用埋弧焊時，在坡口內側采用CO2氣體保護焊進行定位，定位焊長度100mm并焊接三道，以防止焊縫開裂。定位焊使用的焊材要與CO2氣體保護焊正式焊接的焊材一致。在正式焊接前，需將定位焊縫兩端打磨并光滑過渡。

（5）多層多道焊接技術 該項技術能有效減少焊接熱輸入，進而有效控制焊接變形和焊接應力，在多層多道焊接技術的基礎上，通過錯位焊能有效對下一層焊縫進行熱處理，以減少焊縫中存在的粗晶組織，使晶粒細化。焊接時每道焊縫之間的接頭至少錯開50mm以上，以保證焊縫接頭的質量，具體如圖4所示。當焊槍擺動時，最大焊縫寬度不超過16mm。

圖4 焊接時每道焊縫之間的接頭至少錯開50mm以上

（6）層間溫度控制 在焊接過程中，要保證必要的層間溫度，最小的層間溫度不小于預熱溫度，最高溫度不超過200℃。層間溫度低于所要求的預熱溫度時，可以進行再預熱或采用邊焊接邊預熱的方式來保證層間溫度，從而保證焊接的連續性。

（7）防風措施 在室外進行EH47止裂鋼焊接作業時，如在主甲板、艙口圍板等合攏焊接需要做好防風措施，特別是采用CO2氣體保護焊時更要注意防護。當遇到下雨或下雪天氣時，室外的焊接作業應停止。

（8）防變形措施 EH47止裂鋼的強度高、厚度較大，鋼材在焊接后橫向收縮較大，因此在主甲板、艙口等區域進行合攏焊接時，應采用馬板進行剛性固定，以減小變形。

（9）焊后緩冷 在焊接完成后，采用保溫棉將焊縫區域進行包裹，以減緩焊縫的冷卻速度，降低焊縫的淬硬性，避免焊縫快速冷卻而產生裂紋，確保焊縫的力學性能。

（10）焊后消除應力處理 焊后采用錘擊或者消除應力機器對焊縫進行消除應力處理，采用錘擊時應保證錘擊的均勻性、用力適度，避免出現延遲裂紋。

5 結束語

經過系列船的工程實踐，通過采用以上各項工藝技術措施，在產品的焊接過程中取得了較好的應用效果，確保了該項目中EH47鋼的焊接質量，為EH47止裂鋼及類似鋼板焊接積累了經驗，并為同類工程焊接提供了寶貴的經驗。