大熱輸入焊接對船用厚板的冶金質量要求

馮勝昆，周文，屈江艷

招商局重工（江蘇）有限公司 江蘇海門 226116

1 序言

在大型船舶制造中，為提高焊接效率，采用大熱輸入焊接工藝已成為大厚板拼板焊縫的必然選擇[1]。我公司在焊接長18m、厚49mm的 EH36拼板焊縫時采用雙絲埋弧焊工藝，其焊接熱輸入達60～80kJ/cm，焊接效率較普通單絲埋弧焊成倍提高。而在焊接工藝一次性評定合格后，進行模擬實際生產工況的大拼板雙絲埋弧焊焊接試驗時，焊縫中不可避免地會產生相當數量的橫向延遲裂紋及少量縱向裂紋，此缺陷是焊接生產中不可接受的，且即使進行手工焊返修，也將極大地降低生產效率。

大熱輸入焊接時，由于焊接熔池區峰值溫度高，焊縫熔合比大，合金元素燒損多，再加之單道焊縫厚度大、形狀不理想，因此所得到的焊縫組織及成分分布不均[2，3]，特別是當母材、焊接材料中雜質元素偏多時，會在焊縫一定厚度上聚集，最終在大拼板強拘束下形成焊接缺陷。雖然船級社規范對用于超過50kJ/cm大熱輸入焊接的鋼材成分、力學性能做了規定，且要求必須通過焊接試驗來驗證其焊接性，但對于大熱輸入焊接工藝來說，首先是對化學成分的限制偏寬松，特別是C、P、S等有害元素；其次是對鋼材成分、組織偏析規定不清，導致母材成分分布不均勻，促使焊接區缺陷的產生；另外，無論是鋼材認可時的焊接試驗還是船廠的工藝評定試驗，因焊接試板尺寸小，同實際生產中的接頭拘束度差異大，所以都不可能有效檢測出鋼材在特定生產條件下的裂紋敏感性。

鋼材的冶金質量是影響焊縫組織及殘余氫含量的重要因素之一，而焊縫成分不良是焊縫裂紋產生的內在原因[4，5]。本文通過焊接對比試驗，在初步確定焊縫裂紋產生原因的基礎上重點研究了鋼材的冶金質量，證明了鋼材冶金質量不佳是實際生產中大熱輸入焊接時焊縫裂紋產生的直接原因。

2 分析方法

2.1 焊接對比試驗

以厚49mm的EH36鋼材供貨狀態、生產廠家及焊接材料牌號為變量，在相同焊接條件下，采用優化的焊接工藝對以上幾個變量進行焊接對比試驗（見表1），接頭形式如圖1所示。

圖1 焊道布置及橫向裂紋位置

表1 不同供貨狀態的母材與焊接材料的試驗組合

2.2 鋼材冶金質量檢測試驗

根據焊接工藝優化后進行的焊接對比試驗結果，初步判定焊縫中橫向及少量縱向裂紋的產生與母材內部冶金質量有較為直接的關系，因此對上述焊接試驗用鋼材進行了成分光譜檢測、顯微組織評定、熱酸浸蝕及拉伸斷口檢測等試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 焊接對比試驗結果

由表1可知，對A廠生產的兩種供貨狀態的該規格鋼板，采用相同的焊接材料H14/S-707T進行焊接，結果為正火態鋼板焊縫中裂紋數量為12處，而采用TMCP態同規格鋼板焊后焊縫中未發現線性缺陷。為排除焊接材料因素影響，采用TSW-12KHG/TF210焊接材料以相同工藝焊接上述兩種供貨狀態的鋼板，結果為正火態鋼板焊后裂紋區域數同樣較多，主要集中于距后焊側表面15～20mm處。而TMCP態鋼材焊縫中仍未發現橫向或縱向缺陷。對焊縫中產生的線性缺陷進行剖析及彎曲試驗，明顯為裂紋缺陷，如圖2所示。

圖2 焊縫中裂紋

因此，初步判定焊縫中產生的裂紋缺陷與鋼材冶金質量關系重大。為進一步驗證上述結論，采用了B廠生產的同材質、同規格的TMCP態鋼板分別進行以上兩種焊接材料焊接，焊后均未發現焊縫中有線性缺陷。

3.2 鋼材內部冶金質量結果

根據焊接對比試驗結果，后續對該規格的鋼板冶金質量進行重點檢查，主要有化學成分光譜檢測、顯微組織評定、熱酸浸蝕及拉伸斷口檢測等試驗，以期檢驗鋼板內部冶金質量。

（1）鋼材化學成分 不同生產廠家及供貨狀態的鋼材化學成分見表2。由表2可知，A廠生產的鋼板，無論是正火態還是TMCP態，其C、S等元素含量均較B廠的高，且其正火態與TMCP態鋼板成分差異不大。

表2 不同生產廠家及供貨狀態的鋼材化學成分（質量分數） （%）

（2）顯微組織評定 分別制取A廠生產的正火態、TMCP態及B廠生產的TMCP態鋼板金相試樣，進行100倍組織檢查，如圖3所示。

圖3 鋼板內部顯微組織評定

由圖3可知，A廠生產的正火態鋼板在厚度中心區存在嚴重的帶狀組織現象，即珠光體偏析，而與其成分相近的TMCP態鋼板內部未見有組織偏析現象；B廠生產的TMCP態鋼板，未顯示有明顯帶狀組織出現。

（3）熱酸浸蝕 用1∶1鹽酸水溶液在80℃條件下對A廠兩種工藝下生產的鋼板試樣進行20min腐蝕試驗，其中試樣2號、3號為正火態，試樣4號、5號為TMCP態，結果如圖4所示。由此可見，相同規格的鋼板，正火態厚度中心處珠光體偏析嚴重，即滲碳體聚集形成帶狀，說明該廠的正火態鋼板厚度中心成分偏析嚴重，特別是S、P等有害元素[6]。TMCP態鋼板雖然元素含量與正火態鋼板差異不大，但通過合理控制軋制過程，減輕甚至避免了帶狀組織、有害元素偏析現象。

圖4 不同供貨狀態鋼板的熱酸浸蝕結果

（4）Z向拉伸試驗 分別對正火態的2號、3號鋼板及TMCP態的4號、5號鋼板試樣進行Z向拉伸試驗，其拉伸斷口形貌如圖5所示。正火態鋼板的Z向拉伸斷口較為平整（見圖5a），且3號試樣斷口有明顯氫白點出現（見圖5b），進一步說明正火態的鋼板厚度中心存在嚴重的雜質偏析，且H等有害元素控制不良；代表TMCP態的4號、5號鋼板Z向拉伸斷口有明顯變形縮頸現象（見圖5c）。而對上述兩種供貨狀態的鋼板分別進行沿垂直軋制方向進行拉伸試驗，力學指標雖然都滿足使用要求，但正火態鋼板均出現了厚度中心斷口分層現象（見圖5d）。

圖5 拉伸斷口形貌

3.3 焊縫中裂紋與鋼材冶金質量關系分析

大熱輸入焊接條件下在焊縫中心距后焊側表面15～20mm區域既有縱向裂紋又有橫向裂紋產生，且均發生于A廠生產的正火態鋼板焊縫中。通過焊接對比及一系列鋼板冶金質量檢測試驗，得出焊縫中產生橫向及縱向裂紋是因為鋼板內部存在嚴重的帶狀組織及有害元素含量高且分布不均。

為適應大熱輸入焊接條件，厚板接頭需具有10～15mm鈍邊量。在正面焊接完成焊道1、2、3后，翻身焊接反面第一道焊道4時（見圖1），為保證根部焊透，需要采用單絲焊接電流超過1200A進行慢速焊接，此時焊接熱輸入超過80kJ/cm，形成一條深度20～25mm指狀焊道，且母材大量熔入焊縫，稀釋焊縫金屬。因帶狀組織是S、P等雜質元素或合金元素偏析的結果[8]，所以這些偏析元素隨著母材大量熔入焊縫，但并不足以充分均勻化，仍可能形成局部偏析。S、P等有害元素得以有更大機會生成低熔點產物，且保持相對聚集狀態，不能從如此深的焊道中上浮至焊道表面，加劇了焊縫金屬的熱脆性。在整個接頭自重強拘束下，在距焊道4表面0～5mm處形成寬大的縱向裂紋。鋼板冶金質量不佳，在內部帶狀組織周圍及鋼板厚度中心雜質元素聚集處殘余氫含量也必然較高，且已被Z向拉伸斷口存在氫白點所證實。因此，雖然焊接材料氫含量很低，且預熱后層間溫度得到了有效控制，但由于母材內氫含量較高，在母材大量熔入形成的大厚度焊縫中，特別是氫溢出不完全，所以在焊道近表面也將存在大量殘余氫。殘余氫在雜質元素偏析處聚集，在大熱輸入帶來的高熱應力及接頭自重強拘束條件下便形成橫向延遲裂紋[7，8]，與縱向裂紋均主要集中于距后焊側表面15～20mm，即反面根部焊道近表面處。

3.4 對大熱輸入船用厚板冶金質量的要求

在鋼板化學成分及力學性能均滿足船級社規范要求時，采用大熱輸入雙絲埋弧焊后焊縫中出現了大面積橫向延遲裂紋及少量縱向裂紋。由此可見，用于大熱輸入焊接的船用厚板需具有更高的冶金質量，同時建議行業規范及采購協議中能夠提出明確要求。

1）嚴格限制鋼板內部產生帶狀組織程度，按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》規定，不應高于3級。

2）盡量減少S、P等雜質元素含量，至少應盡量減輕其偏析程度，且熱酸浸蝕試驗后不應出現明顯的連續黑色條帶。

3）提高鑄坯質量，嚴格限制鋼材內部氫含量。4）不應接收出現拉伸斷口分層的產品。

4 結束語

采用大熱輸入工藝焊接船用大尺寸厚板拼板焊縫時，焊縫中產生的大面積橫向裂紋及少量縱向裂紋缺陷與鋼板內部冶金質量有關，鋼材內部帶狀組織嚴重、有害元素偏析及殘余氫含量高是焊縫中裂紋產生的直接原因。大熱輸入焊接對被焊鋼材的冶金質量更為敏感，因此應嚴格限制鋼材的成分偏析及有害元素含量，提高質量驗收要求。通過模擬實際生產工況的大拼板雙絲埋弧焊焊接試驗及分析，可以提前發現問題，進而制定更有針對性的鋼板采購驗收要求。