EH级高强度船体结构钢厚板的焊接

1、 EH级高强度船体结构钢厚板的焊接上海船厂船舶有限公司孙斌李建萍概述近年来，我公司承建的30,000吨多用途重曲船和3,500箱集装箱船等船的船体结构中大量地使用高强度钢，高强度钢的应用率已占70-80%,而以前船舶产品中高强度钢的应用率一般不超过15%o尤其是由于30,000吨多用途重巾船和3,500箱集装箱船的结构特性，相当多区域结构中所用高强度钢的板厚很厚，因此对材质的韧性要求很高，达到EH级要求。30,000吨多用途重曲船中，舱口围壁板为40mmEH36级高强度钢，320吨克令用基座结构中有45mm、50mmEH36级高强度钢，挂舵壁上使用/60mm、80mmEH36级高强度钢；3,5

2、00箱集装箱船中，货舱区域的上甲板为44mm.55mmEH32级高强度钢，舷侧顶列板和纵舱礎顶列为44mmEH32级高强度钢板，舱口围壁板为44mmEH36级高强度钢板，机舱区域机座纵桁材也使用了44mmEH32级高强度钢板。对EH级高强度钢焊接的技术耍求很高，特别是厚板焊接的技术难度更大。因此，解决厚板EH级高强度钢的焊接技术问题，成为船体建造中需耍解决的关键问题。为此，我们试用焊接新技术、新工艺和新材料，根据徳国劳氏船级社（GL）规范的耍求，对厚板EH级高强度钢的焊接性进行了一系列焊接工艺试验和分析后，最后确定了采用CO?气体保护焊和陶质衬垫CO?气体保护焊单面焊为主要的高效焊接方法，并配

3、合必耍的预热工艺措施，成功解决了厚板EH级高强度钢的焊接技术难题，通过GL船级社焊接工艺认可，并保证了较高的焊接生产效率。EH级高强度钢的性能在船用高强度钢中，EH级材质性能最好：除了强度高、塑性好外，韧性特别好，能满足-40C低温工作时对冲击性能的耍求。这是由于它们含C量较低，含Mn量较高，此外除了用A1脱氧细化晶粒外，还有Nb、V等元素细化晶粒。EH32、EH36级高强度钢的化学成分指标见表1,力学性能指标见表2。表1EH32、EH36级高强度钢的化学成分（）钢板等级CMnSiPSAlNbVTiCuNiCrMoEH32W0.180.901.60W0.50W0.035W0.03520.015

4、0.02-0.050.05-0.10w0.20w0.3w0.4w0.2w0.08EH36表2EH32、EH36级高强度钢的力学性能钢板等级b(N/ninr)(N/mnr)As(%)-40CAKV(J)(纵向)tW50(mm)50VtW70(mm)70VtW100(mm)EH32440-570$31522$31$38$46EH36490-630$355$21$34$41M50厚板EH级高强度钢焊接时存在的主要问题钢材的焊接性能主要取决丁它的化学成分以及厚度。EH级高强度钢是含有一定量的合金元素及微合金化元素的低合金高强度钢，其焊接性与一般强度的碳钢有差别，主耍是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接

5、热输入较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大。EH级高强度钢母材中所含微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素能细化钢的晶粒,但是如果焊接时采用的工艺不当，焊接热输入过大，破坏了它们细化晶粒的作用，反而会使接头热影响区的韧性变得很坏，其主耍表现在焊接接头熔合区和热影响区的冲击韧性严重下降。因此，焊接引起的接头脆化问题是EH级高强度钢焊接时存在的一个主要问题。钢的淬硬倾向越大，结构中拘束应力越大，接头中含氢量越高，焊接接头就越容易出现冷裂纹。根据碳当量可以判断钢材的淬硬倾向，它将有助丁判断钢材的冷裂倾向。可按下列碳当量计算公式对EH级高强度钢的碳当量C绍进行估算：碳当量的计算公式：cc+

6、警+。+丫+斗#%一般情况下，EH级高强度钢的碳当量C/J、T0.45%,焊接性较好；但当碳、镭含量都接近规定的上限值时，其碳当量Cy耍大于0.45%,淬硬倾向不可忽视，耍求采用预热施焊。钢材的厚度、结构的刚性都会直接影响拘束应力的大小。增加钢材厚度，增大结构刚性，都会使拘束应力变得更大，从而使冷裂的危险性增加。此外，由于钢材厚度增大提高了焊缝的冷却速度，增加了淬硬的可能性，也提高冷裂倾向。因此，焊接时可能产生冷裂纹问题是厚板EH级高强度钢焊接时存在的的另一个主要问题。另外，由丁焊接操作因素的影响，厚板焊接容易产生焊接缺陷，也是影响厚板EH级高强度钢焊接质量的原因。焊接工艺措施根据GL规范耍求

7、，EH级高强度钢焊接接头的强度和塑性指标应不低丁对母材的耍求，韧性指标应满足20C时冲击性能AKV值247J（立焊234J）。为解决厚板EH级高强度钢焊接时的问题，在焊接工艺上主要是耍采用小热输入量方法焊接，并采取必耍预热措施。1）焊接方法CO?气体保护焊的电流密度大、熔深较深、热量集中，电弧穿透力强，熔化系数大，因此生产效率高，而其平均热输入量小、焊接变形也小；而且CO2气体保护焊焊接的含氢量小，抗裂性能好；并且CO2气体保护焊焊接操作较容易，适合全位置焊接，并可采用陶质衬垫实现单面焊双面成形。陶质衬垫CO2气体保护焊单面焊,是一种高效率低成本的焊接技术，将较难操作的仰焊位置改为平焊，改善了

8、焊工的劳动条件，能使得接头在单而施焊的情况下完全焊透，省去了反面扣槽和打底焊，焊接变形小，焊接效率比手工电弧焊提高35倍。因此，经一系列的焊接试验，我们选定CO2气体保护焊和陶质衬垫CO?气体保护焊单面焊作为厚板EH级高强度钢焊接的主耍方法。2）焊接材料药芯焊丝CO?气体保护焊具有电弧稳定、飞溅小、焊接成形美观等优点，而且易丁调整药芯合金成分來满足焊缝金属对力学性能的耍求，特别是对焊接材料低温韧性的高要求。根据GL规范耍求，焊接大于50mm的高强度钢板厚时，使用的焊接材料的韧性耍提高12个等级，即焊接材料的低温韧性能满足-40C或-50C时对冲击性能的耍求。因此，经试验，我们选用了3YH10等

9、级药芯焊丝用于焊接50mm以下板厚的EH级高强度钢板，选用了5YH5等级药芯焊丝用丁焊接50mm以上板丿7的EH级高强度钢板。焊接规范焊接试验表明，采用过大热输入量时，奥氏体晶粒会迅速长大，使韧性下降。当采用过小热输入量时，易得到一些马氏体淬硬组织。特别是陶质衬垫CO?气体保护焊单而焊，接头根部区域一冇是韧性较薄弱的地方，不同焊接位置耍采用不同间隙和坡口角度來控制热输入量。厚板焊接时必须采用多层多道焊法，严格控制层间温度，层间温度不得小于要求的预热温度，但也不得大于250Co为了得到良好的焊接接头性能，必须严格控制焊接规范。表3为45mmEH36级高强度钢板陶质衬垫CO2气体保护焊单面焊焊接规

10、范。表345mmEH36级高强度钢板陶质衬垫CO2气体保护焊单面焊焊接规范焊接位置焊接道数预热温度CC)层间温度(C)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度(mm/min.)平焊1100200301072150210329832016023030263211502202980立焊11001602548215017026683101601802680111501702638横焊11002002893231502002820043116022028247323715020026300预热工艺焊前预热有降低冷却速度，减少焊接应力和防止冷裂纹的作用，与合适的焊接热输入量配合，可以控制焊接接头的组织和性能

11、。因此，预热是解决厚板EH级高强度钢焊接问题的重耍工艺措施。预热温度是根据母材的碳当量、板厚、焊材含氢量和焊接热输入量以及环境温度来确定的。EH级高强度钢焊采用CO?气体保护焊时，焊前预热温度的选择也可参照表4进行。实际预热焊接接头长、接头板厚较厚，为保证预热效果及制造质量，因此选择采用控制电加热方式进行预热。由于采用较合理的焊接工艺，抗拉强度、冷弯试验和冲击性能试验结果都符合GL规范耍求。表5是采用3YH10等级药芯焊丝进行45mmEH36级高强度钢板陶质衬垫CO?气体保护焊单而焊试验结果中接头根部的冲击性能数据。从表中试验数据可以看出，冲击韧性基本达标，但立焊的根部性能较差，这主耍是由丁立

12、焊的热输入量最大。表4预热温度的选择碳当量CM%)坏境温度(C)板厚(mm)预热温度(C)0.380不预热0.38-0.455任何板厚100-150N50.45M5任何板厚100-150表5焊接接头根部冲击试验数据焊接位置试验位置20CfAKV(J)平焊焊缝中心76,98,78熔合区136,84,178距熔合区2mm处热影响区250,256,254立焊焊缝中心56,63,67熔合区70,100,98距熔合区2mm处热影响区220,218,230横焊焊缝中心162,142,140熔合区128,176,188距熔合区2mm处热影响区208,230,220焊接施工耍点焊前清洁做好接缝的清洁工作，耍清

13、除氧化铁渣、铁锈、水汽、油污和杂物等，以减少焊接时氢的來源。清洁范围应在接头两侧各20毫米。定位焊要求EH级高强度钢的定位焊焊前应预热，且定位焊预热温度应高于主焊缝耍求的最低预热温度约20Co定位焊预热可以采用燃气火焰进行局部加热。定位焊应焊于接缝内，定位焊焊缝的长度大于50毫米，间距200毫米，焊脚高35毫米。定位焊缺陷应在焊前清除。预热施工预热施工是保证厚板EH级高强度钢焊接质量的关键，所以预热必须按预热工艺耍求严格进行。预热温度必须适当，过低达不到降低冷却速度、减少焊接应力和扩散氢含量的目的；过高会引起热影响区晶粒的长大，降低接头的韧性和塑性。预热施工应均匀地进行，尽量整条焊缝同时进行。

14、如预热周部不均，则会造成温差引起的应力，不利丁焊接。因此，应尽量采用控制电加热方式对整条焊缝进行预热。当采用电加热方式时，应注意防止触电和烫伤。电加热板尽量布置在施焊焊缝的反面，方便焊接施工。引弧引弧应在坡口或角焊焊道范围内进行，严禁在坡口之外的钢板上随意乱引弧，造成弧伤的地方必须用砂轮磨尽。乱引弧时被电弧打伤的地方极容易由丁冷却过快而出现微小裂纹等缺陷，这种缺陷流在结构上可能会发展成大裂纹而造成事故。5）多层多道焊厚板焊接时必须采用多层多道焊，不得用单道阔焊缝焊法，否则极易造成热输入量过大，影响接头的韧性。严格控制层（道）间温度，层（道）间温度不得小丁耍求的预热温度，但也不得大于250Co长

15、焊缝焊接时耍保持整条接头的多层多道焊，不能局部一次焊完。对30mm以上厚板对接盖而焊也应多道焊，且先焊两边焊道，最后再焊中间焊道。长焊缝每道焊接时宜采取分中退步法，即从分段对中开始向两面焊接，每段焊接250mm,打底焊时，每段焊缝焊完后立即锤击焊道，减少接头应力，并清除焊渣。6）陶质衬垫CO?气保护单面焊板厚接头采用陶质衬垫CO?气保护单而焊时，喷嘴应使用厚板焊接专用的细长导电嘴。焊丝定为1.2mm的药芯焊丝；打底层焊接电流不得大于200A：焊接速度不大于15cm/min：打底层厚度45mm为宜；打底层焊缝应一次连续焊完。在打底焊后应连续完成第二层的CO?气保护焊。7）低位横向焊接分段制造阶段

16、，主甲板与舷侧顶板接缝的焊接位置处丁低位横向位置，为确保接缝的全焊透质量耍求，应采用小口径喷嘴打底焊，确保根部焊接质量。焊接电流不宜过大，控制在200A左右，电压28V,气体流量20-25升/分，保证焊接的一次合格率。8）焊接夹渣缺陷的控制由于板比较厚且坡口角度较小，在焊接时易产生夹渣，最易出现夹渣的是在每层焊缝的两个角，也就是和母材熔合的区域。应从以下儿方面注意防止产生夹渣：使用合理的焊接电流电压，使母材与填充金屈充分熔合。要使用适当的焊枪角度。认真清理焊接过程中的杂质，如焊渣、飞溅等。每道焊缝焊接时，焊接手势宜采用小摆动，焊接速度不宜过快。确保每道焊缝的平滑过渡。9）焊缝修补焊缝修补用焊条等级应与原施焊接头耍求的焊材等级耍求相同。焊补时应将焊补处预热至100150C,局部修补处焊道长度必须大于50毫米。小结焊接接头脆化和焊接冷裂纹是厚板EH级高强度钢焊接时需耍防止的二大问题。采用小的焊接热输入量方