沈志根 許志祥 余滋樸

1.概述

在8888TEU、10000TEU等大型集裝箱船上艙口圍區(qū)域大量使用了厚板高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼，且80%以上的艙口圍分段多采用了68mm的EH40鋼。由于目前大型集裝箱船在船塢搭載時艙口圍分段一般采用單只分段散吊的方式進船塢，因此這些68mm的厚板EH40鋼在大接頭部位立對接位置的焊接工作量非常大。

針對這種情況，鑒于適用于立對接位置的高效自動焊工藝，即常規(guī)垂直氣電自動焊工藝由于只使用一根焊絲，且應用的厚度范圍有限（一般≤38mm），所以提出通過采用雙絲同時焊接的垂直氣電自動焊以適應更大板厚的立對接接頭，完成68mm的厚板焊接一次成形，達到提高生產(chǎn)效率和確保質(zhì)量的目的。

2.工藝要素

雙絲垂直氣電自動焊是針對50～70mm的厚板立對接開發(fā)的高效焊接工藝（見圖1），要確保焊接接頭的力學性能及焊縫質(zhì)量滿足相關(guān)船級社規(guī)范要求，必須控制以下工藝要素。

（1）鋼材交貨狀態(tài)要求 由于68mm厚板采用雙絲垂直氣電焊焊接時熱輸入可達400kJ/cm，大約是傳統(tǒng)CO2半自動焊工藝焊接熱輸入的20倍，所以如果鋼材的交貨狀態(tài)仍選用常規(guī)的正火鋼或熱軋鋼，會因為焊接熱影響區(qū)晶粒嚴重長大而造成晶粒粗大，甚至形成魏氏組織，造成韌性急劇下降，達不到規(guī)范標準要求。而針對此問題專門開發(fā)的大熱輸入TMCP鋼，由于采用了最新的氧化物冶金技術(shù)，故能在高溫時抑制奧氏體晶粒的長大，有利于細化焊接熱影響區(qū)晶粒，從而得到較好的韌性。因此要確保該工藝順利應用，鋼材交貨狀態(tài)為大熱輸入TMCP鋼是一個前提條件。

圖1 雙絲垂直氣電自動焊

（2）厚板裝配 由于焊接時熱輸入非常大，厚板焊接后收縮應力非常大，前期多次試驗時發(fā)現(xiàn)，采用普通12mm厚的馬板裝配，嚴重時1m長的焊接接頭焊縫終端根部間隙可從8mm縮小至4mm，導致終端坡口根部無法成形，因此特別要求裝配時采用20mm厚的馬板，且馬板角接縫必須進行雙面連續(xù)焊。

（3）焊接參數(shù)調(diào)節(jié) 垂直氣電自動焊焊接時，由于焊接速度由液面跟蹤反饋系統(tǒng)自動生成，所以主要調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)是焊接電流、電弧電壓及焊絲的擺動范圍和停留時間等。為了使焊縫熔池的化學成分分布均勻，控制兩根焊絲的送絲速度始終相等，從而確保焊接接頭的性能。同時根據(jù)熔池狀態(tài)，適當調(diào)節(jié)電弧電壓和坡口表面?zhèn)鹊暮附z擺動參數(shù)。

3.焊接試驗

（1）試驗材料與方法 雙絲垂直氣電自動焊采用了日本新日鐵公司提供的EH40級大熱輸入TMCP鋼，其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

兩根焊絲則選用了日本神戶制鋼提供的專用CO2藥芯焊絲，面?zhèn)群附z牌號為DW—S50GTF，根側(cè)焊絲牌號為DWS—S50GTR，二者組合質(zhì)量等級為5Y40V，直徑均為1.6mm，即使在600kJ/cm熱輸入的條件下，仍能夠保證焊縫金屬具有較好的沖擊性能。兩根焊絲焊接形成的焊縫熔敷金屬化學成分如表3所示。

表1 試板主要化學成分

表2 試板力學性能

（2）試板焊接 試板按1000mm×400mm×68mm尺寸裝配，以20°V形坡口，間隙8mm裝配定位后進行焊接。焊接參數(shù)如表4所示。

表3 焊絲熔敷金屬化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 雙絲垂直氣電自動焊焊接參數(shù)

4.試驗結(jié)果分析

（1）外觀及內(nèi)部質(zhì)量 焊后試板正面和反面焊縫均成形良好，外觀檢查合格。分別采用磁粉探傷和超聲波探傷對厚板焊縫進行外觀和內(nèi)部質(zhì)量檢查，結(jié)果均合格。焊接接頭宏觀金相照片如圖2所示，可見焊縫與母材兩側(cè)熔合良好。

表5 拉伸試驗和彎曲試驗結(jié)果

（2）拉伸及彎曲試驗 對焊接接頭取4根試樣進行橫向拉伸試驗，試樣的平均抗拉強度高于母材要求的最小抗拉強度值，表明在大熱輸入焊接條件下符合強度匹配的要求。此外，側(cè)向彎曲試驗結(jié)果也符合了標準要求。拉伸試驗和彎曲試驗結(jié)果如表5所示，側(cè)向彎曲試樣如圖3所示。

圖2 焊接接頭宏觀金相照片

（3）沖擊試驗 對焊接接頭進行分層沖擊韌性試驗，即分上表面（坡口面?zhèn)龋?、下表面（坡口根?cè)）兩層分別取樣，試樣V型缺口位置分別開在焊縫中心、熔合線、熔合線外2mm、5mm和10mm，試驗溫度為﹣20℃，結(jié)果如表6所示。試驗結(jié)果顯示焊接接頭的韌性良好，相比標準要求值還具有較大的富余量。

圖3 側(cè)向彎曲試驗

（4）微觀金相試驗 對焊縫及熱影響區(qū)進行金相試驗，分別得到焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材的光學微觀組織照片（見圖4）。由微觀組織照片可知，焊縫組織為塊狀先共析鐵素體沿原奧氏體晶界斷續(xù)分布，晶內(nèi)為鐵素體和少量珠光體；熔合區(qū)左側(cè)為焊縫，右側(cè)為熱影響區(qū)（過熱區(qū)）；熱影響區(qū)（過熱區(qū)）組織為粗大的塊狀鐵素體沿原奧氏體晶界分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體和珠光體；熱影響區(qū)（完全正火區(qū)）組織為均勻分布的鐵素體和珠光體；母材組織為鐵素體和珠光體。通過對比分析這些金相照片，不難發(fā)現(xiàn)粗晶區(qū)主要出現(xiàn)在焊縫和過熱區(qū)，因此導致這兩個區(qū)域的沖擊值較其他區(qū)域要低，但由于細晶組織，即晶內(nèi)鐵素體的存在，確保了這兩個區(qū)域具有足夠的沖擊韌性。

表6 V型缺口夏比沖擊試驗結(jié)果

圖4 焊接接頭金相微觀組織照片

（5）硬度試驗 硬度試驗結(jié)果如圖5所示，從圖5可看出，焊接熱影響區(qū)都發(fā)生了不同程度的軟化現(xiàn)象。

圖5 硬度試驗結(jié)果

5.應用效益分析

雙絲垂直氣電自動焊與常規(guī)CO2半自動焊工藝相比，在焊接50～70mm厚板立對接時，具有焊接速度快、生產(chǎn)效率高，以及質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。以焊接1m長的立對接縫（板厚68mm）為例，雙絲氣電立焊焊接過程（焊接速度4.8cm/min）約21min，而 CO2半自動焊耗時約焊前準備3min、焊接過程（35道，平均焊接速度15cm/min）240min、清理焊渣30min、多道焊接頭處理30min、打磨焊縫30min，合計約330min。故雙絲垂直氣電焊與CO2立對接半自動焊相比，可提高焊接效率約15倍以上。

此外，由于雙絲氣電立焊焊前不需進行預熱，而CO2半自動焊焊前需將鋼材預熱至50～80℃，且后者在整個焊接過程中必須保證整個接頭的溫度不低于預熱溫度，所以推廣應用自動焊工藝有助于大大減輕焊工勞動強度，改善現(xiàn)場施工環(huán)境。

6.結(jié)語

（1）雙絲垂直氣電焊是專門針對厚板立對接開發(fā)的大熱輸入焊接高效自動焊工藝，必須嚴格限定對鋼板交貨狀態(tài)、裝配條件、焊接參數(shù)等。

（2）在400kJ/cm左右的大熱輸入焊接條件下，68mm厚的大熱輸入EH40鋼焊接接頭力學性能可滿足規(guī)范要求。

（3）雙絲垂直氣電焊是大型集裝箱船船塢搭載階段提高生產(chǎn)效率的重要焊接工藝。