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集裝箱船厚板焊接質(zhì)量與變形的控制

蔡金裕于春龍

【摘要】本文以18 000TEU抗扭箱厚板制作為依據(jù)，針對厚度大、強(qiáng)度高、焊接難的鋼板，從鋼板材質(zhì)性能、焊接材料選用、坡口形式的選擇、焊接方法等方面，詳細(xì)記錄分析EH級厚板的制作過程，并對生產(chǎn)過程中的內(nèi)部質(zhì)量與變形控制進(jìn)行了具體介紹。

集裝箱船抗扭箱厚板的最大厚度已經(jīng)達(dá)到了85mm，而目前平直中心所建造的JU2000E系列鉆井平臺所涉及的厚板最大也只有51mm，所以抗扭箱厚板的焊接對于現(xiàn)場來講是一個新的挑戰(zhàn)，已有的厚板拼焊工藝無法滿足現(xiàn)有厚板的施工要求。另外，因現(xiàn)有厚板對精度及內(nèi)部質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，故本文對18 000TEU抗扭箱厚板的制作過程進(jìn)行梳理，詳細(xì)介紹了抗扭箱厚板的焊接過程。

1. 鋼材的性能分析

EH級高強(qiáng)度鋼是目前造船過程中較為常用的鋼板，除了強(qiáng)度高、塑性好外，還具有良好的韌性，所以在船用鋼板中得到了廣泛的應(yīng)用。EH級高強(qiáng)鋼能滿足－40℃低溫工作時對沖擊性能的要求。EH級鋼板的化學(xué)成分及在－40℃的力學(xué)性能如表1、表2所示。

2. 焊接工藝

因厚板焊接裂紋傾向較大，焊接裂紋的產(chǎn)生將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)奏，同時也可能帶來災(zāi)難性的事故，所以焊接及預(yù)熱工藝的選擇至關(guān)重要，下面將詳述厚板的焊接過程。

（1）焊接方法的選擇目前平直作業(yè)區(qū)已有的成熟高效焊接種類主要有：FCB焊接、埋弧焊、CO2焊。FCB焊接對38mm以下的鋼板可以正反面一次成形，抗扭箱舷側(cè)外板厚度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出FCB焊接能力，故排除FCB焊接的可能。同時考慮到超厚板焊接的工作量大、工作強(qiáng)度高、且熔敷金屬多的特點，結(jié)合已有的焊接工藝和JU2000E厚板焊接的成功經(jīng)驗，單絲埋弧焊成為厚板焊接的首選。

表1　化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　　　　　　　（%）

表2　力學(xué)性能

（2）焊接材料的選擇為了滿足抗扭箱焊縫的強(qiáng)度要求，在采用埋弧焊時焊材的選用級別為A5Y46M，同時滿足AWS焊材級別A5.23：ENI2的要求，現(xiàn)場根據(jù)工藝要求和母材的不同，對焊材進(jìn)行選擇和使用，具體選用情況如表3所示。

3. 焊接過程注意要點

（1）焊前清潔 焊接前必須做好待焊區(qū)域的清理工作，清除焊接坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的水分、油污、割渣、氧化物及銹蝕等，在減少焊接雜質(zhì)的同時也減少了焊接過程中氫的來源。

（2）定位焊 定位焊采用C O2半自動焊，焊接材料選用GFR—81K2，預(yù)熱要求與正式焊縫的預(yù)熱溫度要求一致，采用氧乙炔火焰進(jìn)行預(yù)熱，定位焊長度≥100mm，高度≤6mm，定位焊的間距約為500mm，定位焊中不允許有裂紋、氣孔和夾渣等缺陷存在。

（3）引弧板、引出板的選擇 抗扭箱材料屬超厚板，引弧板、引出板的選用將直接影響對接縫的端頭質(zhì)量，在超厚板焊接過程中，引弧板、引出板不能單純選擇整塊進(jìn)行裝配，坡口形式應(yīng)與母材坡口形式相一致，引弧板、引出板與焊件的板厚差應(yīng)控制在±2mm之內(nèi)。

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（4）坡口的制備 焊接的坡口形式和坡口角度對焊縫金屬的熔敷量及結(jié)晶過程有著直接影響。現(xiàn)場的坡口形式主要是X形，上坡口50°，下坡口為70°，上坡口深度加焊縫留根占板厚的2/5。在實際焊接過程中焊接變形趨向于焊接量大的構(gòu)架面，同時留根過大導(dǎo)致翻身碳刨工作量大大增加，為了減小焊接變形量和翻身后的碳刨損耗，現(xiàn)場根據(jù)實際情況對焊接坡口進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)前后形式對比如圖1所示。坡口角度減小的同時減小留根厚度，改進(jìn)后主焊縫填充金屬減少，不僅減少了焊材的損耗，也極大降低了翻身后碳刨工作量，改進(jìn)后通過3次翻身即可完成85mm厚鋼板的對接成形。

（5）預(yù)熱工藝 不同材質(zhì)、不同厚度鋼板的預(yù)熱要求如表4所示。

（6）焊接參數(shù)厚板埋弧焊的兩個關(guān)鍵點是內(nèi)部質(zhì)量和焊接變形，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和適當(dāng)增加熱輸入，就可減小變形，從而降低結(jié)晶裂紋的傾向。85mm厚板對接焊接參數(shù)如表5所示。

因鋼板厚度大、剛性約束強(qiáng)，為了避免凝固裂紋的產(chǎn)生和留根焊穿，正面前兩道及反面第一道應(yīng)采用小電流快速焊的方法進(jìn)行焊接。

（7）厚板變形控制 對于85mm的厚板對接，在實際生產(chǎn)中采用如下焊接順序：正面焊接第1～10道焊道，翻轉(zhuǎn)，背面用碳弧氣刨清根，完畢后，背面焊接11～22道，再翻轉(zhuǎn)，焊接23～48道，最后翻身再焊49～62道。在焊接過程中需要注意，翻身前后焊縫處都要用電加熱片跟蹤加熱，并保持溫度＞100℃，焊接過程中板的兩邊需放置10t壓鐵，減小焊接過程中上翹變形。

具體過程如下：

第一，結(jié)構(gòu)面進(jìn)行CO2手工電弧焊進(jìn)行定位，定位焊標(biāo)準(zhǔn)參照上述定位焊工藝，定位結(jié)束后清理焊渣，然后進(jìn)行埋弧焊作業(yè)第1～10道，第1道采用小電流快速焊的方法進(jìn)行焊接，各道的焊接數(shù)參如表5所示，焊接結(jié)束后板向結(jié)構(gòu)面上翹高度H=20～24mm（見圖2）。

圖1

圖2　翻身前焊接

表3　抗扭箱對接縫焊材選用

第二，第1次翻身對非結(jié)構(gòu)面坡口進(jìn)行碳刨清根，處理后坡口根部變成U字形，深度為28～33mm，碳刨后變形量H1在3～5mm附近，打磨結(jié)束后對非

構(gòu)架面進(jìn)行11～22道的焊接，焊接結(jié)束后板向非結(jié)構(gòu)面上翹高度H2=15～20mm（見圖3）。

第三，第2次翻身對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行23～48道的埋弧焊，焊接結(jié)束后，板向結(jié)構(gòu)面上翹高度H3為25～30mm（見圖4）。

第四，第3次翻身對非結(jié)構(gòu)面進(jìn)行49～62道焊接，焊接結(jié)束后板呈現(xiàn)上拱狀態(tài)，基本沒有焊接變形（見圖5）。

焊后立即用保溫棉覆蓋至焊縫上，進(jìn)行焊后緩冷保溫處理，防止產(chǎn)生淬硬組織，以滿足焊接接頭的力學(xué)性能要求?，F(xiàn)場實踐證明，上述焊接工藝能夠滿足抗扭箱厚板焊接的質(zhì)量及精度要求，可以指導(dǎo)后續(xù)的厚板焊接。

以上是針對85mm厚板進(jìn)行的焊接層數(shù)統(tǒng)計，不同板厚對接時的多層多道焊的層數(shù)統(tǒng)計如表6所示。

（8）焊接缺陷的返修及表面處理 焊縫修補(bǔ)采用CO2焊進(jìn)行，焊材等級應(yīng)與原施焊接頭要求的焊材等級要求相同。焊補(bǔ)時應(yīng)將焊補(bǔ)處預(yù)熱至100℃以上，局部修補(bǔ)處焊道長度必須＞50mm。

4. 探傷要求

抗扭箱厚板的探傷較以往探傷更為嚴(yán)格。傳統(tǒng)探傷在焊縫的一面進(jìn)行單面雙側(cè)UT檢測，而抗扭箱厚板的UT檢測是對焊縫進(jìn)行雙面雙側(cè)100%檢測，有效避免了焊接缺陷的漏檢，同時缺陷檢測的靈敏度更高?，F(xiàn)場厚板的超聲波檢測，都必須在焊后48h以內(nèi)進(jìn)行。

5. 結(jié)語

18 000TEU是我公司近年來制作的第一條大型集裝箱船，克服種種困難，歷時6個月，成功完成了集裝箱船超厚板焊接172套，超聲波探傷（UT）檢測合格率在98%以上，在保證了焊接質(zhì)量的同時也保證了抗扭箱的上胎制作計劃?？古は涞闹谱鬟^程得到了船東、船檢的一致認(rèn)可，實踐證明上述工藝滿足了焊接質(zhì)量要求，可以指導(dǎo)實際生產(chǎn)，抗扭箱厚板的焊接制作過程為后續(xù)厚板的批量制作積累了經(jīng)驗。

表4

表5　焊接參數(shù)

圖3　第1次翻身后焊接情況

圖4　第2次翻身后焊接情況

圖5　第3次翻身后焊接情況

表6　不同板厚對接的多層多道焊層數(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙偉興.船舶電焊工[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

20150125

作者簡介：蔡金裕等，上海外高橋造船有限公司助理工程師。