傅鎖林， 王錕藝，吳 軍

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

近年來，我國(guó)船舶工業(yè)已進(jìn)入新一輪快速發(fā)展階段。隨著海洋工程及船舶用結(jié)構(gòu)鋼板的需求日益增長(zhǎng)，船用鋼板逐漸向輕量化發(fā)展，使得船體結(jié)構(gòu)用鋼的質(zhì)量和強(qiáng)度等級(jí)不斷提高。船舶上的大功率吊機(jī)座及基座面板使用過程中因要承受多個(gè)方向的拉力，對(duì)材料的使用及焊接要求非常高[1]。尤其是在吊運(yùn)貨物時(shí)，還要承受Z向的拉力。

為保證船用吊機(jī)良好的使用性能和安全性能，其基座經(jīng)常選用大厚度的EH36-Z35船體用結(jié)構(gòu)鋼。這是因?yàn)樵谏a(chǎn)EH36-Z35船體用結(jié)構(gòu)鋼板時(shí)，添加了硅(Si)、錳(Mn)、釩(V)、鈮(Nb)等合金元素，同時(shí)還保證了碳(C)的含量，從而提高了鋼板的硬度和強(qiáng)度及韌性和塑性，特別是低溫沖擊韌性也有所改善；同時(shí)在生產(chǎn)中還加入微量的合金元素鈦(Ti)。鈦(Ti)元素在鋼板軋制過程中可以形成TiN粒子，這種粒子可以有效阻止其原始晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)而提高高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼板的可焊性；此外，該鋼板具有良好的Z向拉伸性能，因此其抗層狀撕裂性能也較好[2-3]。

為保證焊接質(zhì)量，本文對(duì)EH36-Z35鋼的焊接工藝進(jìn)行研究。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW)焊接EH36-Z35鋼板，通過理論和試驗(yàn)分析優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，同時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度，分析焊接工藝對(duì)變形和焊接接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑镃CS EH36-Z35船用低合金高強(qiáng)度鋼板，試板尺寸為500 mm×150 mm×50 mm，試驗(yàn)鋼板化學(xué)成分見表1[4]。焊接材料采用SH.Y71Ni焊絲，直徑為1.2 mm，其熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表2和表3。

表1 CCS EH36-235的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 SH.Y71Ni焊絲熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 SH.Y71Ni焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

(1)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW)焊接試板，焊接所用設(shè)備為NB-500二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)。焊接試板焊后24 h采用著色法進(jìn)行滲透探傷試驗(yàn)(PT)。

(2)采用PXUT-300C超聲波檢驗(yàn)儀器進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)(UT)。

(3)采用6.5～100.0 μm的砂紙對(duì)宏觀斷面進(jìn)行打磨拋光，使用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行時(shí)間為15 s的腐蝕。

(4)采用KB 30S FA BASIC全自動(dòng)硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度。

(5)采用CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)。

(6)采用SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 焊接工藝與分析

根據(jù)母材的化學(xué)成分，采用中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》[5]推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式估算得到碳當(dāng)量Ceq=0.35，焊接性良好。但當(dāng)板厚較大時(shí)，焊接過程中的冷卻速度加快，淬硬傾向較大，所以對(duì)厚度為50 mm的EH36-Z35鋼，為防止冷裂紋需焊前預(yù)熱[6]。

焊接試板接頭形式設(shè)計(jì)為橫向?qū)樱黄驴谶x為X型，角度為50°±5°。坡口內(nèi)及兩側(cè)打磨干凈露出金屬光澤后再拼接，間隙為0～2 mm，同時(shí)定位焊長(zhǎng)度為5 mm。焊前預(yù)熱溫度80～120 ℃。焊接時(shí)采用小熱輸入和多層多道的焊接方法，同時(shí)控制焊縫成形系數(shù)和層間溫度，詳細(xì)工藝參數(shù)見表4。焊接時(shí)一側(cè)先焊5層11道，確保一定的強(qiáng)度，再對(duì)另一側(cè)進(jìn)行碳刨、打磨出白后進(jìn)行焊接。為了防止焊接變形，采用兩側(cè)交替的焊接方法。焊接過程中要嚴(yán)格控制層間溫度。

表4 50 mmEH36-Z35鋼焊接工藝參數(shù)

焊接操作完成后，首先對(duì)焊縫表面進(jìn)行PT檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖1。焊縫表面檢驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭成形良好，沒有發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透、氣孔、咬邊、裂紋等缺陷。焊接試板的角變形測(cè)試結(jié)果小于1°，表明在合理的焊接工藝順序下，焊接變形可以控制在要求規(guī)定的范圍內(nèi)。最后根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2021)、NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》對(duì)焊接試板進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)有裂紋等缺陷。

圖1 焊縫表面PT檢測(cè)

2.2 焊接接頭性能分析

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2021)和《船舶焊接檢驗(yàn)指南》(2021)，對(duì)于焊接后的試板，需要進(jìn)行拉伸、彎曲、宏觀斷面、硬度和沖擊5項(xiàng)測(cè)試[7]。焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭的橫向抗拉強(qiáng)度最低為613.8 MPa，縱向抗拉強(qiáng)度最低為640.8 MPa，且斷裂位置均為母材部位；而船用EH36-Z35鋼板質(zhì)保書的抗拉強(qiáng)度最小值為490 MPa，所以拉伸測(cè)試合格。

表5 EH36-Z35鋼板焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 彎曲試驗(yàn)

焊接試板彎曲試驗(yàn)的試件尺寸為220 mm×10 mm×50 mm，彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表6。因?yàn)榘搴駷?0 mm，大于12 mm，根據(jù)規(guī)范要求必須進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：側(cè)彎試樣完好，角度均達(dá)到180°，無缺陷，所以彎曲測(cè)試合格。

表6 EH36-Z35鋼板焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 宏觀斷面

焊接試樣的宏觀斷面金相見圖2。從圖中可以清晰地顯示出焊縫、熔合線、熱影響區(qū)和母材各區(qū)域，焊縫中沒有明顯或者過分補(bǔ)強(qiáng)的現(xiàn)象，也沒有裂紋、氣孔、夾渣、未焊滿、未焊透等焊接缺陷，所以宏觀斷面測(cè)試也合格[8]。

2.2.4 硬度試驗(yàn)

在試樣上選取合適的測(cè)試位置，選點(diǎn)位置見圖3。依據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2021)和《船舶焊接檢驗(yàn)指南》(2021)對(duì)焊接接頭的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。為了防止在焊接接頭中測(cè)得的數(shù)據(jù)受到干擾，因此在母材、熱影響區(qū)、熔合線和焊縫4個(gè)部位各選取了至少3個(gè)測(cè)試點(diǎn)[5]。焊接接頭顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果見表7。試驗(yàn)結(jié)果表明：硬度最高值基本在焊縫中心的上下表面，最高值為246 HV，符合規(guī)范要求。

圖3 硬度測(cè)試點(diǎn)分布

表7 EH36-Z35鋼板焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果(HV)

2.2.5 沖擊試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。在焊接試板上選取合適位置進(jìn)行沖擊試樣取樣，每個(gè)位置取3個(gè)樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。沖擊試樣具體取樣位置見圖4。根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2021)規(guī)定，EH36-Z35鋼板焊接接頭需要進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，EH36-Z35鋼板焊接接頭各個(gè)位置沖擊試樣的沖擊吸收功均大于規(guī)范規(guī)定的最小值47 J，故沖擊測(cè)試合格。

a—焊縫中心(WM)；b—熔合線(FL)；c—距熔合線2 mm的熱影響區(qū)(FL+2 mm)；d—距熔合線5 mm的熱影響區(qū)(FL+5 mm)。

a—焊縫中心(WM)；b—熔合線(FL)；c—距熔合線2 mm的熱影響區(qū)(FL+2 mm)；d—距熔合線5 mm的熱影響區(qū)(FL+5 mm)。

3 結(jié)論

(1)采用小熱輸入和多層多道的焊接方法，同時(shí)通過焊前預(yù)熱、控制層間溫度及焊縫成形系數(shù)等工藝要求，50 mm的EH36-Z35鋼焊接接頭成形良好，沒有發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透、氣孔、咬邊、裂紋等焊接缺陷。

(2)采用合理的焊接工藝和順序，50 mm的EH36-Z35鋼焊接接頭的變形可以控制在規(guī)定要求的范圍內(nèi)。

(3)50 mm的EH36-Z35鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度大于613.8 MPa，20 ℃下各位置的沖擊吸收功均大于47 J。彎曲試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)結(jié)果均合格。