海洋工程吊机E36高强度钢钢板T形接头焊接横向裂纹的消除

施洪慧

摘要：海洋工程用吊机大量高强度或超高强度钢钢板的使用，给焊接提出了更高的要求，尤其是如何控制和消除横向裂纹的产生更是关键。文中针对海洋工程吊机中枢E36钢板T型接头出现大量横向裂纹且采取的一系列试验和措施进行描述，在排除了多种可能导致横向裂纹产生的因素后，发现焊接顺序的不合理及预热的不到位是导致结构产生强大的焊接凝缩应力和热应力，从而使焊缝产生横向裂纹的主要原因。

关键词：海工吊机； E36钢板；横向裂纹；焊接顺序；预热；凝缩应力

前言

随着船舶行业的低迷调整，海洋工程产品开始了其发展的迅速上升期。海工产品使用的钢材一般强度要求较高，尤其是海工吊机。大量高强度钢板，尤其是超厚板的焊接，对焊接工艺的要求很高，稍有疏忽就会产生焊接缺陷，特别是冷裂纹的产生。通常高强度钢的级别越高，其冷裂纹的敏感性越大[1]。在冷裂纹中，延迟横向裂纹产生一般少于纵向裂纹，但正因为其隐蔽性，造成的危害更大。试验室为查找多道焊横向裂纹产生的原因，对于对接焊预制有两端加强拘束小窗口裂纹试验法[2]，而对于受力更为复杂的T型接头，则有刚性T型接头焊接横向裂纹试验方法[1]。本文中详细描述了针对刚性T型接头在焊接后产生大量延迟横向裂纹进行的一系列可能原因排查，最终发现导致本次横向裂纹的主要原因为非合理焊接顺序及预热不充分使焊接接头区域的凝缩应力过大而产生的整个过程。其中侧板厚度为30mm，底板为140mm。原先的装配焊接顺序是：1、先将前后铰链板与底板焊接，侧板单独先拼接好，做NDT合格；2、再将侧板与底板装配焊接，所有对接接头和T型接头全部为全熔透焊缝。采用CO2半自动焊接，对焊接区域进行火焰预热处理，温度在60℃左右。先焊接内部，外面（背面）清根，焊接后再以保温棉保温。焊后48小时直探头在焊缝表面进行检测，发现微小片状缺陷，碳刨后以PT着色检查，发现许多微小的横向裂纹（图2）。而且随着时间的推移，横向裂纹数量不断增加，主要出现在焊缝中部。随后制定返修工艺，对出现横向裂纹的焊缝进行加热，然后碳刨清除，确定裂纹全部清除后再按照之前的焊接方式进行预热、焊接及保温返修， 48小时后超声波检测发现极少数微小横向裂纹缺陷显现，随后随着时间的推移裂纹数量越来越多，该种方式仍无法避免横向裂纹的产生。断面上出现的几条裂纹，其裂纹面与焊接方向呈45°夹角，这种裂纹属于典型的延迟横向裂纹[4]。对于屈服强度低于600MPa的高强度钢，横向裂纹一般不会扩展到表面，且这种微小裂纹潜伏期很长，不易别发现，一般都是在过了较长时间后在复探时才被检测出，那时工件基本被运送到现场或已经被安装，因此后期的返修很困难，质量也很难保证。这种横向裂纹正由于其极强的隐蔽性，也对产品带来了极大的质量隐患和危害。防止横向裂纹产生非常重要。2.焊接横向裂纹的原因查找分析

为了将产生横向裂纹的原因找出来，我们对可能产生的因素进行了排查。对焊接会导致横向裂纹的因素主要是母材、焊材、焊接工艺、焊接顺序、预热、保温几种。

首先将30 mm和140mm的钢板机进行械性能、化学成分及金相分析，除140mm的材料碳当量稍微偏高点，未发现异常情况。再将焊材进行试验，机械性能和扩散氢含量等也符合规范要求再参照CB1122-84《刚性T形接头焊接横向裂纹试验方法》，可以看出在强拘束应力下，焊缝是很容易产生横向裂纹的，因此也用这方法来评价高强度船体用结构钢对T形两面焊透的角焊缝横向裂纹及焊道下裂纹的敏感性。而本案例的结构形式和标准中的试验形式非常相似两者都是先将两端的构件焊接好，底板都较厚，最后再焊接T形接头焊缝，因此最后这条焊缝也就成了拘束焊缝，这种焊接顺序是很不合理的。还有用火焰预热，只能在钢板表面比较浅的区域能是温度提升，内部的温度还是很低，且预热也没有到达要求的温度。焊后保温这方面也做得也不好，导致结构产生强大的焊接凝缩应力和热应力，从而使焊缝很容易产生横向裂纹。3.横向裂纹的消除措施

在找出导致横向裂纹产生的原因之后，便是着手进行纠正措施的准备。首先重新制订详细的返修工艺，将不合理的因素消除，调整焊接顺序，改变焊接预热及后热处理方法。先将火焰加热改为电加热，并且从底板的反面贴加热块，以保证热量的均匀和充分；在温度升到100℃时将问题焊缝从T型接头的内外面碳刨打磨去除干净，并且将一圈T型焊缝周围侧板上的焊缝割开长度一米，使得T型焊缝处于相对松弛状态，见图4，矩形部分为侧板焊缝为减少拘束应力而割开的区域；冷却至室温后进行UT和PT或MT检测，确保所有的裂纹消除；继续加热直至温度达到160℃以上（因为返修预热温度应该比第一次预热高50℃），保持温度2小时，然后按照原先的焊接参数先进行T型焊缝的焊接，焊接过程中加热快始终保持加热状态，且焊接采用从中间向两边的分段焊，尽可能给予焊缝可收缩性；焊接后仍继续采用电加热块进行110℃左右的保温处理，2小时后移除加热块，自然冷却；随后分不同时间间隔对返修的T型焊缝进行NDT检测，发现再没有出现横向裂纹，至此T型焊缝上的横向裂纹问题彻底消除。最后再将侧板上割开的几条焊缝焊接完成，为保证最后焊接的几条侧板焊缝的焊接质量，我们也进行了一定的预热（80℃）处理以减少凝缩应力。4.结论

4.1.高强度钢焊接时要注意焊接顺序，避免高拘束应力的焊接工艺，从而减少凝缩应力以避免产生横向裂纹。

4.2.E36高强度钢T型接头薄厚板的焊接，在焊接前的预热和层间温度必须充分，且要按照厚板的WPS进行预热和控制好层间温度。

4.3.高强度厚板焊接后的缓冷很重要，必须加以一定的保温措施，这也是防止横向裂纹出现的关键。

4.4.E36高强度钢的横向裂纹很微小，隐藏在焊缝下，斜探头UT在焊缝两侧探伤不易发现，需要以直探头在焊缝表面检测才能发现。

4.5.横向裂纹延迟性强，且随着时间的推移会越来越多地出现。

参考文献：

[1]张华军，张广军，吴林.低合金高强度钢双面双弧焊热循环对组织性能影响[J].焊接学报，2007，10（28）：81-84

[2]张华军，沈大明. 风力发电管桩S355钢多道焊横向裂纹产生原因。焊接，2011，10：49-51

[3]范希贤. 刚性T型接头焊接横向裂纹试验方法. 中国船舶工业总公司部标准. CB1122-84

[4] Allen D J， Chew B， Harris P. The formation of Chevron cracks in submerged arc weld metal[J]. Welding Journal，1982（61）：212-221.