EH47超高强度钢焊接工艺研究

唐 松，龚传谊

(江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214521)

EH47超高强度钢焊接工艺研究

唐 松，龚传谊

(江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214521)

对在万箱船舱口围板应用的EH47超高强度钢化学成分进行了分析，计算得出碳当量和冷裂纹敏感指数，在焊接工艺的试验过程中分析了力学性能、工艺参数等，得出该材料在严格控制工艺参数的情况下，具有良好的可焊性。

超高强度钢；焊接材料；焊接工艺；焊接接头

0 引言

近年来，随着集装箱船建造的规模越来越大，为得到足够的船体纵向强度，越来越厚的高强度钢板在大型集装箱船的上甲板区域进行应用。作为工业革新的最新成果，屈服强度达到460 MPa的EH47级超高强度钢被引入使用在集装箱船的上甲板区域结构，特别是舱口围板结构，以达到降低使用钢板厚度，减轻船舶的空船重量，提高航运经济性的目的。研究超高强度钢EH47的焊接性，目的在于评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定出合理的焊接工艺提供可靠的依据。金属的工艺焊接性研究方法一般分为间接评定法和直接评定法2种。间接评定法常用的方法一般有碳当量法、裂纹敏感性指数法、连续冷却组织转变图、焊接热影响区最高硬度等方法；直接评定法常用的方法一般有焊接热裂纹试验、焊接冷裂纹试验、焊接气孔敏感性试验等。本文根据10 000 TEU大型集装箱船舱口围板采用的超高强度E47钢的特点，将综合采用间接评定法及直接评定法对E47钢的焊接性进行研究。

1 EH47钢材料性能

10 000 TEU集装箱船入级挪威船级社，舱口围板使用EH47超高强度钢板，最大厚度为70 mm，交货状态为TM。

本船EH47钢屈服强度为590 MPa，抗拉强度为665 MPa，伸长率为22.5%；在零下40 ℃时，做3组横向冲击试验，冲击功分别为171、179、152 J。

EH47钢的化学成分见表1。

表1 EH47钢化学成分

根据EH47钢板的化学成分，按照国际焊接学会(ⅡW)推荐的碳当量公式[1]，计算出EH47钢板的碳当量Ceq为0.432。

按照日本伊藤等人所建立的冷裂纹敏感指数公式[2]，计算出EH47钢板的冷裂纹敏感指数Pcm为0.185。

2 EH47钢板在万箱船上的应用

EH47钢板在万箱船上主要应用在舱口围板结构上，如图1所示。

图1 EH47钢在万箱船上的使用区域

根据集装箱船舱口围板的生产工艺，选取了埋弧自动焊和CO2气体保护药芯焊丝焊这2种焊接生产方式。焊接材料按照挪威船级社规范要求的质量等级，选择低氢型的焊材，见表2。

3 EH47钢焊接冷裂纹倾向试验

EH47钢的碳当量Ceq为0.432，钢材的淬硬倾向较大，焊接性一般，需要考虑焊前预热。根据考虑冷裂纹敏感指数Pcm、焊材含氢量及板厚因素的预热温度计算经验公式[3]，计算出焊前预热温度T0。经验公式为：

Pc=Pcm+H/60+δ/600

T0= 1 440Pc-392

式中：Pc为冷裂纹敏感指数，%；δ为被焊金属的板厚，δ=70 mm；H为熔敷金属中扩散氢含量，考虑到选用的是低氢型焊接材料，H=3 mL·(100g)-1。

代入计算，得到T0=114 ℃。

表2 EH47钢选用焊接材料列表

由于经验公式的板厚适用范围为19～50 mm，而EH47钢板厚为70 mm，超出经验公式的使用范围，因此从生产实际出发，重新设计了2种接头形式的焊接冷裂纹倾向试验方案。在0～5 ℃低温环境下，使用较低的线能量焊接时，试验其焊接接头的冷裂纹倾向，试验方案见表3。

表3 EH47钢焊接冷裂纹倾向试验方案

方案1完成后，取宏观试样观察其根部打底焊区域，未发现有裂纹。

方案2完成后，取宏观试样观察整个焊缝及热影响区域，未发现有裂纹。

方案2完成后，在宏观试样坡口表面下2 mm处及根部表面下2 mm处，按照母材区域2个点，热影响区3个点，熔合线区3个点，焊缝中心区3个点的方式，取2组维氏硬度HV10数据，硬度最大值在坡口表面下2 mm处熔合线区，为317 HV10。硬度值分布如图2所示。

图2 硬度值分布图

方案2完成后，分别在坡口表面下区域及根部区域对冲击试验进行取样，试验结果见表4。

表4方案2冲击试验结果

通过分析方案1和方案2的试验结果，板厚为70 mm的E47钢在0～5 ℃环境温度情况下，采用小线能量不预热焊接时，得到的性能结果全部满足挪威船级社的相应规范要求，仅在根部的熔合线区域的冲击值偏低。

在正式焊接工艺评定时，如果采用适当提高预热温度的措施，应该可以得到让人满意的结果。

4 EH47钢焊接工艺评定

正式焊接工艺评定时将EH47钢的焊接预热温度设定为50 ℃，试验层间温度范围控制在50～250 ℃。埋弧焊的焊接工艺评定试验选用双面V型坡口，平焊，热输入控制在小于45 kJ/cm。

CO2气体保护焊的焊接工艺评定试验选用单面V型坡口，陶质衬垫为背面材料，立焊，热输入控制在小于30 kJ/cm。

工艺评定的试验结果分别见表5、表6。

试验结果完全符合挪威船级社要求，且冲击试验数据的富余量较大，因此认为焊接工艺试验的结果是成功的。

5 结语

EH47钢焊接性良好，淬硬倾向不大，但需要钢厂严格控制碳当量Ceq值及冷裂纹敏感指数Pcm值。

表5EH47钢焊接工艺评定试验(拉伸性能)数据

选用低氢型焊接材料，严格控制焊接接头氢元素的摄入，尽量选用氢含量等级为H5级的焊材。另外，采用合适的焊前预热温度，控制好层间温度，安排合理的焊接热输入，是焊接工艺评定试验成功的重要因素。

表6EH47钢焊接工艺评定试验(冲击和弯曲性能)数据

[1]中国机械工程学会焊接学会，等. 焊接手册(第二卷) [M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[2]伊藤庆典，别所清. 高張力鋼の溶接割れについて [J]. 溶接学会志，1968,37(9)：63-64.

[3]佐藤邦彦. 溶接工学 [M]. 东京：东京都理工学社，1978.

2014-03-15

唐松(1970-)，男，工程师，从事船舶质量检验工作；龚传谊(1972-)，男，高级工程师，从事焊接管理及焊接工艺研究。

U671.83

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