高强钢高效焊接与加工技术在船舶与海工建造上的应用

陈晓俊

一、高强钢的应用与焊接特点

1. 船体结构TMCP钢

我公司一直以来承接和建造外籍船东的3500TEU、36000TEU/4000TEU等中型集装箱船，其船体结构大部分是高强度钢，特别是货舱区域的舷顶列板、纵舱壁顶列板、主甲板以及纵向舱口围壁板为44mm厚板EH3 2/EH36级高强度钢。为了实现船台大合拢和分段结成时厚板立焊自动高效焊接，保证建造的焊接质量，提升建造集装箱船的水平，我公司开展了“45mm厚板EH36级钢垂直气电自动焊（SEGARC法）工艺”应用研究。通过一系列焊接性试验，研究分析了钢板性能、焊接材料性能、接头的坡口形式、焊接规范和操作方法等因素对焊接接头性能的影响，掌握了厚板大热输入量SEGARC法焊接的关键技术。

2. 海工装备钻井系统高压泥浆管ASTM4130 高强钢

ASTMA519Gr4130属于Cr-Mo系中碳调质钢，具有很高的屈服强度和抗拉强度、良好的缺口韧性。由国际焊接协会推荐的碳当量公式计算该材料的平均碳当量为0.67。裂纹敏感指数为0.42，冷裂纹敏感性较高，由于在调质状态下焊接，且焊后不能进行调质处理，焊接时易产生冷裂纹和热影响脆化、软化，所以在制定焊接参数时，主要从防止冷裂纹和避免软化出发。

在海洋钻井船、钻井驳的ASTM A519 Gr4130管道焊接施工中，针对该种类型管线的特点，要获得优良性能的焊接接头需注意以下几点：①管段的切割及坡口加工必须采用机械方法，严禁使用火焰切割。②焊接环境的稳定性需要特别重视，当焊接施工处于以下任何环境时，若无有效防护措施，严禁进行焊接施工：雨、雪、雾、焊接区域大气相对湿度＞90%。③焊件局部预热的加热范围为坡口两侧各150~200mm, 最低预热温度为180℃，最高层间温度为250℃。④焊接时，每个焊层厚度应尽量薄，一般≤5mm。每条焊道的引弧、收弧处要错开，收弧时填满弧坑。施焊过程中，要保持层间温度不低于预热温度。

二、高强钢焊接材料的应用

1. 船体结构高强度钢匹配焊材

船体结构高强度钢大热输入焊接时，焊缝金属的韧性主要是通过焊接材料来保证的。DW—S43G焊丝属3Y级焊材，只能满足30mmAH/DH级钢和20mmEH级钢SEGARC法焊接时对接头的冲击韧性要求。在45mm厚板焊接时，为弥补大热输入焊接时焊缝中心低温韧性的不足，应选用低温韧性更高的焊材。为此，选用了神户制钢的DW—S1L G焊丝、φ 1.6mm，以提高焊缝中心和熔合线的冲击韧性，其低温冲击韧性可满足GL船级社6Y40V要求，-60℃时V型冲击韧性试验的平均冲击吸收能量≥34J。

2. 高压泥浆管ASTM4130 高强钢焊接用焊材

对于4130钢焊接，一般建议选用低强匹配AWS ER70S—2焊丝打底，若对焊接接头要求强度较高，可选用等强匹配AW S ER80S—D2焊丝，我公司试验用焊丝为AWS A5.28 ER80S—Ni1, φ 2.4mm。试验用焊条为AWSA5.5 E11018G H4, φ3.2mm。

4130 钢焊接冷裂纹敏感性大，为防止冷裂纹，可选用奥氏体不锈钢焊丝，例如AWSER308L、E312；对于钻井船、半潜钻井平台等海工装备高压管线也可选用焊材类型为AWS A5.28 ER80S—D2，E11018—M。焊材正式焊接时，建议要先去除焊丝表面的铜镀层和油污，保护气体氩气流量要充足，以免产生气孔；焊前要有温控措施，且控制冷速；必要时要后热处理。为提高韧性，可选用70S—3型号焊丝。

三、高强钢自动化焊接技术的应用

船用高强度钢EH36 级钢（TMCP）45mm厚板垂直气电焊接工艺（见图1）是我司已经应用现场产品建造的一项高效自动化焊接技术。该工艺获得GL船级社批准认可，可用于板厚3 6~50mm的DH36、EH32、EH36级钢（TMCP）立对接缝单道焊接一次成形。

随着我国提出海洋强国战略，造船与海洋装备建造产量将不断上升，焊接质量要求也越来越高。大型化、高效化是现代船舶与海工建造的特点，更高效率、更高质量的CO2气体保护垂直气电焊工艺在船体结构装焊中频繁使用，垂直气电焊比手工焊、半自动焊更适宜厚板焊接，已成为船体装焊的共识：焊缝成形好、性能高且均匀、焊接效率高。气电立焊在船体结构焊接中的主要应用有：①船侧大接头垂直焊缝对接自动焊；②槽型隔壁垂直对接自动焊；③舷侧双壳隔壁垂直对接自动焊；④气电立焊超厚板单面焊；⑤气电立焊角焊；⑥海洋装备齿条钢、桩腿等厚板对接自动焊。

虽然在制造领域应用如此广泛，但是气电立焊的大热输入对其配套焊接材料提出了极高的要求，其难点是大热输入下焊接金属的韧性难点。到目前为止，我国船舶建造所需的焊接材料基本上实现了国产化，但像海洋装备特有结构高效焊接应用中，气电立焊使用频率和专用药芯焊丝研发等有时候仍然依赖国外技术和焊材。

同时，也要注意配套的焊接工艺，坡口角度和间隙，焊接电流和电弧电压，焊丝摆动幅度和停留时间及焊丝伸出长度对焊缝性能的影响。气电立焊药芯焊丝的研发，具有重要的技术性和经济性。

四、高强钢切割技术的应用

关键工艺流程数控化在我司已得到大力的推广应用。例如某个加工车间，钢材加工具有型钢兼钢板预处理流水线以及钢板预处理流水线各一套。板材下料具有数控等离子切割机6台，数控干式等离子切割机2台，数控精细等离子切割机1台，数控火焰切割机1台，数控切割机6台。部件装焊具有自动角焊机21台，垂直自动焊机17台，全位置角焊小车26台。船厂预处理设备与等离子切割机分别如图2、图3所示。

此外，信息化项目管理在生产设计、作业流程及生产组织等方面近年来也取得了长足进步。目前我厂以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模和优化为特征，逐步将信息化管理方法应用于船舶与海工产品高强度钢的数控切割和焊接成形管理体系中，利用现有的信息化软件平台等手段帮助提高海工项目焊接设计、完工建造的质量和效率，并以此推动我厂船舶与海工装备制造现代化的管理进程。

图 1

图 2

图 3