船用大厚度钢板FCB法与单丝埋弧焊混合焊工艺研究

赵立苏，蔡莼，徐飞

上海外高桥造船有限公司 上海 200137

1 序言

随着造船技术的快速发展和市场需求的转变，建造的船舶吨位越来越大，一般强度级别的A/B级钢板已不能满足用户和市场的需求，因此在船舶建造中使用DH/EH等级的高强度钢越来越多。本文中49mm船用大厚度EH36钢的高效焊接工艺研究，主要针对上海外高桥造船有限公司在建产品40万t VLOC矿砂船甲板分段的焊接。由于板厚达到49mm，超过FCB法38mm的最大焊接厚度，通常只能采用单丝埋弧焊（SAW）双面焊接，此方法不能有效利用平直车间流水线的FCB法焊接拼板、纵骨安装及16电极高速焊工位的优势，导致生产效率低。为了充分利用FCB法焊接流水线作业的优势，提高生产效率，将现有的FCB法工艺进行创新升级，针对49mm厚度EH36钢进行FCB法+SAW混合焊工艺可行性进行研究。

FCB法是在平面分段流水线上进行拼板焊接的一种高效焊接方法，其原理是在铜衬垫上撒上一层底层焊剂，并将其紧贴在焊件的坡口背面，在表面用两个或三个电极进行埋弧焊的一种高效焊接工艺[1，2]。

2 焊接性分析

（1）母材的焊接性 EH36高强度钢的化学成分见表1。根据国际焊接学会的碳当量公式，计算得到EH36高强度钢的Ceq＝0.41%。当Ceq＝0.41%～0.6%时，钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢，再加上此钢对低温冲击性能具有较高的要求，因此EH36高强度钢要获得满意的焊缝，必须采取相应的措施：①采取合适的焊接工艺。②选择合理的焊接材料。③选择合理的焊接参数。

表1 EH36高强度钢的化学成分（质量分数）（%）

（2）焊接材料的选用 EH36钢屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa，而焊接材料应选择与母材等级相匹配的焊材，因此正面FCB法焊接材料选用日本神钢焊丝（3Y级），牌号为US-36，规格分别为φ4.8mm、φ6.4mm；表面焊剂为PF-I55E、背面焊剂为PF-I50R。而反面SAW经过多次试验最终采用伊萨5Y级焊材：焊丝牌号为OK Autrod 13.27、规格为φ4mm；焊剂为OK Flux10.62。焊材的化学成分见表2。

表2 焊材的化学成分（质量分数） （%）

3 焊接工艺过程

（1）焊接坡口与焊道设计 EH36试板尺寸为2000mm×1500mm×49mm，试板为Y形坡口，如图1所示。试板坡口、焊缝两侧20mm要打磨去除底漆和氧化皮，打磨好后进行试板定位拼装。

图1 坡口示意

为保证焊接质量，防止裂纹产生，焊前采用火焰加热或电加热对坡口进行65℃预热。正面FCB法焊接完成后，试板翻身，反面焊缝采用碳弧气刨清根，然后利用砂轮机把焊缝两侧20mm范围内和坡口内的氧化皮等杂质清除干净。反面进行SAW焊接，焊接5道即可完成，如图2所示。

图2 焊接示意

（2）焊接参数 FCB法采用三丝进行单面焊接，焊丝的位置要求：前丝L向前倾斜15°，中丝T1垂直，后丝T2向后倾斜5°。三根焊丝的伸出长度分别为：前丝35mm、中丝45mm、后丝55mm；另外三丝之间的间距如图3所示。

图3 焊丝的位置

FCB法三丝焊接电源极性分别是：前丝L、中丝T1直流反接，后丝T2交流电源，单丝埋弧焊直流反接。通过多次反复试验，总结出了适合该工艺的焊接参数，见表3。

表3 FCB法+单丝埋弧焊焊接参数

4 焊接结果分析

（1）焊缝外观和无损检测 焊接结束后，对焊缝进行外观检查，发现焊缝表面成形均匀并平滑向母材过渡，无裂纹、焊瘤和咬边等焊接缺陷（见图4）。24h后进行超声波与磁粉检测，焊缝内部不存在任何缺陷。

图4 焊缝外观形貌

随后进行宏观金相分析、力学性能试验及硬度测试。焊缝断面宏观检查应显示完全焊缝、无裂纹。抗拉强度应不低于母材规定的最小抗拉强度；弯曲试样的受拉表面应不出现超过3mm的裂纹或其他裂纹（弯头直径4t，弯曲角度180°）；低温冲击试验温度为-20℃，焊接接头平均冲击吸收能量≥34J。

焊接接头宏观样貌如图5所示，未发现裂纹和其他缺陷。

图5 焊接接头宏观样貌

力学性能试验结果见表4～表6，由此可知，拉伸试样断裂部位为母材，焊接接头抗拉强度均高于母材；弯曲试样未产生裂纹或其他缺陷，表明焊接接头连续、致密，塑性好；热影响区及母材的低温冲击性能均符合船级社规范验收标准。

表4 拉伸试验结果

表5 弯曲试验结果

硬度测试点位置分布如图6所示，焊接接头硬度值见表7。由表7可知，接头硬度值均＜350HV，满足规范要求。

图6 硬度测试点位置分布

表6 冲击试验结果

表7 焊接接头硬度值 （HV）

5 结束语

通过试验证明，49mm厚船用大厚度EH36高强度钢采用FCB+SAW焊接工艺方法后，各项性能试验结果优异，满足船级社规范要求。该工艺的成功开发，可充分利用流水线的自动化优势，并在公司系列40万t VLOC矿砂船中得到了成功应用，充分说明该工艺的可行性和实用性。在不增加硬件设施的同时，通过工艺改进和创新，充分利用现有资源，仍然可以大幅度地提高产品的建造效率，降低生产成本，因此在行业中具有较好的推广应用前景。