XXXX年-舰船高强度低合金结构钢用药芯焊丝的进展

2011年情报研究系列报告No.05舰船高强低合金钢用药芯焊丝的进展（2011年度报告第1份，共2份）编制：审核：中船重工第七二五研究所信息与档案中心二○一一年十一月2目录引言.........................................................................................................................1（一）HSLA钢用药芯焊丝的发展现状...........................................................11.HSLA-65钢用药芯焊丝....................................................................................12.HSLA-80/100钢用药芯焊丝.............................................................................23.HSLA-115钢用药芯焊丝..................................................................................3（二）HSLA钢用药芯焊丝的发展趋势.............................................................4（三）HSLA钢用药芯焊丝的所面临的问题.....................................................5结语.........................................................................................................................61舰船高强低合金钢用药芯焊丝的进展高强度低合金钢（HSLA-65/80/100/115），正逐渐替代HY系列钢，成为美国舰艇结构及关键构件的主体材料。例如，美国的“提康德罗加”级巡洋舰、“阿里．伯克”级新型导弹驱逐舰和“尼米兹”级核动力航母的某些结构及“黄峰”级两栖攻击登陆舰的主要结构，均采用了HSLA-80钢；美国先进的攻击型核潜艇的非耐压壳体和航母舰体则采用HSLA-100钢，如1993年下水的CVN-74“斯坦尼斯”号航母上就大量使用了厚度从15.9到25.4mm的HSLA-100钢，HSLA-65/115已经获准用于新型航空母舰（CVN78）建造。据公开资料，美国航空母舰，其主壳体使用的是DH-36钢和HSLA-65钢；飞行甲板、防护装甲材料，早先采用HY-80/100钢，目前则采用不需预热或预热温度较低的HSLA-80/100钢。最近为CVN21航空母舰研制了强度韧性比HSLA-100钢更高的10Ni钢与HSLA-115钢，这两种钢将分别用于防弹板和飞行甲板及舰桥，以减轻新型航空母舰CVN-21的舰体重量。药芯焊丝，较之其它焊接材料，熔敷率高，焊接速度快，并可以进行全位置焊接，这对于垂直、仰角、弯曲焊缝较多的造船来说，是极为重要的。1979年之前，药芯焊丝的主流规格为φ3.2mm，主要作为堆焊材料使用；1979年～1985年，焊剂型药芯焊丝研制成功，主流规格为φ1.2mm，这使得焊接效率显著提高，并降低了焊接成本；1985年，金属粉型药芯焊丝研制成功，并用于490MPa、590MPa高强度结构钢的焊接，在舰船中得到广泛使用。日本焊接材料市场调研结果表明，药芯焊丝在船舶和海洋工程领域应用最广，其市场份额已经从2001年的60%，上升到了2009年的75%。然而，HSLA系列钢的焊接，因为市场上没有配套的焊接材料，只好采用焊接HY系列钢的焊材：ER100S、ER110S和ER120S焊材。这些焊材的碳含量超过了0.05%，在焊接时需要进行预热，不能充分发挥HSLA系列钢的不预热或低预热性能。因而，美国海军依据舰艇发展需求，在1990s年代，提出了研制HSLA-80/100钢配套的焊接材料研究的短期、中期和长期计划，其中包括实心焊丝和药芯焊丝的研制与鉴定。有鉴于此，本课题开展HSLA钢用药芯焊丝的情报调研，以掌握美国舰船用高强度低合金系列钢用药芯焊丝的进展状况。（一）HSLA钢用药芯焊丝的发展现状美国海军现用的HSLA系列钢中，以HSLA-80/100研发较早，配套焊接材料研究较多；HSLA-65强度级别较低，焊接性能优异，其配套药芯焊丝已经纳入美国军用标准；只有HSLA-115钢用药芯焊丝，第二阶段的鉴定工作仍在进行之中。1.HSLA-65钢用药芯焊丝2006.5.8美国Horbart兄弟公司研制成功了一种Tri-MarkTM-71HYN气体保护药芯焊丝，是率先获得美国海军“HYN”认证的药芯焊丝，用于焊接HSLA-65高强度钢的焊接，其焊缝金属中的扩散氢含量低于5ml/100g，屈服强度达2413MPa~620MPa；在高速及低速冷却条件下，(－28.9℃)下的冲击值较军方要求提高40.68J；采用75%CO2和25%Ar混合气体保护，可以进行全位置焊接，焊丝规格为φ1.143mm，卷重15kg。2008.6.16美国海上系统司令部，复审批准了普通强度及低合金钢（HSLA-65）用药芯焊丝的技术规范MIL-E-24403/1F（SH），该技术规范涵盖了自保电弧焊和气保电弧焊接所用的药芯焊丝。从该规范可知，HSLA-65钢用药芯焊丝的品种齐全，规格多，焊缝金属的扩散氢含量有H16、H8、H4、H2不同等级，最低可达2.0ml/100g，焊接金属屈服强度379MPa~413MPa，拉伸强度483MPa~551MPa，伸长率为22%左右；可以满足该级钢的各种焊接需要。目前，美国Horbart兄弟公司已经拥有Hobart、Tri-Mark、Corex和McKey等4个商标，与美国Arc-Selcet公司、林肯公司和伊萨公司一道，成为了美国海军药芯焊丝的主要研制单位和生产商。不过，用HSLA-65钢取代DH-36钢的电弧焊，会产生较大的焊接变形，通常需要焊后火工矫形，才能解决这一问题。为此，近年来（2007年~2009年），美国海军开展了HSLA-65钢的搅拌摩擦焊研究。此外，为了以降低焊接变形，提高焊接速度，美国海军开展了HSLA-65激光与电弧焊接为一体的激光混杂电弧焊接研究，以及HSLA-65钢的搅拌摩擦焊接研究。2.HSLA-80/100钢用药芯焊丝HSLA-80钢研制较早，是在ASTMA710钢的基础上开发的低碳铜沉淀强化型钢，于1984年已开始应用于水面舰船结构方面。HSLA-100钢从1985年开始研究，也是一种低碳铜沉淀强化型钢，从1989年后，HSLA-100已作为HY-100钢的替代品在水面舰艇结构及防弹部件上开始得到应用。2002年，美国海军废止了MIL-S-24345“时效硬化高强度结构钢（HSLA-80/100）板材、薄板、或卷材技术条件”和MIL-S-16216“高屈服强度结构钢（HY-80/100）钢板的技术要求”两项规范，将有关内容纳入美国海军海上系统司令部的技术出版物：NAVSEAT9074BDGIB010/0300：2002“关键结构用基体材料：HY-80/100/130和HSLA-80/100低合金钢板、锻件、铸件、型材、棒材和封头的技术要求”，与此同时，配套焊接材料纳入技术出版物NAVSEAT9074BCGIB010/0200:2002“关键结构用填充材料：低合金钢用药芯焊丝、实心焊丝和焊剂、埋弧焊丝的技术要求”。这表明，美国舰艇用HSLA-80/100高强度低合金钢的基体材料及焊接材料（包括药芯焊丝）基本定型，并纳入海军舰船规范。HSLA-80/100钢用焊接材料的研制采用了两种途径：（1）在HY-80/100钢用焊材的基础上，改性研究；（2）开发HSLA钢用的超低碳焊接材料。近年来，在药芯焊丝方面，主要有下列最新进展。2006.6.2美国Horbart兄弟公司研制成功了一种Tri-MarkTM-101气体保护药芯焊丝，用于焊接HSLA-100等高强度钢，焊接金属的拉伸强度达724MPa~793MPa；焊丝规格为φ1.143mm、1.588mm两种规格，适合于单道次或多道次焊接。其特点是，焊接电弧平滑、稳定，飞溅少，焊珠外形平整。2007.1.8美国Select-Arc公司引入了一种HSLA-80用钢的气体保护药芯焊丝，85-Ni3，这种焊丝形成的焊缝金属中，含有3%的镍，改进了其低温韧性，球状焊弧，焊珠凸出，有φ1.143mm、1.321mm两种规格，需要进行焊后应力释3放热处理。该焊条碱性渣系，扩散氢含量低。2009.10.28，美国Hobart兄弟公司推出了一种金属粉芯药芯焊丝，Tri-Mark®Metalloy®80N1，可在零度下提供高的冲击韧性。适合于镍铬钼钢铸件及重型构件的单道及多道焊接，也可以用于耐候钢的焊接，符合AWSA5.28技术条件的分级要求，采用气体保护焊接工艺，在75%Argon/25%CO2、98%Argon/2%O2下，焊缝金属拉伸强度分别为586MPa~621MPa，其低温脆性转变温度为-46℃。Metalloy®80N1有φ1.143mm、1.321mm和1.588mm三种规格，以卷、匝包装及多种尺寸供货。2009年，美国海军金属加工中心完成了优化HSLA-80钢T型梁的激光电弧混杂焊接工艺研究，并将其用于新型导弹驱逐舰DDG-1000。这种焊接方法可以提高焊接速度，降低变形。据估计，这种焊接方法可以使T型梁的制造成本降低45%，每艘导弹驱逐舰可建造费用减少65万美元。2010.2.18，美国Hobart兄弟公司公布了一种用于焊接高强度钢的焊丝，气体保护药芯焊丝FabCO®107G，适用于对低温性能有较高要求的应用场合，可以实现全位置焊接，可以形成接头拉伸强度为690MPa~759MPa，用于HSLA等高强度钢的焊接，有φ1.143mm、1.321mm两种规格。有光滑稳定的焊接电弧，可以形成外形美观的焊珠，减少修整工作量；焊接飞溅少，焊渣易于清理。在100%CO2保护气氛下，φ1.143mm、1.321mm两种焊丝形成的焊缝，其扩散氢含量分别为3.7ml/100g和4.3ml/100g。2011.5.5,美国Hobart兄弟公司推出了两种用于焊位不当的气保焊药芯焊丝（Tri-Mark®TM-811N1与TM-811N2），为了提高焊接金属在低温下的冲击性能，TM-811N1与TM-811N2在焊接金属中分别含有1%和2%的镍。这两种焊条，均有稳定焊弧、焊珠平整，且飞溅少、凝结快及焊渣易于清理等特性，适用于焊接HSLA系列钢。这两种焊条，均可在75%CO2+25%Ar的混合气体保护焊或者在100%CO2气体保护条件下进行焊接。有φ1.143mm、1.321mm和1.588mm三种规格，可以采用不同包装类型及重量。2011年，美国林肯公司用于HSLA-80/100钢焊接的药芯焊丝有三种，分别是：Outershield®91K2-H、UltraCore®81K2A75-H和UltraCore®81K2C-H，均实现了商业生产。2011年，伊萨公司用于HSLA-80/100钢焊接的药芯焊丝有4种：DualShieldII101H4M、DualShieldII101-TC、DualShieldII101-TM；用于HSLA-100钢的有三种，分别是DualShieldII110、DualShieldII120M2、DualShieldT-125。美国Select-Art公司的E120T5-K4C药芯焊丝，是一种低合金钢气体保护焊药芯焊丝，采用100%CO2气体保护焊，适合于HSLA-100等钢种的单道次或多道次的水平角焊缝及平焊缝的焊接，焊缝金属的拉伸强度