超大型集装箱船-EH47-钢焊接工艺研究及评定

超大型集装箱船EH47钢焊接工艺研究及评定摘要：近年来，超大型集装箱船的建造技术得到了长足发展，其优异的经济性及环保性在船舶市场备受关注，使其成为了造船业的明星产品。大型集装箱船结构较为复杂，在船体设计时,保证集装箱船舱口围部位强度是关键指标，一般采用大厚度EH47高强钢。因此,对于EH47钢焊接工艺研究以及如何形成一套成熟的现场工艺规范对船舶企业建造超大型集装箱船有着重要意义。1.概述超大型集装箱船在船舶市场受到热捧，原因不仅仅是因为满足全球海运量不断增加的客观需要，有利于提高其运力和抢占市场份额，最重要的还是能降低集装箱船的单箱运营成本。超大型集装箱船的优势在于高运量、高平均效率、低箱位平均油耗和相对较低的劳务投入。由于国内集装箱船建造起步低，技术水平相薄弱，目前国内建造的集装箱船普遍为万箱以下集装箱船。由于技术壁垒及各种高强度超厚板的焊接难点制约着国内船舶企业建造更大型的集装箱船。然而，国外最先进的集装箱船为16000-20000TEU型，其结构复杂，技术含量较高，他们对于大厚度高强度船体结构钢的焊接工艺、配套的焊接材料研究也领先于我国。我公司2013年度整合资源、蓄势待发，顺利接到了3艘18000TEU型集装箱船的订单。外高桥造船公司承建3艘18000TEU集装箱船，不仅填补了我国在超大型高附加值集装箱船建造方面的空白，也标志着外高桥造船公司成功进入国际超大型集装箱船建造企业的行列。该船型总长399.2米，型宽54米，型深30.2米，投钢量约4.8万吨，船分段共417个，除去上层建筑、绑扎桥分段，主船体分段共364个，比2艘超大型油船（VLCC）分段总数还要多。设计物量相当于2艘18万吨级散货船。18000TEU集装箱船的导轨架安装不同于一般的散货船铁舾件安装，因此在设计、工艺、技术、精度上的要求比散货船更高，建造难度更大。特别是舱口围部位的强度要求很高，一般采用大厚度EH47级高强钢。这种钢材的碳当量较高，合金元素较为复杂，焊接难度较大，因此超厚板EH47的焊接工艺研究是亟待解决的问题。2.坡口的选择及工艺评定项目确认根据船体设计图纸可知，船体甲板面及舱口围附件主要由高强度厚钢板EH47组成，部分由EH40组成，典型甲板面及舱口围结构见图1。在分段阶段，存在着EH47板平位置及横位置焊接，由于小组立制造时可以放反变形，为了减少切削坡口的工序，我们采用V型坡口，具体见表1中的评定项目1、2，同时也可以覆盖搭载阶段的平位置和横位置对接。舱口围的腹板EH47在搭载阶段存在立位置对接，为了防止单面坡口变形量较大，采用了X型坡口双面对称焊接，并且可以适当减少焊接的填充量。典型节点“A”、“B”、“C”设计为深熔焊，为了增加工艺试验的覆盖范围，我们计划做三个位置的K型坡口对接试验，详见表1中6、7、8项目。同时，为了增加焊接生产率，我们分别计划做一项埋弧自动焊和混合焊的工艺评定。埋弧焊坡口设计为X型，主要应用于可翻身的小组立及中组立阶段。混合焊为二氧化碳气体保护焊打底，埋弧焊填充盖面，主要应用于搭载阶段不能翻身平位置对接，可有效提高生产效率和质量。80mmEH47的焊接工艺评定项目具体见表1。后续的试验参数及结果分析主要针对埋弧焊的试验项目及K型坡口的三个二氧化碳气体保护焊项目。可以横向比较一下两种焊接方法的实施后的力学性能以及二氧化碳气体保护焊不同焊接位置的力学性能。3.EH47焊前研究3.1EH47钢板成分分析及焊接性研究钢材的焊接性能主要取决于它的化学成分。钢中通过加入合金元素来提高强度和韧性，因而随着钢材的强度和韧性的提高，钢中的合金成份越来越复杂，因此对焊接性的影响也很复杂。EH47钢板厚度达到80mm,屈服强度σs≥460MPa；抗拉强度σb≥570MPa；延伸率δ≥17％；母材最小冲击值要求达到64J，其化学成分如表1所示：钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度都会升高，但塑性和冲击性能降低。因此用于焊接的低合金钢含碳量一般低于0.2%。单独使用硅和锰脱氧效果不佳，很难除去脱氧的生成物。此母材中同时添加了锰、硅元素。生成的硅酸盐MnO.SiO2的熔点低且密度小，在熔池中能凝聚成大块熔渣浮出，达到良好的脱氧效果。硫的存在会增加热裂纹的敏感性，磷的存在会增加钢的冷裂纹敏感性，所以硫磷的含量在EH47母材中得到严格的控制。钛元素是有益元素，它是一种强烈的脱氧元素，且能和氮化合成TiN而起到固氮作用。铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，适量的铌可提高焊缝的冲击性能。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，当铜的含量小于0.5%时对焊接性基本无影响。铬元素能提高钢的强度和硬度而塑性和韧性降低不大，在高温时抗氧化能力和机械性能，因此也有一定量地添加。镍元素的增加可显著提高钢的强度和冲击韧性，但过高也存在热裂纹倾向增加的风险。从上述的一系列数据可以看出，此材料强度等级较高，化学成分复杂，随着钢材强度级别的提高，钢中合金元素相应提高，焊接性较差。为了便于分析和研究各种合金元素对金属焊接性的影响，把碳和各种合金元素对钢的淬硬、脆性和冷裂纹等折合成碳的影响，通常用碳当量来估算。碳当量估算方法有很多，常用的为国际焊接学会标准公式：。根据公式计算出此材料的碳Mn当量CrCE≈0+MO+.V46%N。i+C当钢u材的碳当量大于0.40%时，则热影响区的淬硬倾向较大，硬度明显提高，塑性和韧性降低，使焊接接头的综合性能降低。综上所述，母材的有害合金元素含量控制较好。碳当量过大，焊接性较差，焊接后的淬硬倾向明显，热影响区容易产生裂纹等缺陷。3.2焊接材料的选择受力构件所用的焊接材料，一般按母材等强原则选用。等强原则是指焊缝金属的强度不低于母材金属强度的下限。母材强度等级升高，接头韧性下降，产生脆断的危险性越大，因此也需保证焊缝金属的韧性不低于母材，保证韧度和保证强度是一样重要的。药芯焊丝目前在造船领域应用广泛，已经成为主要焊接方法之一，它不仅工艺性能较好，成型美观，电弧的稳定性较好，而且可以用大电流进行全位置焊接，生产效率较高，为此我们把目光放在如何挑选合适的二氧化碳气体保护焊的焊丝。京群公司的GFR-81K2焊丝最低屈服强度要求470MPa，实际测试值基本达到530以上，-60℃冲击平均值达到70J以上，力学性能优良，强度上和母材较为匹配，并且此牌号的焊丝操作性能较好，里面加入了稳弧剂，使得电弧较为稳定，飞溅较少，熔滴过度均匀。其化学成分具体见表3。目前埋弧焊在目前的船舶企业焊接工作中扮演着重要的角色，其自动化焊接的特点不仅可以改善焊接质量和降低劳动强度。在埋弧焊丝的选用过程中，市场上的选择也较为丰富，由于我们是第一次建造超大型集装箱船，并且埋弧焊是高线能量焊接方法，基于这两点我们选择了质量及口碑较好ESAB公司的OKAutrod13.27焊丝，与其匹配的是OKFlux10.62焊剂。焊丝的化学成分见表4。4.焊接工艺评定参数4.1焊丝直径焊丝直径的选择对焊接质量和生产效率都有很大的影响。往往焊接质量和生产效率是一个矛盾体，过大的焊丝直径和线能量会影响到焊缝及母材的内部组织。通常为了提高生产效率，应尽可能地选择直径较大的焊丝，然而过粗的焊丝会造成未熔透或焊缝成型不良的现象。在二氧化碳气体保护焊过程中，我们选用了直径1.2mm焊丝，其操作性能较好，热输入较为平均，生产效率也较高。在埋弧焊的过程中，我们选用了4.0mm的焊丝，虽然生产效率不及5.0mm的焊丝，但是较小的热输入可以保证焊缝和热影响区的性能。4.2焊接电流及电压焊接电流对焊接的质量和效率有很大的影响。此次试验的板厚极厚，焊接的层数非常多，打底焊时，为了保证背面焊道的质量，使用的焊接电流要较小；焊接填充焊道时，为了提高效率及保证熔合好，采用较大的电流；焊接盖面焊道时，为了防止咬边和保证焊缝成型美观，使用的电流稍小。二氧化碳气体保护焊时电压过大，电弧过长时，会出现电弧燃烧不稳定，增加金属的飞溅及产生气孔等缺陷，所以焊接时相应的电压控制在23-28v之间。4.3焊接速度焊接速度是指焊接过程中焊丝沿着焊接方向移动的速度，即单位时间内完成的焊缝长度。由于母材的淬硬倾向较大，而焊接速度直接决定着热输入量的大小，所以二氧化碳气体保护焊时，我们采用小电流、快速焊的工艺方法，即采用多层多道焊，每道焊缝的摆动宽度尽可能控制在10倍直径。埋弧焊焊接时也需采用多层多道快速焊接，速度一般控制在450-550mm之间。4.4焊缝层数及厚度对于高强钢而言，每层焊缝的厚度都会影响到显微组织的粗细和力学性能。厚板焊接时，焊缝层数少，每层焊缝厚度太大时，由于晶粒粗化，将导致焊接接头的塑性和韧性下降。如果同样厚度的钢材，采用多道焊或多层多道焊，其焊接接头显微组织明显变细，热影响区较窄。前一道焊道对后一条焊缝起预热作用，而后一条焊道对前一条焊道起热处理的作用。因此接头的地塑性和韧性都相对较好。所以本次试验为了确保接头的组织性能，每层焊道厚度控制在3-5mm之间。4.5焊前预热和层间温度控制在EH47系列工艺评定试验时，我们没有对钢板进行预热，只是在钢板表面用火焰加热去除水分，焊后采用缓冷处理，经证明，在合理使用焊接工艺的情况下，可得到性能优异的接头。然而，考虑到现场施工条件的复杂性以及焊工自律性的缺乏，我们在现场工艺中要求所有EH47的钢板需要预热100℃以上，以保证焊接质量。而焊接的层间温度不宜过高，过高的层间温度会烧损焊缝中的有益金属，降低焊缝的组织性能，在整个焊接过程中我们严格控制层间温度在250℃以下。4.6具体焊接工艺参数5．试验结果及分析5.1外观检验及NDT检验焊接试验结束后，对焊缝成型进行检验，所有试验的检验结果符合相应的船级社规范；再经NDT检测(UT、MT探伤)，检验结果也符合相应的船级社规范，焊接试板内部没有发现任何缺陷。5.2.力学性能试验力学性能试验是对焊接结构件的性能进行实验评定，检验焊接结构件是否合乎设计的技术要求，包括拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验（HV）和宏观等。经过力学性能试验验证，各项技术指标均满足技术要求。试样拉伸试验值见表6，冲击平均值及硬度值见图2、图3。船级社规范对EH47板的抗拉强度最低验收值为570N/mm*mm，各项目的实测值均符合要求并有一定的富余量。冲击性能为最低要求64J，我们每个项目的实测最低冲击值都达到了90J以上，冲击性能优异。其中SAW抗拉强度相对FCAW的明显较低，然而从各个位置的平均冲击值来看，SAW的冲击值均高于FCAW。这也验证了随着强度的提高，韧性会降低的这一规律。从本项目SAW焊接速度中可以看出，大约是FCAW焊接速度的两倍，有效的控制了焊接线能量，是SAW的冲击韧性得到保证。从硬度曲线图可知，基本没有超过300，都保持在合格范围之内。从力学性能上反应出良好的冲击韧性。6.结论大厚度EH47钢材的化学成分复杂，碳当量较高，焊接性较差，但是通过合理的焊接工艺及技术，可以焊接出组织稳定、力学性能优良的优质焊接接头。