CN107584194A - 高强度止裂钢材的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强度止裂钢材的焊接方法，该焊接方法包含：焊前预热；主焊缝焊接工艺，该主焊缝焊接工艺包含：厚板焊接时采用多层多道焊，以及板厚接头焊接采用陶质衬垫CO2气保护单面焊。本发明公开了一种止裂钢材料在船舶结构建造中的焊接工艺，实现止裂钢材料在大型船舶结构建造中焊接应用，满足大型船舶船体结构钢材止裂性能的要求。

Description

高强度止裂钢材的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢材制造领域，具体涉及一种高强度止裂钢材的焊接方法。

背景技术

由于目前普通船板在达到一定厚度时会变脆，止裂性能下降，为满足现代船舶制造行业对钢结构产品的需求，以及满足于大型船舶船体结构钢材止裂性能的要求，采用新型高强度止裂钢制造船体结构将成为船东建造大型、超大型船舶的首选。迄今为止该类型钢材使用在国内造船行业并无采用，无相关经验及文献资料可循。

止裂钢材料区别于普通船用钢材，在达到一定厚度时其止裂性能优异，克服船板在达到一定厚度时其物理性能变差的缺点。但该止裂钢材料的缺点在于，新型止裂材料对焊接环境及工艺要求极为苛刻，工艺难度高。

发明内容

本发明提供一种高强度止裂钢材的焊接方法，实现对高强度止裂钢材在在大型船舶结构建造中的焊接工艺。

为实现上述目的，本发明提供一种高强度止裂钢材的焊接方法，其特点是，该焊接方法包含：

焊前预热；

主焊缝焊接工艺，该主焊缝焊接工艺包含：厚板焊接时采用多层多道焊，以及板厚接头焊接采用陶质衬垫CO2气保护单面焊。

上述焊前预热的方法包含：

对接焊的预热范围为焊缝中心两测100mm；温度测量点设在焊缝坡口两侧50mm处；

角接焊的预热范围为焊缝中心上下各100mm范围，采用L型电加热板加热，温度测量点设在焊缝坡口上下50mm处；

临时焊缝的预热范围设定为，以焊接中间处为中心最边界起点的Φ100mm的圆环；

修补焊缝的预热长度为修补焊缝长度，两侧各延伸30～50mm；

板材厚度小于等于50毫米且环境温度小于10℃时，预热温度设为大于120℃；

板材厚度小于等于50毫米且环境温度大于等于10℃时，预热温度设为大于等于110℃；

板材厚度大于50、小于等于100，且环境温度小于15℃时，预热温度设为大于等于120℃。

上述焊前预热前还进行定位焊工艺，定位焊工艺包含：

定位焊前预热，预热温度高于主焊缝要求的最低预热温度；

在接缝内进行定位焊，定位焊焊缝的长度取值范围为50毫米至80毫米，间距取值范围为200毫米至500毫米，焊脚高取值范围为3毫米至5毫米。

上述定位焊工艺前还进行焊前清洁工艺，该焊前清洁工艺包含清除氧化铁渣、铁锈、水汽、油污和杂物；清洁范围为自焊接接头起，两侧分别向外延伸20毫米至40毫米。

上述多层多道焊的层间温度的取值范围为大于等于焊前预热的预热温度且小于等于250℃。

上述焊接工艺中，多层多道焊还应用于30mm以上厚板对接盖面焊，其方法包含：先焊两边焊道，最后再焊中间焊道。

上述多层多道焊针对长焊缝时，每道焊接时采取从分段对中开始向两面焊接，每段焊接范围取250毫米至1000毫米，打底焊时每段焊缝焊完后立即锤击焊道。

上述陶质衬垫CO2气保护单面焊及CO2气体保护焊双面焊中，喷嘴采用厚板焊接专用的细长导电嘴，焊丝为Φ1.2mm的药芯焊丝；打底层焊接电流小于等于200A；焊接速度小于等于15cm/min；打底层厚度为4～5mm；

其中，打底层焊缝一次连续焊完，在打底焊后连续完成第二层的CO2气保护单面焊。

上自动埋弧焊前还进行打底焊；

打底焊采用CO2焊打底3道焊道，焊接电流小于等于200A；焊接速度小于等于15cm/min；打底层厚度为4～5mm；打底焊完成后锤击敲打清除焊接杂质；

清除焊接杂质后进行自动埋弧焊，自动埋弧焊的焊接采用直径4mm的焊丝和与该焊丝匹配的焊剂进行施焊。

上述焊接方法还包含焊缝修补工艺，焊缝修补采用的焊条等级与主焊缝焊接头要求的焊材等级相同，焊缝修补前，修补处温度预热至100～150℃，局部修补处焊道长度大于50毫米。

本发明高强度止裂钢材的焊接方法和现有技术相比，其优点在于，本发明公开了一种止裂钢材料在船舶结构建造中的焊接工艺，实现止裂钢材料在大型船舶结构建造中焊接应用，满足大型船舶船体结构钢材止裂性能的要求；

本发明在焊接前进行预热，避免热影响区晶粒的长大，保证接头的韧性和塑性。

附图说明

图1为止裂钢标注信息示意图；

图2为本发明高强度止裂钢材的焊接方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种高强度止裂钢材的焊接方法，实现止裂钢材料在大型船舶结构建造中焊接应用，满足大型船舶船体结构钢材止裂性能的要求。

为保障型船舶船体结构的性能要求，在焊接止裂钢之前，需要对止裂钢材质进行跟踪，具体跟踪方法包含：

步骤1、板材颜色，止裂钢进行预处理，预处理后的止裂钢颜色为草绿灰。

进车间下料时，请首先查找50*100MM红色印章，直接敲印在钢板规格信息旁，确定止裂钢牌号，符合下料条件后进行下料。其中，下料人员需对止裂钢原始炉号进行铅笔拓印或拍照保存。

步骤2、制备止裂钢上标记。

标记采用合成材料或薄铝片制成，将止裂钢牌号几种规格分别制作。

步骤3、止裂钢上安装标记。标记安装位置有以下实施例：

止裂钢下料后零件标记实施例一：零件尺寸超过1.5米*1.5米，将在零件四角位置分别安装一个标记。

止裂钢下料后零件标记实施例二：零件尺寸小于1.5米*1.5米，将在零件中心部位对称安装一个或若干标记。

步骤4、如图1所示，下料后，止裂钢材料上标注信息，信息包含：船号、板材牌号、分段号或舱号、零件号，以及下料人姓名或工号。

步骤5、整板按照切割命令切割完毕后，需在每块止裂钢材料上，按钢板轧制方向标注右箭头“→”“或左箭头←”标志，用于后续一旦止裂钢钢板表面需要修磨时，为打磨工指示打磨方向和钢板轧制方向，钢板轧制方向一般采用整块板的长度方向。

如图2所示，公开了一种高强度止裂钢材的焊接方法，该焊接方法具体包含以下步骤：

S1、焊前清洁工艺。

对焊缝进行清洁工作，清除氧化铁渣、或铁锈、或水汽、或油污、或杂物，或以上任意物质的组合。焊缝清洁的范围为：自焊接接头起，两侧分别向外延伸20毫米至40毫米。

S2、定位焊工艺。

本实施例中，以型号为EH40和EH47级高强度止裂钢材为例，说明止裂钢材料的焊接工艺。根据船级社规范要求，EH40和EH47级高强度钢焊接接头的强度和塑性指标应不低于对母材的要求，韧性指标应满足-40℃时EH40冲击性能AKV值≥31J，EH47冲击性能AKV值≥51J。为解决厚板EH40和EH47级高强度钢焊接时的问题，在焊接工艺上主要是要采用小热输入量方法焊接，并采取必要预热措施。

EH40和EH47级高强度钢在定位焊焊前应预热，且定位焊预热温度应高于主焊缝要求的最低预热温度，该主焊缝要求的最低预热温度约为20℃。定位焊预热可以采用燃气火焰对需要焊接的焊缝部位进行局部加热。

在接缝内进行定位焊，定位焊焊缝的长度大于等于50毫米，小于等于80毫米；间距为大于等于200毫米，小于等于500毫米；焊脚高为3～5毫米。

由定位焊造成的缺陷，需要在焊前清除。

S3、预热工艺。

焊前预热有降低冷却速度，减少焊接应力和防止冷裂纹的作用，与合适的焊接热输入量配合，可以控制焊接接头的组织和性能。因此，预热工艺是解决厚板EH40和EH47级高强度钢焊接问题，保证厚板EH40和EH47级高强度钢焊接质量的关键，所以预热必须按预热工艺要求严格进行。预热温度必须适当，过低达不到降低冷却速度、减少焊接应力和扩散氢含量的目的；过高会引起热影响区晶粒的长大，降低接头的韧性和塑性。预热施工应均匀地进行，尽量整条焊缝同时进行。如预热局部不均，则会造成温差引起的应力，不利于焊接。因此，应尽量采用控制电加热方式对整条焊缝进行预热。当采用电加热方式时，应注意防止触电和烫伤。电加热板布置在施焊焊缝的正面，方便焊接施工。具体预热工包含：

预热温度是根据母材的碳当量、板厚、焊材含氢量和焊接热输入量以及环境温度来确定的。EH40和EH47级高强度钢焊采用CO2气体保护焊时，焊前预热温度的选择也可参照表1进行。

表1焊前预热温度对照图

根据表1可知，板材厚度小于等于50毫米且环境温度小于10℃时，预热温度设为大于120℃；板材厚度小于等于50毫米且环境温度大于等于10℃时，预热温度设为大于等于110℃；板材厚度大于50、小于等于100，且环境温度小于15℃时，预热温度设为大于等于120℃。

实际预热焊接接头长、接头板厚较厚，为保证预热效果及制造质量，因此选择采用控制电加热方式进行预热。并且由于采用较合理的焊接工艺，抗拉强度、冷弯试验和冲击性能试验结果都符合船级社规范要求。

预热方法设定如下：

1)高强度船体结构钢(AH32～EH36)凡板厚T>38mm时，焊前均需预热至≥65℃。凡板厚T≥65mm时，焊前均需要热至≥110℃。

2)舱口围区域EH40/47刚(TMCP)，焊前均需要热至≥120℃.焊道层间温度120-200℃。若焊接中途停止时间过长，需重新加热温度至120-200℃。

3)环境温度低于0℃时，高强度船体结构刚(AH32～EH36)凡板厚T≤30mm,焊前应预热至20℃以上。

4)上述钢材的各种定位焊及补焊等辅助焊缝要遵循少焊少用的原则，迫不得己的焊接内容，预热要求与正式焊缝相同。

5)对于长度L<1M的焊缝，可采用火焰加热；长度L≥1M时，采用电加热。

6)如二块不同预热要求的钢板焊接时，预热按高标准要求的钢板进行预热。

7)如焊接过程中因某种原因导致焊接部件温度下降，需再次按要求进行预热。

预热范围如下：

1)对接焊预热范围在焊缝中心两测100mm范围；另外为保证温度达到预热要求，温度测量点在焊缝坡口两侧50mm处。

2)角接焊预热范围需在焊缝中心上下各100mm范围，采用L型电加热板加热，温度测量点在焊缝坡口上下50mm处。

3)临时焊缝的预热范围设定为已焊接中间处为中心，最边界起点的Φ100mm的圆环。

4)修补焊缝的预热长度为修补焊缝长度，实例操作中至少50mm，两侧各延伸30～50mm。

S4、引弧工艺。

引弧需要在坡口或角焊焊道范围内进行，严禁在坡口之外的钢板上随意乱引弧，造成弧伤的地方必须用砂轮磨尽。乱引弧时被电弧打伤的地方极容易由于冷却过快而出现微小裂纹等缺陷，这种缺陷流在结构上可能会发展成大裂纹而造成事故。

S5、主焊缝焊接工艺。

该主焊缝焊接工艺包含：多层多道焊、陶质衬垫CO2气保护单面焊、CO2气保护双面焊、自动埋弧焊和低位横向焊接。

1)厚板焊接时必须采用多层多道焊，严格控制层(道)间温度，层(道)间温度大于等于预热温度，小于等于250℃，其中预热温度参见表1。

多层多道焊的焊缝厚度控制在4～5mm，焊缝宽度不得超过20mm，焊接下一层(道)前，必须彻底清除上一层(道)焊缝的焊渣等杂质，确保无缺后方可继续焊接。多层多道焊的每一道接头要错开30-50mm。

进一步的，对30mm以上厚板对接盖面焊也采用多层多道焊，其焊接方法包含：先焊两边焊道，最后再焊中间焊道。

进一步的，长焊缝每道焊接时，要保持整条接头的多层多道焊，不能局部一次焊完，采取分中退步法，即从分段对中开始向两面焊接，每段焊接250mm至1000mm。

进一步的，打底焊时，每段焊缝焊完后立即锤击焊道，减少接头应力，并清除焊渣。

2)板厚接头焊接采用陶质衬垫CO₂气保护单面焊、CO₂气保护双面焊和自动埋弧焊。

这里，气体保护焊与自动埋弧焊电源极性采用正极反接法，包括焊丝接正极，母材接负极。

CO₂气体保护焊(FCAW)的电流密度大、熔深较深、热量集中，电弧穿透力强，熔化系数大，因此生产效率高，而其平均热输入量小、焊接变形也小；而且CO₂气体保护焊焊接的含氢量小，抗裂性能好；并且CO₂气体保护焊焊接操作较容易，适合全位置焊接，并可采用陶质衬垫实现单面焊双面成形。CO2气体保护焊的焊接方式包含平焊、横焊、立焊-上行；CO2气体保护焊焊枪与工件成夹角角度70～80°。所以当对接板平放，焊缝位置有其它焊接零部件遮挡时，采用CO2气体保护焊的平焊。

因此，经一系列的焊接试验，我们选定CO₂气体保护焊埋弧焊作为厚板EH40和EH47级高强度钢焊接的主要方法。

陶质衬垫CO₂气保护单面焊和CO2气体保护焊双面焊中，喷嘴采用厚板焊接专用的细长导电嘴，焊丝为Φ1.2mm的药芯焊丝；打底层焊接电流小于等于200A；焊接速度小于等于15cm/min；打底层厚度为4～5mm；其中，CO₂气保护焊的打底层焊缝一次连续焊完，在打底焊后连续完成第二层的CO₂气保护单面焊。

另外，导电嘴与焊丝伸出端的距离称为焊丝伸出长度，直径1.2mm焊丝伸出长度保持在15～19mm之间，依据电流大小选择。

埋弧焊(SAW)是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点。埋弧焊的焊接方式包含平焊。所以当对接焊缝处无其它零部件，平放采用自动埋弧焊，效率高。

埋弧焊使用专用的直径4mm的焊丝，与之相匹配的焊剂进行施焊；其中采用CO2焊打底，要求如上，共计打底3道焊道后，锤击敲打清除焊接氧化皮等杂质后进行自动埋弧焊的焊接。

进一步的，采用药芯焊丝在CO₂气体保护焊中具有电弧稳定、飞溅小、焊接成形美观等优点，而且易于调整药芯合金成分来满足焊缝金属对力学性能的要求，特别是对焊接材料低温韧性的高要求。根据DNVGL规范要求，焊接大于50mm的高强度钢板厚时，使用的焊接材料的韧性要提高1～2个等级，即焊接材料的低温韧性能满足-40℃时对冲击性能的要求。因此，经试验，我们选用了6Y46SH5等级药芯焊丝用于焊接50mm以上板厚的EH40和EH47级高强度钢板；。实际运用中，在FCAW中采用焊材牌号：直径1.4mm，Dual Shield II81-HS；在SAW中采用焊材牌号：焊剂：FLUX OK10.62；焊丝采用：直径4.0mm，ESAB OK AUTROD13.27。

从表2、3中试验数据可以看出，冲击韧性基本达标，但立焊的根部性能较差，这主要是由于立焊的热输入量最大。

表2 6Y46SH5等级药芯焊丝进行70mm EH40和EH47级高强度钢板CO2气体保护焊单面焊试验结果中接头根部的冲击性能数据

表3 6Y46SH5等级药芯焊丝进行70mm EH40和EH47级高强度钢板CO2气体保护焊单面焊和埋弧焊试验结果中接头根部的冲击性能数据

进一步的，焊接试验表明，采用过大热输入量时，奥氏体晶粒会迅速长大，使韧性下降。当采用过小热输入量时，易得到一些马氏体淬硬组织。特别是陶质衬垫CO2气体保护焊单面焊，接头根部区域一直是韧性较薄弱的地方，不同焊接位置要采用不同间隙和坡口角度来控制热输入量。下表4为70mmEH47级高强度钢板CO2气体保护焊焊接规范。

表4 EH47级高强度钢板CO2气体保护焊焊接工艺参数表

下表5为70mmEH47级高强度钢板CO2气体保护焊打底、埋弧焊焊接规范。

表5 0mmEH47级高强度钢板CO2气体保护焊打底、埋弧焊焊接参数表3)低位横向焊接，该低位横向焊接采用小口径喷嘴打底焊，焊接电流为200A，电压为28V，气体流量为20～25L/min。

进一步的，高强度止裂钢材的焊接方法还包含焊接夹渣缺陷的控制方法，由于板比较厚且坡口角度较小，在焊接时易产生夹渣，最易出现夹渣的是在每层焊缝的两个角，也就是和母材熔合的区域。应从以下几方面注意防止产生夹渣：1)使用合理的焊接电流电压，使母材与填充金属充分熔合。2)要使用适当的焊枪角度。3)认真清理焊接过程中的杂质，如焊渣、飞溅等。4)每道焊缝焊接时，焊接手势宜采用小摆动，焊接速度不宜过快。5)确保每道焊缝的平滑过渡。

焊缝平滑过渡的工艺方法：这个的目的是为了焊缝的受力更好防止应力集中，没有具体的方法，是焊接成型的一种，就是焊道与焊道之间合理的搭接。

进一步的，高强度止裂钢材的焊接方法还包含焊缝修补工艺，其具体包含：

1)焊缝修补采用的焊条等级与主焊缝焊接头要求的焊材等级相同。

2)焊缝修补前，修补处温度预热至100～150℃，局部修补处焊道长度大于50毫米。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，该焊接方法包含：

焊前预热；

主焊缝焊接工艺，该主焊缝焊接工艺包含：用于厚板焊接的多层多道焊、以及用于焊接板厚接头的陶质衬垫CO2气保护单面焊、CO2气保护双面焊和自动埋弧焊。

2.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述焊前预热的方法包含：

对接焊的预热范围为焊缝中心两测100mm；温度测量点设在焊缝坡口两侧50mm处；

角接焊的预热范围为焊缝中心上下各100mm范围，采用L型电加热板加热，温度测量点设在焊缝坡口上下50mm处；

临时焊缝的预热范围设定为，以焊接中间处为中心最边界起点的Φ100mm的圆环；

修补焊缝的预热长度为修补焊缝长度，两侧各延伸30~50mm；

板材厚度小于等于50毫米且环境温度小于10℃时，预热温度设为大于120℃；

板材厚度小于等于50毫米且环境温度大于等于10℃时，预热温度设为大于等于110℃；

板材厚度大于50、小于等于100，且环境温度小于15℃时，预热温度设为大于等于120℃。

3.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述焊前预热前还进行定位焊工艺，定位焊工艺包含：

定位焊前预热，预热温度高于主焊缝要求的最低预热温度；

在接缝内进行定位焊，定位焊焊缝的长度取值范围为50毫米至80毫米，间距取值范围为200毫米至500毫米，焊脚高取值范围为3毫米至5毫米。

4.如权利要求3所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述定位焊工艺前还进行焊前清洁工艺，该焊前清洁工艺包含清除氧化铁渣、铁锈、水汽、油污和杂物；清洁范围为自焊接接头起，两侧分别向外延伸20毫米至40毫米。

5.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述多层多道焊的层间温度的取值范围为大于等于焊前预热的预热温度且小于等于250℃。

6.如权利要求1或5所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺中，多层多道焊还应用于30mm以上厚板对接盖面焊，其方法包含：先焊两边焊道，最后再焊中间焊道。

7.如权利要求1或5所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述多层多道焊针对长焊缝时，每道焊接时采取从分段对中开始向两面焊接，每段焊接范围取250毫米至1000毫米，打底焊时每段焊缝焊完后立即锤击焊道。

8.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述陶质衬垫CO2气保护单面焊及CO2气体保护焊双面焊中，喷嘴采用厚板焊接专用的细长导电嘴，焊丝为Φ1.2mm的药芯焊丝；打底层焊接电流小于等于200A；焊接速度小于等于15cm/min；打底层厚度为4~5mm；

其中，打底层焊缝一次连续焊完，在打底焊后连续完成第二层的CO2气保护单面焊。

9.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述自动埋弧焊前还进行打底焊；

打底焊采用CO2焊打底3道焊道，焊接电流小于等于200A；焊接速度小于等于15cm/min；打底层厚度为4~5mm；打底焊完成后锤击敲打清除焊接杂质；

清除焊接杂质后进行自动埋弧焊，自动埋弧焊的焊接采用直径4mm的焊丝和与该焊丝匹配的焊剂进行施焊。

10.如权利要求1所述的高强度止裂钢材的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法还包含焊缝修补工艺，焊缝修补采用的焊条等级与主焊缝焊接头要求的焊材等级相同，焊缝修补前，修补处温度预热至100~150℃，局部修补处焊道长度大于50毫米。