船用高强钢DH36垂直自动气电焊的试验与研究.doc

船用高强钢DH36垂直自动气电焊的试验与研究摘要：分析了垂直自动气电焊焊接性能的影响因素，通过普通轧制船用高强钢 DH36 与采用 TMCP 工艺生产的高强钢垂直自动气电焊性能试验比较，提出了改善大间隙状况下垂直自动气电焊焊接接头低温冲击韧性的方法，即：选用低温呷托 浴⑷让舾行孕〉腡 MCP钢；采用具有良好低温冲击韧性的药芯焊丝关键词：船用高强钢 DH36 ；垂直自动气电焊；试验前言垂直自动焊焊接工艺是目前船厂船台 （坞）大合拢阶段不可缺少的高效焊工艺方法之一 由于垂直自动气电焊高效的特点焊接热源集中， 焊接线能量大， 是一般埋弧自动焊线能量的 3-4 倍，易引起焊接接头的脆化， 从而导致塑性韧性的降低， 尤其是对有低温冲击要求 DH36的这类高强钢，其 0C时焊接接头冲击韧性应大于等于 34J，或按某些船规要求应达到母材的技术指标，则-20 °C时冲击韧性应大于等于 24J从实际情况来看，焊缝中心冲击尚能满足要求，但热影响区波动很大， 常常出现低值为了改善和提高船用高强钢 DH36 垂直自动气电焊的低温冲击韧性，针对实际生产状况中间隙超差带来的 低温冲击韧性问题，对高强钢 DH36 垂直自动焊进行了试验研究，以寻求提高其韧性的途径，并为将来大间隙焊在精度造 船中的运用积累了经验。

1 焊接设备简介垂直气电焊设备主要由机头和靠永久磁铁吸附于钢板上并带齿条的铝合金导轨、水冷循环装置、半自动 CO2 焊接电源和送丝机构组成焊枪和铜滑块装在小车上，沿着由磁性固定在钢板上的齿条导轨垂直向上运行，其正面用通水冷却的 铜滑块，背面用固定的通水冷却铜衬垫或陶瓷衬垫，正反面强迫一次成形，可焊接板厚 9-22mm 2 影响垂直气电焊焊接性能的因素2.1 焊前准备和焊接弄作焊前应首先检查全套设备的运行状况，若焊接时中途熄弧，必须对接头进行彻底修补为保证随机头一起上升的铜 滑块顺利畅通，板边差应控制在 2mm 以内，坡口两侧 40mm 范围内高出钢板表面的横向焊缝、增强高和马脚均须铲平， 还应清除铁锈、水分、油污等，以免影响焊接质量反面的衬垫应对中并贴紧钢板为控制钢板在大线能量焊接状态下的 焊接变形及装配间隙的收缩，装配马应保证一定的高度和宽度，装配马间距应在 300-400mm 范围内2.2 坡口角度和间隙坡口角度的控制应随板厚而定，为了使坡口宽度与正面铜滑块的槽宽相适应，板厚增加，坡口角度应相对减小，20-25mm板厚的坡口角一般为 35°40 °间隙根据反面衬垫槽宽一般控制在 （6 ±）mm。

间隙或坡口过小，不仅反面焊缝成 形差，而且焊缝成形系数不良，影响接头性能间隙或坡口过大，均会造成焊缝填充量的增多，焊接速度减慢，线能量增 大，从而影响接头冲击韧性2.3 焊接电流和焊接电压垂直气电焊采用焊材直径为 ©16mm的药芯焊丝，且正反面焊缝一次成形，因此焊接规范比较大根据不同板厚，焊接电流一般应控制在 340-380A ，过小会造成熔合不良，过大会导致电弧不稳焊接电压过小，焊接过程中飞溅增多， 且熔宽太窄，造成正面焊缝未熔合，若电压太大，易造成咬边不同的药芯焊丝，因熔敷率不同，电流电压的匹配性也存 在差异，应适当调整2.4 焊丝摆动及停留时间垂直气电焊焊枪可作适当的摆动板厚为 9-14mm 时，不需摆动；板厚为 16-20mm 时，可采用摆动，但厚板 （大于 20mm） 焊接时必须摆动，摆动幅度及焊丝前后停留时间根据电弧位置而定摆动不仅使熔池得到充分的搅拌，有利于焊缝 中气体的溢出，而且可使焊缝成形得到控制，获得更佳的焊缝截面形状，使接头性能得到改善2.5 焊丝伸出长度由于垂直气电焊是通过焊丝伸出长度来控制机头的上升速度，因此在焊枪位置相对固定的前提下，焊丝伸出长度决 定了焊接过程中熔池的高低。

伸出长度过长，熔池下降，焊缝因得不到正面水冷铜滑块的有效冷却，焊缝会因热量集中而 导致性能下降，有时甚至会焊穿，而且伸出长度过，长焊丝也容易飘，气体保护效果差，接头因 N、H、O 的混入，使接头冲击韧性下降伸出长度过短，熔池液面上升，飞溅和熔渣易堵塞滑块气口不仅影响气体保护，而且易造成导电嘴短 路，因此焊丝伸出长度应适当控制，一般在 30-35mm 2.6 材料特性焊接接头主要由焊缝、熔合区、热影响区组成，由于垂直气电焊线能量高，热影响区较宽，接头组织晶粒粗大，接头的冲击韧性是关键的考核指标按一般船规要求，主要考核焊缝、熔合线、熔合线处 1mm、3mm、5mm的韧性焊缝冲击韧性主要取决于焊接材料的性能，母材的稀释有时会引起焊缝中心冲击的波动熔合线、熔合线处 1mm的冲击韧性主要由焊缝、 焊接热影响2区者组合而成熔合线处3mm、5mm热影响区的韧性主要由母材的焊接性能决定 因此当焊接工艺成熟，焊接规范选择合理的情况下，焊材及母材的韧性决定了垂直气电焊的接头冲击韧性状况3焊接试验船用高强度钢与一般强度钢相比，主要通过钢的冶炼中增加合金元素来提高钢的强度，与一般强度钢化学成分相比，高强钢中含Nb、V、Ti、Cu、Cr、Ni、Mo等微量合金元素，碳当量比较高，在大线能量的焊接状态下，易造成晶粒粗大。

使接头冲击性能大幅度降低，为探讨垂直气电焊线能量对高强钢低温冲击韧性的影响，我们选用了高强钢 DH36进行了试验3.1性能指标性能指标分别为：屈服强度抗拉 b r A365MP，强度为b t = 490〜620MPa，伸长率时21% O'C时冲击功大于等于34J，-20 C时冲击功大于等于 24J3.2试验母材试验钢板的化学成分和力学性能见表 1、表2表1母材化学成分牌号厚度②ai m叫G呼 j) n) 汽5)DNN3&22OJ600.4400B25 OJ004&H36TMCP 詢2S0J 100.3201.350OHIO OJOOI厚度&冶©呻H气呵«(Cu)叫Nb]220J0240.0200.006OD20 OJOI9OH36 TfttCP f：-i250JQ500.0400.010onio —牌号焊度和cm切郎°)叫Ti)碳当＞Ceq0HH36220J0820.0200.00 10.430DH36 TMCP 钢250.0100.0100340表2母材力学性能牌号厚度屈服强度抗拉强度伸长率*20 X吗men Pa "可闭旳冲击功时］0HH36225ia25164 20^ 196DH36 TftlCP 钢25 4215292]383 372 3653.3焊接材料焊丝为日本神钢生产的 CO2药芯焊丝，化学成分和力学性能见表 3 ;陶瓷衬垫为浙江象山衬垫厂生产的衬垫 JN-10 ;保护气体为CO2。

4焊接规范参数及性能试验结果首先对厚度为22mm的普通轧制船用高强钢 DHN36，采用日本神钢的焊丝进 DWS- 43C ©1.6mm行试验，试验规范 见表4,力学性能试验结果见表 5从第1轮试验情况来看接头，抗拉及冷弯性能均能满足船规要求，但 -20 C冲击韧性除焊缝中心勉强达到母材要求之外，其他区域的韧性都相当低，于是又进行了第 2、第3轮试验，适当调整焊接时的电流、电压就试验结果来看，对垂直气电焊方法而言，焊接电流、电压的调整，对焊接线能量的控制虽稍有影响，但不起决定性作用，与第 1轮试验结果相比，随着焊接线能量的降低，-20 C焊缝中心的冲击韧性有提高的趋势，且焊缝及熔合线的韧性基本能满足钢板要求，但 热影响区即熔合线处 1mm、3mm、5mm无任何提高在第3轮试验中，同时还进行了 0C冲击，除熔合线处1mm、3mm 未达到标准34J之外，其他区域冲击均满足了要求，且有一定的富裕量TT 60 6*斗均”H 56 白 I-■ r',： 5*4i jr sj匚均«t13 II D-f； 12101 54 RO-勻«20 II R-■ 14111 140 |£1-胡 |AI?o ?6 51:幻站典3F© -^1 n) r 叩邸幾隹茂1iiMIF監Off S-tiei a1.560^ O.UI血* o ojcm oon«L^S-ILC沁叭丨町晦山l〕IW?245f-fiOT)4婢接试堡规范舂対bly庆致牧口曲度凄唏 曾缸:问 巧擢吧世埠餐电圧虬腿量畑 £0 tiltinfrFcia"MinFfltj 工31 J革J ftao「現功 尢 530^340335IBH 2世io« 35JIJR5第3轮40h 33茶密对 t 360-5706l?D354 彭31£3 '■鄂性腿试強给1；密DJI. 丫耶冲击戏厅吐心1卿’ ■；! ,1^ tfT 汽耐 Im-■< 3 aai上3 onK 1轮eJd斯珂林审勿斯讯材5tD l£ 7an 211522 l£ fl■ ItH li t-SP H12 lb 15 刃14第2轮M3朗母魅600聊田柄?!铀 30 怙»轴 60 «e?0 ie肖it14 |A |4；，：J 1*16 K F均janao n it■:,站 5JI* K IhIS30 H >■ £j60 to 325i22 36 l£15rs i 店 n 莎i ITIt Ifi R 「V由于垂直气电焊的焊接速度是根据焊丝伸岀长度变化自动调节的，焊接电流大，焊丝熔敷率提高，熔池液面上升快， 焊接速度也相应提高，因此要改变垂直气电焊的线能量， 只有通过改变熔池截面的大小， 即改变焊接坡口角度和根部间隙，对此在第4轮试验中将焊接坡口角度由原来 45。

减小到35根部间降至4mm，从试验结果看，随着线能量的大幅度下降，焊接热影响区变窄，接头的 0C冲击韧性显著提高，但-20 'C熔合线处1mm、3mm冲击仍无任何提高，这说明该钢板的材 料特性决定了其焊接接头冲击韧性只能在一定的工艺措施下满足 0C冲击要求由上述试验过程和试验结果，垂直自动气电焊接头冲击韧性，尤其是热影响区冲击韧性主要受焊接线能量和钢材的焊接性能制约，而焊接线能量的控制主要取决于焊缝截面的大小， 在实际生产中难免会装配间隙超差， 引起线能量的增加，造成韧性的下降，若要解决这一问题，关键是要选用对热输入量敏感性小的船用高强钢5 DH36-TMCP钢垂直气电焊试验按常规的钢材冶炼技术，为强化钢板，一般采用添加碳或合金元素来提高钢的强度，这样势必造成碳当量 Ceq的增加，影响焊接性能，且在高强钢中为细化晶粒和阻止高温时晶粒粗大而添加的 Ti、Nb微量合金元素，对大线能量焊接状态下接头冲击韧性的提高是有限的，据一些资料介绍，目前日本造船行业已普遍使用 TMCP钢TMCP技术起源于加速冷却工艺（OLAC），采用TMCP工艺制造的船用高强钢的碳的质量百分比和合金元素都比较低，良好的强韧性主要靠 降低钢板中的。