薄板及厚板结构焊接工艺性

9.6.1　薄板及厚板结构焊接工艺性

9.6.1.1　薄板结构焊接工艺性

在船舶建造中，尤其是军品的水面舰艇其船体采用的钢板均较薄，通常把板厚小于6mm的钢板列为薄板。在舰体的建造中焊接变形是薄板结构突出的工艺问题，因此，在设计与制造过程中要充分重视这个问题。采用传统的手工焊工艺，不但焊接效率低而且焊后变形大，影响船体的外观质量。

薄板结构的特点是必须设置加强筋以增加薄板结构的局部稳定性，加强筋的数量必须适当，设计加强筋时必须分析它的可焊性，尽量减少施焊不便的加强筋。

20世纪90年代以来，我国的船厂全面推广应用高效CO₂气保护全位置焊接技术，应用该工艺不仅提高焊接效率1.5倍，同时焊后结构变形小，大大减少火工矫正工作量，减少构件表面的“桔子皮”状况，提高了船体外表质量。

9.6.1.2　厚板结构焊接工艺性

在造船企业中一般把厚度大于35mm的钢板称为厚板。厚板焊接时往往会遇到热裂纹（主要是凝固裂纹）、冷裂纹（包括延迟裂纹）的困扰。因此，厚板的焊接工艺性，特别是厚板的对接焊便成了不可能回避的现实问题。首先，要选择恰当的坡口形式，一般当板厚t≤40mm时采用的是X形坡口，（如图9.6－1）板厚t＞40mm时采用双U形坡口（见图9.6－2）。

图9.6－1　X形坡口图

图9.6－2　双U形坡口图

图9.6－3　坡口及其侧面超声波探伤范围图

厚钢板在自动或半自动氧－丙烷火焰切割后，其边缘及其两侧会出现淬硬的莱氏体层，该淬硬组织层的厚度约为0.5mm。因此，厚钢板的坡口加工不宜采用火焰切割，而应该由刨边机刨削加工。如实在不得已而用了火焰切割，则应该将上述淬硬组织层磨去。同时，还要对坡口及其侧面（2t＋30）mm范围内进行外观检验和超声波探伤。坡口及其侧面应光洁、整齐、无毛刺、损伤、裂纹以及影响焊接强度与焊接质量的其他缺陷，见图9.6－3和表9.6－1。

表9.6－1　坡口及其侧面外观检验、超声波探伤及焊补要求

修补缺陷工艺：对浅的缺陷可以直接磨去，一般较深的缺陷则要用碳弧气刨清除；如遇裂纹则两端还需各延长50mm；磨光修补部位，拐角处和根部磨成圆弧状；用按规定烘焙过的，与母材等强度等级的低氢型焊条，以小线能量（即细焊条、小电流、短电弧、低电压、焊条不作横向摆动、快速度）作手工补焊，每道修补焊缝的深度不超过3mm。碳刨和补焊前还要局部预热。

厚钢板的对接焊接工艺性有十大因素必须考虑：

（1）焊接材料与母材的匹配原则。应选择焊缝金属的强度、塑性和韧性与母材相当，或者确切地说略高于母材。

（2）埋弧焊的焊剂存放。应存放在完整的包装袋内。烧结焊剂使用前应烘焙，最多可烘焙两次。

（3）厚钢板的对接装焊。焊件的错边对X形坡口应≤1mm，对U形坡口应≤2mm。

（4）预热后的定位焊。定位焊以手工焊完成，应尽可能焊牢，以免在正式施焊过程中崩裂。定位焊的预热也是非常重要的，定位焊的预热温度与正式施焊时相同。

（5）引弧板和熄弧板。为了不在焊道内调节焊接参数，应在焊道前装焊引弧板。为了把收弧时通常会出现的缺陷带到焊缝以外去，应在焊道后装焊熄弧板。引弧板和熄弧板必须同工件牢固地焊接，以防横向应力拉裂。为了减少在正式焊缝两端出现纵向凝固裂纹的可能性，可在引弧板上和熄弧板上开缺口，这将有效地释放焊接应力，如图9.6－4所示。

图9.6－4　引弧板和熄弧板安装图

（6）焊接环境。环境温度低于0℃时要采取特殊措施才能施焊。同时严禁在露天或风速超过5m/s的场所施焊。

（7）预热温度的确定和层间温度的控制。在厚钢板焊接过程中，预热至关重要，是保证焊缝不出现裂纹的重要手段之一。表9.6－2所示为抗拉强度σ_b＝490MPa的各种厚度钢板的预热温度。对于拘束度特别大的工件，其预热温度可略微提高一些，但不能超过230℃。

表9.6－2　不同厚度钢板的预热温度

（8）应在T8/5理论指导下确定焊接参数

现代焊接的科学研究与生产实践证明，必须严格控制焊接接头熔合线处由800℃冷却到500℃的时间即称为T8/5。当T8/5的时间过于短暂时，会使熔合线处的硬度过高，出现淬硬裂纹；而当T8/5的时间过长，则熔合线的临界转变温度会升高。出现这两种情况，都会直接影响焊接接头的质量，而且造成整个结构的可靠性降低。

表9.6－3所示为T8/5理论指导下，所确定的厚钢板对接的埋弧焊接参数。

表9.6－3　基于T8/5理论的厚钢板埋弧对接焊的焊接参数

从表中可以看出正面和反面的首道焊缝都采用了小的焊接线能量，之所以这样做，不单纯是因为担心正面首道施焊时会将坡口钝边焊穿，而主要是为了防止发生厚钢板对接焊时非常容易出现的凝固裂纹。

（9）厚板焊接变形控制。厚钢板对接焊时，焊缝的纵向收缩和横向收缩一般很少有严格要求，必要时，凭经验适当预放些收缩余量就可以了。主要的问题是角变形，对此所采取的措施是先在正面焊一些焊道，翻身工件，在反面焊上所有焊道，然后再翻身工件，在正面把其余所有焊道焊上。如图9.6－5所示。此外还要注意，每焊5个焊道交错一次焊接方向。

（10）厚钢板焊接的后热处理及焊后热处理。所谓的后热处理是焊后立即将工件的焊缝及其两侧与预热相同范围内的局部母材用履带式陶瓷加热器加热到250℃～350℃，然后，用石棉铺盖保温20～30min，最后空冷。后热处理又称为去氢处理，目的是使焊缝中的扩散氢加速逸出，大大降低焊缝和热影响区的含氢量，防止产生冷裂纹。对于需作0℃以下的低温夏比冲击功Ak（V）试验的厚钢板其焊接后应作焊后热处理。如工件有条件在焊后立即作焊后热处理，则后热处理可免去。

图9.6－5　控制变形的焊接次序图

焊后热处理的工艺示于图9.6－6。先加热到315℃，然后再升温。升温和降温的速度见下式：

式中：t—工件厚度/mm。

最高温度Tmax＝590℃～650℃。保温时间与板厚有关，见表9.6－4。

图9.6－6　焊后热处理工艺图

表9.6－4　保温时间

9.6.1.3　厚板焊缝焊接工艺评定

厚板的焊接工艺评定必须要通过力学性能试验及焊缝的化学分析。这些数据连同无损检测的结果，就是判断焊接工艺评定所提供的焊接工艺参数是否正确的依据。

1）力学性能试验

力学性能试验包括焊接接头的金相分析（主要是宏观金相分析），全焊缝的力学性能试验和焊接接头的力学性能试验。表9.6－5列出了板厚t＝50mm＋50mm的SM490B钢板用H10Mn2焊丝和SJ101焊剂，工艺评定后的力学性能试验结果。抗拉和屈服试验的取样位置如图9.6－7所示。

表9.6－5　焊接工艺评定的力学试验结果

注：全焊缝平均的σ_s/σ_b＝78.7%

试验过程中务必注意两点：首先，是屈强比σ_s/σ_b应为60%～80%，如果屈强比太高，则缺少足够的安全系数，即当荷载使焊缝的应力超过弹性极限之后，很快就会出现脆性破坏。其次，也会出现中部的力学性能优于上部的，下部的又优于中部的，出现这种情况的原因是：多道焊后，后一道焊缝总是对前一道缝作焊后热处理。下部的（即中心部位）焊缝所受到的焊后热处理次数最多，所以性能最好，中部的次之，上部的更次之。

图9.6－7　抗拉和屈服试验的取样位置图

2）焊缝的化学分析

为了保证焊接接头的韧性（尤其是低温韧性）焊缝金属中的含碳量应限制在0.15%以下。同时必须十分注意对焊缝金属中的锰和硅含量的控制。锰和硅含量的变化会改变焊缝金属中的含氧量，提高它的脆性转变温度，会改变其组织，影响其韧性和抗裂性。低合金高强钢（调质钢）的厚板结构如潜艇艇体和海洋平台结构由于其材质在轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物特别是硫化物夹杂物和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力，致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶”状的层状撕裂，并导致穿晶发展。层状撕裂在T形结构、十字结构和角接头比较多见，因此，对此类厚板结构必须选择z向性能好的厚钢板，同时，也要求钢板的硫、磷的含量低。