耐低温材料焊接关键技术研究

1. 概述

耐低温材料焊接关键技术研究是“极地油船建造技术研究”专题的重要组成部分之一，采用理论与试验相结合的方法，研究冰区极低的环境和海水温度下焊接材料和焊接技术。极地航行船舶由于其航行地域的特殊性，外界大气和海水的温度将很长的时间内都处于极地低温的工况下，因此极地航行船舶的焊接结构技术较常规运营船舶均面临较大挑战。

在土地流转中坚持依法流转，切实保护农民合法权益。通过流转，使一些耕地面积少、生产单一、收入水平低的农户向非农产业转移，以进一步发展农村二三产业和特色经济，促使农民广开收入来源渠道增加收入。农户在承包期内可依法、自愿、有偿流转土地承包经营权，完善流转办法，逐步发展适度规模经营。

本文针对极地航行油船用EH40低温钢焊接工艺进行探索研究，通过焊接工艺评定试验得到船级社认可的WPQR（焊评试验报告）和WPS（焊接工艺规程），研究成果可以用来支持极地油船的焊接建造。

2. 方案的设计

试验用板材EH40钢力学性能数据如表1所示。由表1可知，85mm的EH40钢的纵向冲击吸收能量要求达到55J。

本文主要阐述焊接方法为CO2气体保护焊（FCAW）的焊接工艺研究。根据DNVGL规范的要求，焊接材料需要选用5Y级，经过焊材复验和焊接工艺性能检验等项目的筛选，最终确定CO2气体保护焊的焊接材料为产自韩国的K—81TK2。焊接试板的规格为80 mm×200mm×700mm。

3)造成此次华东沿海大范围平流雾的主要原因在于源源不断的水汽输送、低层逆温层维持、动力条件等。在大雾维持期间(16日16时—17日02时),华东沿海及内陆大部分地区为弱的水汽辐合区,水汽源源不断的持续输送,是此次平流雾得以发展和持续的重要条件之一。边界层内逆温层维持,阻止水汽向上输送,仅在近地面层内辐合上升,再加上地面降温作用,水汽凝结成雾滴,使能见度不断降低。动力条件对大雾形成与维持也具有重要作用,100～400 m高度大规模的辐散下沉运动有利于大气增温,配合地面至100 m辐合上升运动,在边界层内形成逆温层。并且辐合上升运动把水汽向上抬升,在逆温层的阻挡下,水汽不断积累达到饱和形成大雾。

 

表1 EH40 耐低温钢力学性能

  

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3. 焊前准备和装配

坡口加工采用机械加工的方式，以确保坡口表面保持钢板原有的组织和性能。严格控制机加工质量，保证坡口表面平整光顺。2G和3G的焊接位置粘贴陶瓷衬垫，焊接坡口角度和装配形式如图1和图2所示。

4. 焊接

（3）焊道布置 本项目用EH40钢板厚度85mm，焊接过程中焊道依次均匀布置，焊接接头互相错开。每焊完一道都要将药皮和焊渣清理干净，防止产生夹渣等缺陷。最后一个焊道作为退火焊道，要布置在距离母材2mm以上的位置，本试验的最后一道焊道布置如图3所示。焊后外观如图4所示，可以清晰地看出盖面层焊道的布置情况。

（1）检测 焊接结束进行外观检测，48h后进行探伤，根据DNVGL和CCS规范要求需要进行MT和UT探伤检测。本项目所有检测项目报验DNVGL和CCS船级社。将焊缝的正反面分别进行检测，检测结果满足规范要求。图5、图6分别为焊后MT和UT探伤检测现场。

此外，考虑焊评覆盖所有位置的焊接情况，对该项目做2G、3G两个位置的焊接试验。经过大量的技术研究、探索试验和与DNVGL和CCS船级社的沟通，最终确定EH40钢CO2气体保护焊的方案，项目的试验研究按照预定方案逐步展开。

（1）预热及层间温度 由于高强钢碳当量相对较高，本项目用EH40钢的碳当量为0.46，焊接性差，增加了焊接难度，所以需要严格把握焊前预热并控制好层间温度。经过碳当量和钢板厚度的综合考虑，加上前期试验室的探索试验，最后确定EH40钢焊前试板预热温度为最低X℃，焊接层间温度须保持在A～B℃之间。采用电加热片进行预热，采用测温笔实时检测试板温度。焊接过程不可操之过急，每焊完一道都需要测量试板温度，当试板温度降到A～B℃之间，方可进行下一道的焊接。

  

图1 2G焊接接头设计

  

图2 3G焊接接头设计

  

图3 焊道布置示意

  

图4 焊后外观

  

图5 MT探伤检测

  

图6 UT探伤检测

5. 焊后检测

（2）焊接参数 EH40钢厚度大，屈服和抗拉级别高，尤其冲击吸收能量-20℃纵向最小值55J。试验板厚85mm，焊接量非常大，但是不能采用过大的焊接参数，热输入过大将导致焊缝的力学性能无法满足试验要求。本项目的焊接参数如表2所示。

（2）机械加工和性能试验 根据DNVGL和CCS规范要求，本项目2G、3G两个位置力学性能种类和数量：拉伸试验横向2个（510MPa）；弯曲试验侧弯4个（4t，180°）；宏观1个；硬度1个（HV10≤350）；冲击5组（-20℃，纵向47J）焊缝中心表面1组和根部各1组，熔合线表面1组和根部各1组，熔合线外2mm表面1组。性能试验的结果全部满足方案要求。

步骤 2：如果则（Vinter）是下一个中继，否则（Vintra）是下一个中继，输出下一个中继，转到算法1中的步骤3.

6. 结语

研究成果制作WPQT报告的同时编制了焊接工艺规程，得到DNVGL和CCS两家船级社的认可，焊接工艺可以应用到极地油船的焊接建造中。本项目的研究填补了国内耐低温EH40钢焊接工艺的技术空白，焊接工艺满足焊评试验的所有检测项目。该项工艺技术为极地油船的焊接建造提供了强有力的技术保障。

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表2 焊接参数

  

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