船用厚板高强度钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防讨论

于洪家 陈士礼 吴建敏

摘 要：为了满足厚板高强度钢在大型、超大型，船舶结构中的性能要求，必须不断加强钢的焊接性能，并改良焊接工艺、焊接方法，提高船焊质量，保证船舶安全性及高质量性。本文就船用厚板高强度钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防进行简单的讨论。

关键词：船用厚板高强度钢；焊接性；焊接裂纹

随着经济的发展，现代船舶渐渐向大型化、超大型化发展，厚板高强度钢的应用越来越广泛，但厚板高强度钢比较容易产生焊接裂纹，一定程度上影响了船舶整体的质量，因此，如何改良焊接接头的力学性能，提高焊接水平，对于船舶制造十分重要。下文主要就船用高强度钢性能、国内外焊接工艺、焊接裂纹的形成原因、影响因素及预防措施进行简单的讨论，希望能对船舶制造行业的工作人员有所帮助。

一、船用高强度钢概括

船用高强度钢为合金钢。热轧及正火处理时，合金钢强化作用越大，其塑性和韧性越低，当合金元素超出一定范围后，合金钢的韧性会大幅度降低，为了提高合金钢的强度及韧性，船用高强度钢在处理时会加入不同含量的Mn、Ni、Cr、Nb等合金成分，以提高钢的淬透性及马氏体的回火稳定性，另外，为了保证合金钢的焊接性及综合性能，降低合金钢脆性，钢中含碳量不应该超过0.22%，同时，为了保证船用高强度钢具有良好的机械性能，在交货时应采用不同的热处理工藝。

二、国内外研究现状

目前来说，尽管我国的船舶建造行业正在快速的发展，促进了金属冶金行业的进步，我国大型船舶建造技术及工艺水平都还达不到先进国家的水平，厚板高强度钢的焊接工艺、焊接材料也比不上先进国家。目前来说，为了满足国产 E级钢的韧性要求，国内各造船厂在焊接厚度超过40mm的船用高强度钢时，大多采用多层多道焊的焊接技术，焊接超厚板（厚度为30 mm～ 60 mm）时，通常使用CO2多层多道单面焊技术或双面埋弧多层自动焊方法，这几种方法的焊接质量都能够得到保证，但焊接效率普遍不高。国外一些先进的造船企业在处理大型集装箱船的船体时，通常会使用气垫焊的方法以实现高效立焊，另外，在焊接极厚板（厚度可达到80mm）时，为了保证极厚板的焊接质量，产生了两电极 SEGARC焊接法，它采用能够承受较高热输入量的两种药芯焊丝，且两种焊丝适用的电流极性不同，提高了焊缝金属的力学性能及焊接作业性，同时，它的单侧电极能够在一定范围内摆动，能够实现单焊道高效自动焊接，极大的提高了船舶制造的工作效率。

三、船用高强度钢焊接裂纹的形成和预防的初步探讨

1.焊接裂纹的形式。船用厚板高强度钢在焊接过程中应该在保证焊缝区强度的基础上，提高焊缝金属的韧性，同时避免焊后裂纹的产生。焊接冷裂纹主要出现在焊接热影响区或焊缝金属中，一般情况下会立即出现，但有时也会延迟一段时间才大量出现，这种冷裂纹被称为“延迟裂纹”，延迟裂纹是比较普遍且危害更大的冷裂纹形态。根据产生部位的不同，冷裂纹分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹几种类型。焊趾裂纹多发生在母材与焊缝交界处，由焊趾表面平行与焊道向母材扩展，有十分明显的应力集中部位；当焊接热影响区的含氢量较高、具有较大的淬硬倾向时，多会出现焊道下裂纹，它的裂纹走向一般平行与熔合线；钢材含氢量较高、预热温度不够时，多会出现根部裂纹，根部裂纹是延迟裂纹中较为常见的形态之一。

2.船用高强度钢焊接冷裂纹产生的原因及预防措施。（1）钢材的化学成分。钢材的化学成分对其淬硬倾向有很大的影响。钢材的淬硬倾向较大，快速冷却时钢材内部会出现孪晶马氏体，它硬度高、脆性高，极易产生焊接冷裂纹。船用高强度低碳钢中含有Mn、Ni、Cr、Nb等微量元素，一定程度上提高了钢材的塑性与韧性，因此，船用高强度钢的化学成分必须合理、科学，才能保证其良好的焊接性。（2）拘束应力对冷裂纹形成的影响。拘束应力的大小会影响高强度钢的焊接质量。焊接过程中，拘束应力不断增大，当应力值超过临界拘束应力，钢材焊缝区域就会开始出现冷裂纹。焊接过程中拘束应力主要有以下几种，冷却过程及不均匀加热时产生的热应力、相变体积变化产生的应力、钢材自身结构拘束产生的应力等等。由钢材自身结构拘束产生的应力的破坏性较大，因此，焊接过程之前应认真分析这些应力产生的原因，产生的部位，尽可能采取合适的工艺方法及焊接次序降低拘束应力，减少冷裂纹的产生。（3）氢对冷裂纹形成的影响。氢含量对与焊接质量影响较大。船用高强度焊接过程中，在高温的作用下，大量的氢溶解在熔池中的奥氏体里，冷却时，奥氏体相变为铁素体，对氢的溶解度降低，大量氢逸出，留在焊缝中，当氢的浓度过高时，就会产生根部裂纹或焊趾裂纹。焊丝与母材本身的含氢量较低，但在运输、储存、预处理等等过程中，很容易产生氢的富集，因此，造船厂在船舶焊接制造之前都会对母材及焊丝进行处理，并严格控制焊接环境，尽可能降低氢含量，保证焊接质量。（4）焊接工艺对冷裂纹形成的影响。焊接工艺的选择对于焊接质量有着十分重要的影响。焊接时焊接线能量过高会使钢材热影响区的晶粒粗大，进而降低焊接头的抗裂性能，线能量过小，则会降低冷却时间，又会使热影响区的淬硬倾向增加，氢含量升高，也会影响焊接质量。因此，焊接工艺选择时，应注意控制焊接线能量。另外，预热可以有效防止冷裂纹。但预热过程中温度的选择一定要科学合理，温度过高局部过热产生附加应力，反而会加剧冷裂纹的产生，同时还增加了焊接成本，得不偿失。在多层焊时，后焊层的进行能够降低前焊层的氢含量，改善前焊层焊接质量，多层焊时应适当降低预热温度，科学合理的设置多层焊的层间温度，一般来说，多层焊时层间温度应高于预热温度。

四、结语

钢材的化学成分、焊接线能量、预热温度、焊接工艺、焊层温度、拘束应力等等因素都会影响船用高强度钢焊接质量。因此在现场施工的过程中，必须严格控制焊接过程，以保证焊接工作高质量、高效率完成，从而提高船舶制造的总体效率。

参考文献：

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