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海工吊用 S355NL 钢焊接工艺评定试验分析

发布时间:2016-03-15

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摘要：采用药芯焊丝CO2气体保护焊（FCAW），在不同的焊接工艺参数条件下，对EN10025‐3标准的S355NL细晶粒结构钢的焊接接头机械性能进行分析研究，筛选合适的焊接工艺参数，最终得到符合DNV规范要求性能的焊接接头。

0 前言

随着海洋工程领域的高速发展，海洋工程船全球的需求越来越多，大吨位的船用海工吊机是海洋工程船的主要装备，其中吊机基座上的环法兰是需要具备高强度、板厚大、低温韧性好的材料。 S355NL材料是欧洲EN10025‐3标准的细晶粒结构钢，性能符合该设备的使用条件，由于该环法兰直径达4.2m，厚度110mm，形状为异形环法兰，不能直接通过钢板切割或锻造得到，需要多块锻造的半圆环通过焊接来拼接形成，再机加工平面的方式来获得要求的平面度质量。

本文通过材料的焊接性分析，通过不同的焊接参数试验，参照 DNV 海工规范，得到符合要求的焊接接头性能。

1 S355NL 高强钢焊接性分析

S355NL 钢的化学成分及机械性能实测见表 1 及表 2

国际焊接学会(IIW)的碳当量公式为：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 %=0.404%

S355NL 钢的的碳单量大于 0.4%，小于 0.44%，焊接性一般，厚度大，施焊前必须预热。P,S 杂质的含量很低，不易产生热裂纹。焊接时主要问题是确保没有冷裂纹，及焊接接头的低温韧性。为使焊接接头具有设计要求的低温性能，焊接时必须控制热输入。如果采用埋弧焊虽然焊接效率高，但热输入较大；此项目上法兰接头板厚较厚，但单个接头长度只有 200mm，故采用药芯焊丝气保焊（FCAW），采用多层多道焊接，兼顾了施工效率和焊接质量。选择与母材强度和低温韧性相当的焊接材料，同时要考虑焊缝的低温韧性、低氢的焊接材料，结合各种因素，最后选用符合 DNV IV YMS(H5) 标准[1]条件的 71Ni 焊丝，扩散氢含量<5ml/100g。

2 坡口的选择

由于钢板厚度厚，材料预先机加工如图 2 的不对称 U 型坡口，在满足焊枪摆动的同时，减少焊接量，以降低焊接量和控制焊接变形。

焊前需要预热，为控制预热温度，并确保焊件的均匀加热，采用履带式带温控的专用陶瓷预热片进行预热，为防止冷裂纹，初定预热的温度为 160OC，控制层间温度 160——220OC，焊后进行 220OC 消氢处理。

3 焊后检验结果

试件焊接结束后，参照 DNV 规范要求的项目进行外观检测、超声波探伤、宏观检测、硬度试验和和力学性能试验（拉伸，冲击，弯曲）。除冲击试验外，其余各个检测项目均符合要求，冲击试验值见表 4：

从表 4 中看出在焊缝热影响区熔合线+2mm 和熔合线+5mm 处的冲击试样出现了冲击值不合格的情况。

4 冲击韧性不合格原因分析

热影响区的冲击韧性降低，一般是由晶粒粗大造成。焊接线能量越大，在相变温度以上停留的时间 tH 越长，越有利于奥氏体的稳定性，易于晶粒粗大，厚板高温 TH 停留时间 tH 的计算表达式为

上式可以看出，线能量 E 越大，高温停留时间越长；另外预热温度越高，也会延长高温的停留时间，造成焊缝过热区晶粒粗大，韧性降低。

5 改善措施

为达到降低焊缝热影响区在高温的停留时间，采取适当降低焊接过程的电流、电压，控制焊接速度，降低预热温度至 120 OC，并严格控制层间温度在 120——180 OC 之间，重新试验的焊接参数见表 5：

6 改善后检验结果

试件焊接结束后，再次按照规范要求进行检测，各项检测均符合要求。其中宏观试验和冲击值见图 4 和表 6.

7 结论

S355NL 超厚钢板焊接接头对低温冲击韧性要求高，焊接道数多。在制定焊接工艺时，需要选择合适的焊材同时，也要严格控制焊接热输入，控制预热温度和层间温度，降低焊接线能量。通过选择合适的焊接参数，焊接接头性能能够满足 DNV 海工制造的船级社规范要求。根据工艺试验结果编制相应的焊接工艺，按此工艺生产在海工吊产品，焊接质量符合相应标准的质量要求。

参考文献

[1]DNV OFFSHORE STANDARD DNV‐OS‐C401 April[S], 2013 [2]张文钺.焊接冶金学（基本原理）[M].北京：机械工业出版社。2004:165

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