船用高强度钢焊接冷裂纹的形成和预防

船用高强度钢焊接冷裂纹的形成和预防

林　浩

(中国船级社温州办事处,浙江温州325000)

提　要　介绍了船用高强度钢的成分、性能特点。

分析其焊接过程中冷裂纹的形成、形式,以及影响其形

成的几个因素和相应的预防措施。例举了某40mm厚

E36钢的焊接工艺。

主题词　高强度钢　焊接　冷裂纹

随着科学技术的进步,现代船舶日益向大型化、超大型化发展,船用低合金调质高强度钢及其焊接的应用范围也越来越广泛,受到了造船界的高度重视。船用高强度钢不仅强度高,而且综合性能也优于一般的船用钢,从而使这类钢在船舶的许多重要结构中大量应用。下面将对船用高强度钢的焊接性进行探讨。

一般来说,船用高强度钢均为合金钢。在热轧及正火条件下,合金钢中的合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反,即强化效果越大,塑性和韧性降低越多,当钢中合金元素超出一定范围后,则韧性会大幅度下降。因此,船用高强度钢为了获得较高的强度和良好的塑性、韧性,添加了不同含量的合金成分,如M n、C r、N i、M o、V、N b等(N i、V、T i的含量还应符合“N i%+V%+T i%≤0.12%”),添加这些元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。因为这类元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变,使马氏体转变的临界冷却速率降低。而且,船用高强度钢为获得良好的机械性能,其交货状态常采用不同的热处理工艺。同时,为了保证良好的综合性能和焊接性,要求钢中含碳量不高于0.22%。故船用高强度钢由于含碳量低,淬火后得到低碳马氏体,而且会发生“自回火”现象,脆性小,保证了良好的焊接性。表1、表2是某品牌E36钢的化学、物理性能。

对于船用高强度钢的焊接,只要选择了合适的焊接材料和工艺,可以采用手工电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊等不同的方法。焊接过程所要解决的最主要的问题是防止焊后　作者简介:林浩(1972-),男,工程师。 表1　化学成分(×0.001%)

C Si M n P S Cu A l C r N i T i M o N b V

1603001440126150324040221234

表2　力学性能

屈服点Ρs

(N mm2)

拉伸强度Ρb

(N mm2)

伸长率∆5

(%)

冲击功(-40℃)

(J)

37554031269275200

裂纹的产生;其次是在满足高强度要求的同时,提高焊缝金属及焊接热影响区的韧性,使之满足CCS材料和焊接规范的有关要求。

首先来了解一下焊接冷裂纹。冷裂纹一般是在焊后冷却过程中,M s点(即马氏体的转变温度)附近或更低的温度区间逐渐产生的,也有的要推迟很久才产生。冷裂纹主要发生在焊接热影响区,也有发生在焊缝金属中。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径,有时沿晶扩展,有时穿晶前进。这主要由焊接接头的金相组织、应力状态,以及氢的含量而定。

冷裂纹一般在焊后立即出现,但有的要经过一段时间才出现,在开始少量出现,随着时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹,称为“延迟裂纹”。“延迟裂纹”是冷裂纹比较普遍的一种形态,由于其迟滞性,往往不易被发现,其危害性也就更为严重。

常见的冷裂纹按其产生部位分为如下几种:

(1)焊趾裂纹。这种裂纹起源于母材与焊缝交界处,并有明显应力集中部位,裂纹走向经常与焊道平行,一般由焊趾表面开始向母材深处扩展。

(2)焊道下裂纹。这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大,含氢量较高的焊接热影响区,一般情况下裂纹走向与熔合线平行。

(3)根部裂纹。这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态,主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下,它与焊趾裂纹相似,起源于焊缝根部应力集中最大的部位。

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・ 造船技术 2003年第3期(总第253期)

下面我们来谈谈影响船用高强度钢焊接过程中冷裂纹形成的几个因素。

(1)钢的化学成分对冷裂纹形成的影响。钢的淬硬倾向很大程度上取决于钢的化学成分,当钢淬硬倾向较大时,在快速冷却下就会出现片状马氏体,而且片内有平行状的孪晶,也称孪晶马氏体。它的硬度很高,性能很脆,此时就容易产生焊接冷裂纹。由于船用高强度钢为低碳钢,且添加了多种微量元素,使这类钢热影响区呈低碳马氏体和自回火马氏体,虽然硬度较高,但仍有较好的塑性和韧性。因此船用高强度钢合理的化学成分为其具有良好的焊接性提供了保证。

(2)拘束应力对冷裂纹形成的影响。实验证明,当焊接产生的拘束应力增大到超过临界拘束应力Ρcr时,就开始产生裂纹。焊接过程中的拘束应力主要有,不均匀加热及冷却过程所产生的热应力;金属相变时产生的组织应力(奥氏体与铁素体、珠光体、马氏体之间的转变)。相对于相变时体积变化形成的应力,结构自身拘束所造成的应力更具破坏性。这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重和负载,以及其他受热部位冷却过程中的收缩使焊接接头所承受的应力。分析这类应力,对于船舶结构的焊接显得尤为重要。分段制造、船台合拢中的装配形式、焊接次序都将对拘束应力产生影响,不同的装配形式和焊接次序往往会产生截然不同的结果。因此,我们在实际生产中应该通过充分的试验和对比研究,制订出一套合理的焊接工艺。

(3)氢对冷裂纹形成的影响。冷裂纹均发生在“富氢地带”,可见,氢对冷裂纹有十分重要的影响。在焊接高温作用下,有大量的氢溶解在熔池中(因为此时熔池中主要成分是奥氏体,氢的溶解度比较大)。而在随后的冷却和凝固过程中,奥氏体相变为铁素体却引起氢的溶解度急剧降低。此时氢极力逸出,但因冷却速度很快,氢来不及逸出而保留在焊缝金属中,从而使此处氢处于过饱和状态。当氢的浓度足够高时,则将产生根部裂纹或焊趾裂纹。一般情况下,母材和焊丝本身氢含量很少,而是由于外部因素(如运输、储存、预处理等)造成了氢的富集,如焊接材料中的水分,焊件坡口处的铁锈、油污,以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。船厂一般通过对母材和焊材的焊前处理,以及对焊接环境的控制(如焊材的烘干、坡口的清洁等)来对氢含量进行严格的控制。这一点,对于几乎完全为露天作业的船舶工业显得尤为重要。

(4)焊接工艺对冷裂纹形成的影响。首先是焊接线能量的影响。对于重要的焊接结构,对焊接线能量的控制是严格的。线能量过大,会引起热影响区过热使晶粒粗大,降低接头的抗裂性能;而线能量过小,则会降低冷却时间t8 5(从800℃到500℃的冷却时间)和t100(由峰值温度冷至100℃的时间),使热影响区淬硬,也会不利于氢的逸出,故而也增加冷裂倾向。因此,制定焊接工艺时应当合理选择焊接线能量,并在施工中严格进行控制,不能随意变动。

其次,预热可以有效地防止冷裂纹。但预热温度并不是越高越好,预热温度选择过高,一方面恶化劳动条件,增加成本;另一方面在局部过热的条件下,由于产生附加应力,反而会加剧产生冷裂纹。因此,应合理地选择适当的焊前预热温度,对于国产船用低合金高强度钢,预热温度的选择可以采用如下的经验公式:

T(℃)=324P c m+17.7[H]

+0.14Ρb+4.72h-214

式中　T——防止冷裂所需的预热温度,℃;

P c m——合金元素的裂纹敏感系数,%;

[H]——熔敷金属扩散氢(含量),m l 100g;

Ρb——被焊金属的拉伸强度,N mm2;

h——板厚,mm。

应当指出,上述公式是按整体预热来考虑的。对于船舶的结构焊接,则只能采用局部预热的措施。局部预热的范围,一般是焊缝两侧各100～200mm,最好采用履带式加热器或专用火焰加热器进行预热,并严格地进行温度控制。

还有,多层焊也会对冷裂纹产生影响。由于后焊层对前焊层有消氢作用,并能改善前层焊缝和热影响区的金相组织,因此,多层焊时预热温度可比单层焊适当降低,并应合理地控制多层焊的层间温度。原则上,层间温度不能低于预热温度。否则,由于氢量的逐层积累和产生弯曲变形而带来根部应力集中,导致冷裂纹倾向反而增大。现场施工中,应尤其注意对预热温度和层间温度的控制。在其他因素相对稳定的情况下,人为因素造成的温度变化往往会引起意想不到的结果。因此,部分船厂已采取用电脑对预热温度进行控制,并可输出“温度2时间”曲线,从而对预热温度进行有效的控制。

下面以某厂的40mm厚度E36钢的对接焊为

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林浩:船用高强度钢焊接冷裂纹的形成和预防