船舶建造高强度钢焊接工艺探讨

船舶建造高强度钢焊接工艺探讨

马义猛1 ,杜亮2

1 安徽省皖江船舶检验局     安徽省    241000

2 芜湖市港航（地方海事）管理服务中心   安徽省  241000

摘要：随着船舶工业的快速发展，高强度钢在船舶建造方面的应用越来越普遍，而高强度钢焊接工艺方案的正确与否直接影响到船体焊接质量的好坏，进而影响船舶安全。本文旨在探讨高强度钢在船舶建造中的焊接工艺方案。

关键词：高强度钢；焊接工艺；船舶建造

近年来，随着船舶工业的快速发展，船舶建造大型化、特异化趋势逐渐加大，一般强度船体结构用钢已不能很好满足其个性化、多样化需求，高强度船体用钢因为其卓越的理化性能，正越来越多地被应用在船舶建造中。焊接作为船舶建造的主要工艺方法之一，工作量占结构建造的30-40%，焊接技术水平的高低很大程度上决定了船舶的建造质量。而高强度钢焊接工艺方案的正确与否直接影响到船体焊接质量的好坏，进而影响船舶安全。

1、船舶建造使用高强度钢特点

高强度钢是一种具有高强度且相对较轻的金属材料，它通常由钢铁中添加其他金属元素，如铬、钼、钛等制成。高强钢含合金元素总量≤5%，屈服强度为300～450MPa。【如表1】

表1 高强度结构用钢的化学成分

使用高强度钢在船舶建造中具有以下优点：

1.1 提高抗拉强度和韧性：高强度钢的抗拉强度和韧性都比普通钢高，可以大大提高船舶的结构强度和耐用性。

1.2 降低船体重量：使用高强度钢可以在保证结构强度的情况下减轻船体重量，从而提高船舶的载重量和速度等性能。

1.3 节省用钢量：高强度钢的强度比普通钢更高，可以使用较少的钢材来构造船体，节省建造成本。

1.4  提高制造效率：高强度钢的强度高，构件可以更小但仍能承受相同的载荷，这使得船舶的设计和建造更为灵活和高效，可以更快地完工。

但同时船舶建造中使用高强度钢也有一些缺点：

1.5  困难性：高强度钢焊接需要掌握专业技术和现代化设备，而且工作环境要求更高，焊接难度较大。

1.6  易产生裂纹：高强度钢焊接过程中焊接参数和工艺选择不当，很容易产生内部孔隙、裂纹、氢致脆等缺陷，从而影响焊接质量。

2、高强度钢焊接注意事项

船舶建造中大量使用高强度钢以满足船体结构的强度需求，相应的焊接工作也非常关键。为了保证焊接质量，需要注意以下事项：

2.1 焊接人员：焊工是焊接工作的实施对象，执行高强度钢焊接的焊工，必须先经过海事船检机构认可的专业焊工培训、技能考试，待取得相关专业资格证书后，方能参与焊工证相应等级的焊接［1］。焊工上岗前必须带好一切必备工具。如：钢丝刷、榔头等。

2.2 焊接材料：焊接高强度钢材时，应采用与母材相适应的并经CCS认可的低氢型高强度焊接材料［2］，以确保其具有所需的高强度和焊接工艺性能。对于常用高强度钢不同焊接方法焊接材料选配可参考【如表2】

表2 不同焊接方法的焊材选择

2.3 预热处理：高强度钢在定位焊前，应先进行预热处理，不同碳当量的高强度钢，预热温度不同，具体可参考【如表3】

表3 引弧及预热温度要求［3］

2.4 焊接参数控制：焊接参数的选择和控制对焊缝的质量和性能至关重要。需要按规范要求进行焊接参数的设计、选择、排查和控制工作，保证掌握最佳的焊接参数控制技术。以下为不同焊接方法的参数参考【如表4】【如表5】【如表6】

表4手工电弧焊焊钳的型号及规格

表5 CO2气体保护焊规范参数

表6 埋弧焊焊接参数表

2.5 焊材保温：在高强度钢焊接中，使用的焊材需要按照规定进行烘焙和保温处理。具体操作中，需要注意以下几点：焊材的烘焙和保温时间应按要求记录在相关文件中；在领用焊条时，必须带好保温筒进行储存，以保证焊条的温度稳定；如果焊接过程中，环境温度低于零度或焊条冷却，必须将保温筒接上电源，以保持焊材的合适温度；每次领用焊条时，应按焊接用量领用，做到随用随取，避免焊材长时间暴露于外界环境；每次工作结束后，未用完的焊丝、焊条、焊剂和衬垫等要及时送回焊条保管间。

2.6 清洁：高强度钢施焊前，焊工应检查并清除干净焊缝边缘及坡口是否有残留锈斑、氧化皮、油污、水分等。如果发现锈蚀应用砂轮打磨去除，对油污应用丙酮擦净，对水分应用火焰加热烘干。如不能及时焊接造成重新生锈或污染，焊前还要重新清理。

2.7 焊接方法:采用多层多道焊，层间温度100℃，同一层焊道的焊接方向要一致，各层的焊接方向相反，但接头要错开，除打底层外，其他各层的焊道厚度应控制在2～4mm内，以确保焊缝的质量和强度。对较长的焊缝，可以采用逐步退焊法实施，以减少焊接热量集中和应力集中的情况。

3、高强度钢焊接工艺

3.1 工艺要求

定位焊及装配要求：被焊母材的焊丝或焊条要与之相匹配。要避免强力装配，对接错边量不得超过1mm,焊缝长度大于等于较厚焊件厚度的4倍或 50mm(取其小者)，厚度应大于等于根部焊道的厚度。如焊接过程中发现缺陷，应先修补确认缺陷完全消除后再正式施焊。定位焊如果开坡口，焊缝高度应不超过坡口深度的1/2［4］。 定位焊的焊缝质量要求与正式焊的要求相同。

    装配马板、起吊马板的焊缝距离相近焊缝的宽度控制在不少于30mm。拆除马板应在距离母材约10mm处先气割进行，剩余的部分可以使用碳弧气刨刨平并且磨光，以确保表面平整。不允许锤击法拆除。如果在切割过程中导致钢板表面受损，应进行焊接修补。焊接修补后，再进行磨平，使修复部分与原表面平整一致。

坡口最好采用机械加工方法制备，对无法用机械加工的坡口，也可采用自动切割机或靠模切割机加工坡口，采用手工切割均不能保证标准要求的坡口尺寸误差，除非切割后再用砂轮修磨整形。作为对接焊缝自由端的起始端和终端，焊前应先预装好引弧板、熄弧板。由于引弧板和息弧板的焊缝质量要比焊接过程稳定后形成的焊缝差得多，特别在厚板纵缝焊接时，在焊缝始端和终端的引弧点和息弧点层层重叠，从而大大降低焊缝质量。因此引弧点和收弧弧坑部位的焊缝金属必须切除［5］。

船体一些关键部位要求全焊透，对接缝要注意坡口角度和深度，角接缝可以先进行打底焊清根后再反面焊接，要注意根部距离。清根一般采用碳弧气刨，要注意控制好电流和刨削速度，防止焊缝和母材位置产生渗碳或过热现象。如产生，应打磨处理。

3.2 焊接过程

高强度钢的长直焊缝一般采用埋弧自动焊，要多层多道焊接。一般先正面焊接3层约6-7道，反面焊时碳刨清根、扣槽（直到见白），一般焊2层约4-5道，最后自动焊盖面。为控制焊接变形，正面焊时留5mm反变形，反面焊时加马板固定。在焊接时要控制焊接线能量，层间温度一般控制在100℃左右。

为了防止打底层开裂，可以采取以下措施：采用重叠焊或减慢焊接速度来加厚打底层焊道，从而增加焊缝的宽度和质量；焊接打底层时，可以适当减慢焊接速度，以确保焊缝充分熔透，并提供足够的热量和焊材。为了减少焊趾的应力集中，改善焊缝热影响区的组织和性能，盖面层应采用退火焊道，即使用较窄的焊道进行多道焊接。这样可以减小焊道的宽度，降低剩余应力和变形，并提高焊缝的综合性能。

船体有些位置的焊接采用手工电弧焊或CO2气体保护焊，焊接时多层多道，尽量使用短弧、小摆动焊接方法。对接缝如采用CO2衬垫焊，单面焊双面成型，要注意衬垫的安装位置及方向，不同钢板厚度的坡口形状不同，一般25mm及以下的钢板对接开V型坡口，大于25mm钢板间对接开双面不对称X型坡口。为防止焊接变形，应注意焊接顺序，先焊对接缝，后焊角焊缝。焊对接缝时先焊平对接，后焊立对接；焊角焊缝时先焊立角焊，后焊平角焊。当同时存在横向焊缝和纵向焊缝时，应先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝；当同时存在厚板焊缝和薄板焊缝时，一般应先焊厚板焊缝，后焊薄板焊缝；当结构中同时存在断续焊缝和连续焊缝时，一般应先焊连续焊缝，后焊断续焊缝，尽量减少仰角焊。

焊完一道焊缝，要及时清理焊渣，并且检查焊缝外观有无气孔、裂纹等明显缺陷。如发现上述缺陷，应立即采取措施修补，确认将其彻底清除后，再进行下一道焊接。

4、焊缝质量检验与修补

4.1 焊缝质量检验

船体高强度钢焊接完工后，应对所有焊缝进行质量检查。首先进行外观检查，主要观察焊缝表面成型是否均匀、是否向母材平顺过渡，余高是否过高，是否有未熔合、裂纹、未焊透等缺陷存在，表面气孔和咬边等是否法规允许范围以内。

焊缝的内部检查主要是运用无损检测设备，可采用射线、超声波、磁粉或渗透检测等方法。对于船体重要部位的焊接，比如散货船主甲板与舷顶列板角焊缝、集装箱船舱口围板与主甲板角焊缝、舱口围板对接缝等，施焊完第一道焊缝应及时进行无损检测，以便清除掌握焊缝质量。对于无损检测，数量和位置由船厂和验船人员根据建造的船型、焊接方法商定，必要时可增加数量。焊缝的无损检测结果应满足船检机构规定的检测方法和验收标准。

4.2焊缝缺陷修补

当焊缝的外观及内部质量不满足标准要求时，必须对焊缝进行局部或整体修补。焊缝表面缺陷，如果仅用砂轮打磨去除可以满足验收标准，直接用砂轮去除。焊缝超标缺陷可以用碳弧气刨剔除，不允许用电弧或火焰熔炼。清除缺陷后应进行无损检测，已确定缺陷是否完全消除，认定消除干净后方可进行补焊。修补后焊缝应保证与正式焊缝圆滑过渡，突变的部位需打磨光顺。

高强度钢比一般船体用钢的焊接工艺复杂，在具体操作中，还需根据不同船型、不同吨位的船舶特点具体考虑，并根据不同的材料特性来选择合适的焊接方法和焊接参数。遵循相关的工艺规范和标准是确保焊接质量和安全的重要步骤。

参考文献：

[1]CCS.船用高强度结构钢焊接施工工艺规范[S]。

[2]CCS.材料与焊接规范2021综合文本[M]。

[3]2016.中国造船质量标准[S]。

[4]陈豪杰.高强度结构用钢在船舶与海洋工程结构应用 [J].工程技术，2016（12）-0285-01。

[5]李风波.船舶与海洋工程焊接[M].哈尔滨工程大学出版社，2015.10。