CN115055794A - 一种船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头，该复合板基材为FH36钢板，复材为317L不锈钢，焊接方法包括如下步骤：S1：坡口加工；S2：板材组合，靠近复层焊接端为上坡口，与上坡口相对的一侧为下坡口；S3：焊接；S31：在上坡口内进行第一次焊接，得到第一条焊缝，在下坡口内进行第二次焊接，得到第二条焊缝，S32：在上坡口内的第一条焊缝的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝。本发明的方法简单，焊接坡口的设计合理、可靠，可广泛应用于厚度为52‑108mm的船用复合钢板的焊接施工，该方法焊接得到的焊接接头无裂纹、强度高、品质好，具有良好的应用前景。

Description

一种船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头

技术领域

本发明涉及复合钢板焊接技术领域，具体而言，涉及一种船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头。

背景技术

不锈钢复合钢板通常是在基体碳钢板上复合一层较薄的不锈钢板，通过***复合或轧制复合等方式制备，它既保持了基层板原有的强度、硬度，又兼备了不锈钢板良好的耐蚀性。在满足使用需求的前提下，可以节约大量不锈钢，节约成本，具有良好的经济价值。

针对极地船舶，在极地多冰环境下航行时，船体结构与冰层的摩擦、碰撞作用使表面涂料易于脱落，使船体直接暴露于极地环境而导致船体发生腐蚀。而复合钢板可较好的解决这一问题，基层采用高强度结构钢，以保证船体结构的强度和低温下的抗脆断能力，复层采用奥氏体不锈钢，使船体表面具有良好的耐腐蚀性能和良好的低温塑性，因而复合钢板在极地船舶建造中具有良好的应用前景。但是目前复合钢板在船舶、海工领域还未得到广泛应用，原因如下：石油化工领域用复合钢板厚度一般较薄，基层钢板通常在50mm以下，复层钢板厚度在5mm以下，而针对极地船用复合钢板基层厚度可达100mm，复层厚度多在4mm～8mm，目前对于船用复合钢板厚板的焊接缺乏相应研究，无明确的焊接工艺及焊接方法。

公开号为CN110695489A的现有技术公开了一种复合钢板的焊接方法，复合板为***焊复合板，所述不锈钢复合板中复层厚度0.5～5.0mm，复层材料为316L，基层厚度4.0～22.0mm，基层材料为Q345R，该方法包括如下步骤：坡口加工；坡口清理及板材组合；复层侧的基层焊接；过渡层焊接；复层焊接；背面基层焊接。该焊接工艺不适用于较厚的复合钢板，该现有技术焊接工艺复杂，且过渡层焊接接头质量不易保证，焊接接头在复层表面位置的冲击性能较差，影响焊接接头的整体低温韧性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头，以解决现有技术中船用大厚度复合钢板难以焊接、焊接工艺复杂、焊接接头质量难以保证的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种船用大厚度复合钢板的焊接方法，包括如下步骤：

S1：坡口加工；将待焊接的板材的焊接端处理成双V型坡口；

S2：板材接头组合；将待焊接的两块板材对接，靠近复层焊接端为上坡口，与上坡口相对的一侧为下坡口，板材厚度规格为52～108mm；

S3：焊接；

S31：在上坡口内进行第一次焊接，得到第一条焊缝，且第一条焊缝的上表面比复层的下表面低2-5mm，在下坡口内进行第二次焊接，得到第二条焊缝，第二条焊缝的下表面比基层的下表面高2±1mm，第一条焊缝和第二条焊缝采用铁素体焊材、多层多道焊接方法焊接，焊接道间温度控制在80～150℃，焊接线能量小于30kJ/cm；

S32：在上坡口内的第一条焊缝的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝，第三条焊缝上表面要比复层上表面高2±1mm，完成第三条焊缝的焊接，第三条焊缝采用奥氏体焊材、多层多道焊的焊接方法，焊接道间温度<100℃，焊接线能量小于18kJ/cm。

进一步地，步骤S31中采用的是铁素体焊材的直径为4.0mm的埋弧焊丝或直径为1.2mm的实心气保焊丝。

进一步地，步骤S32中采用奥氏体焊材的直径为4.0mm的焊条或直径为1.0mm的气保焊丝。

进一步地，步骤S2中所述板材接头组合形式为复合钢板和均质钢板或复合钢板和复合钢板。

进一步地，复合钢板包括基层和复层，所述基层焊接母材为FH36钢板，所述复层焊接母材为317L不锈钢。

进一步地，所述上坡口包括第一上坡口、第二上坡口，所述第一上坡口靠近复层的一面，所述第二上坡口位于第一上坡口的下端，且第一上坡口的下端与第二上坡口的上端连接，所述下坡口包括第一下坡口、第二下坡口，所述第二下坡口靠近所述第二上坡口，所述第一下坡口位于第二下坡口的下端，且第一下坡口的上端与第二下坡口的下端连接。

进一步地，焊接位置为平焊或立焊。

进一步地，步骤S31中的焊接参数为焊接电流100～600A，焊接电压18～34V，焊接速度8～44cm/min。

进一步地，步骤S32中的焊接参数为电流100～220A，电压20～30V，焊接速度为8～40cm/min。

一种焊接接头，其通过上述所述的焊接方法焊接得到。

相对于现有技术，本发明所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法及焊接接头，具有以下优势：

1)焊前可不预热进行焊接，使生产工艺简单，易操作；

2)坡口形式合理，焊接方法简便，可操作性强，焊接过程中变形易控；

3)本发明通过上述设计得到的船用大厚度复合钢板的焊接方法，由于各操作步骤设置合理，且每一步骤参数设置合理，尤其是针对具体的接头形式和坡口形式，选用合适的焊接材料，提出合适的焊接工艺参数，焊接效率高，使得焊接得到的焊接接头无裂纹，强度高，品质好；

4)本发明通过上述设计得到的焊接接头，其采用复合钢板和复合钢板、或复合钢板和均质钢板制成，焊接接头根据不同板厚位置-60℃冲击韧性优良低，焊接效率较高，由于采用本发明提供的船用大厚度复合钢板的焊接方法焊接得到，其品质好。

附图说明

图1为本发明实施例1焊接前板材接头组合的结构示意图；

图2为本发明实施例1完成第一条焊缝的结构示意图；

图3为本发明实施例1的完成第二条焊缝的结构示意图；

图4为本发明实施例1的完成第三条焊缝的结构示意图；

图5为本发明实施例2焊接前板材接头组合的结构示意图；

图6为本发明实施例2完成第一条焊缝的结构示意图；

图7为本发明实施例2完成第二条焊缝的结构示意图；

图8为本发明实施例2完成第三条焊缝的结构示意图；

图9为本发明实施例3焊接前板材接头组合的结构示意图；

图10为本发明实施例3完成第一条焊缝的结构示意图；

图11为本发明实施例3完成第二条焊缝的结构示意图；

图12为本发明实施例3完成第三条焊缝的结构示意图。

附图标记说明：

10-复层，20-基层，30-均质钢板，1-第一条焊缝，2-第二条焊缝，3-第三条焊缝，100-上坡口，110-第一上坡口，120-第二上坡口，200-下坡口，210-第一下坡口，220-第二下坡口，300-钝边。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。另外，对下述具体实施方式中涉及到方位作简要说明：在实施例中所提到的“上”、“下”指示的方向或位置关系，是指附图中所示的方位或位置关系。

实现本发明的一个具体技术方案是：一种船用大厚度复合钢板的焊接方法，该方法包括如下步骤：

S1：坡口加工；将待焊接的板材的焊接端处理成双V型坡口；

具体地，双V型坡口包括双面V型、双面复合V型，本发明针对不同接头形式和板厚所采用的坡口形式、焊接方法和焊接参数，主要考虑焊接效率与实际可操控性，如板厚规格在52～80mm时，采用双面V型坡口，板厚规格在80～110mm时，采用双面复合V型坡口，解决了常规坡口在大厚度复合刚板焊接中不易清根打磨的缺点，且焊接变形易于控制，板材接头形式与实际结构相似。

S2：板材接头组合；将待焊接的两块板材对接，靠近复层10焊接端为上坡口100，与上坡口相对的一侧为下坡口200板材厚度规格为52～108mm；

具体地，板材对接形式为复合钢板和均质钢板或复合钢板和复合钢板。所述复合钢板包括基层和复层，所述复合钢板的基层为FH36钢板，所述复合钢板的复层为317L不锈钢。

具体地，所述上坡口100的坡口角度为60°，所述下坡口200的坡口角度为90°。

再具体地，所述上坡口100包括第一上坡口110、第二上坡口120，所述第一上坡口100靠近复层10的一面，所述第二上坡口120位于第一上坡口110的下端，且第一上坡口110的下端与第二上坡口120的上端连接，所述下坡口200包括第一下坡口210、第二下坡口220，所述第二下坡口220靠近所述第二上坡口120，所述第一下坡口210位于第二下坡口220的下端，且第一下坡口210的上端与第二下坡口220的下端连接。

再具体地，所述第一上坡口210的坡口角度为30°，所述第二上坡口220的坡口角度为60°，所述第一下坡口210的坡口角度为30°，第二下坡口220的坡口角度为90°。

在上坡口和下坡口之间设置有钝边300。具体地，所述钝边300位于第二上坡口120和第二下坡口220之间。所述钝边300的一端与第二上坡口120的下端连接，所述钝边300的另一端与第二下坡口220的上端连接。

S3：板材焊接；

S31：在上坡口100内进行第一次焊接，得到第一条焊缝1，焊接完成后，第一条焊缝的上表面比复层的下表面低2-5mm，焊缝背面碳棒清根，打磨光亮，在下坡口200内进行第二次焊接，得到第二条焊缝2，第二条焊缝2的下表面比基层的下表面高2±1mm，第一条焊缝1和第二条焊缝2采用铁素体焊材，焊前可不预热，焊后不后热，多层多道焊接方法，道间温度控制在80～150℃，焊接线能量小于30kJ/cm；

具体地，所使用铁素体焊材的牌号为PREMIERWELD Ni1K，直径为Φ4.0mm的埋弧焊丝，同时匹配牌号为FX 8500的焊剂或牌号为SRWM40S，直径Φ1.2mm的实心气保焊丝，保护气体为Ar+5％CO2。

S32：在上坡口100内的第一条焊缝1的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝3，第三条焊缝3上表面要比复层上表面高2±1mm，采用多层多道焊的焊接方法，完成第三条焊缝3的焊接，第三条焊缝采用奥氏体焊材，焊前不预热，多层多道的焊接方法，焊接道间温度<100℃，焊接线能量小于18kJ/cm。

具体地，奥氏体焊材的牌号为0Cr22Ni18Mn8Mo3N、直径Φ4.0mm的焊条或牌号为0Cr22Ni18Mn8Mo3N、直径Φ1.0mm的气保焊丝，保护气体Ar+2.5％CO2。

具体地，本发明针对船用FH36+317L复合钢板，基层钢板焊接时选用铁素体焊材，在选用铁素体焊材时，首先考虑的是焊缝金属的低温韧性和强度，在焊缝金属强度与母材匹配的条件下，选用-60℃冲击韧性优良的焊接材料。复层钢板焊接时需选用奥氏体焊材，考虑基层焊缝金属的稀释作用，所选用奥氏体焊材的合金含量要高于317L不锈钢化学成分。本发明所选用的铁素体焊材焊缝金属纯净度较高，焊缝组织以针状铁素体为主，具有良好的强韧性，所选用奥氏体焊材焊缝金属为枝晶状奥氏体，低温韧性优良。

总之，本发明的技术方案是建立在***的研究结果之上，具有充分合理性，使用本发明所述的焊接方法是可得到力学性能优良的焊接接头，同时兼具有操作简便、焊接效率高的特点。本发明所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法还可适用于其他复合钢板的焊接。

实施例1

本实施例所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法，接头形式为复合钢板+复合钢板对接焊缝，所用焊接复合钢板为：基层焊接母材为FH36钢板，复层焊接母材为317L不锈钢，复合钢板厚度为52mm，其中基层母材厚度48mm、复层母材厚度4mm，焊接位置为立焊，焊接方法按以下步骤进行：

(1)加工坡口：将待焊接的板材的焊接端处理成双面V型；

(2)板材接头组合，参见图1，将带焊接的两块板材对接，靠近复层10焊接端为上坡口100，与上坡口相对的一侧为下坡口200，所述上坡口的坡口角度为60°，所述下坡口的坡口角度为90°。

(3)基层焊接：参见图2、3，基层焊接分两部分进行，先焊接第一条焊缝1，再焊接第二条焊缝2，采用混合气体保护焊焊接，焊丝选用SRWM40S，直径为1.2mm，电流100～140A，电压18～22V，焊接速度10～20cm/min，气体流量18～22L/min，道间温度控制在80～150℃。为了保证复层焊接质量，第一条焊缝1的上表面要比复层的下表面低2～5mm。背面碳弧气刨清根，进行第二条焊缝2的焊接，第二条焊缝的下表面要比基层的下表面高为2±1mm，焊接完成24小时后做超声波UT检测。

(4)复层焊接：参见图4，在上坡口100内的第一条焊缝1的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝3，第三条焊缝采用手工电弧焊，焊材为0Cr22Ni18Mn8Mo3N焊条，直径为4.0mm，焊条烘干温度为280～300℃，保温时间1h。焊接工艺参数为：电流100～130A，电压20～25V，焊接速度为8～15cm/min，焊接道间温度<100℃。焊接时可小幅摆动，在坡口两侧焊缝应与母材圆滑过渡，第三条焊缝上表面要比复层上表面高2±1mm。焊后24小时做渗透着色PT检测。

实施例2

本实施例所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法，接头形式为复合钢板+复合钢板对接焊缝，复合钢板的基层焊接母材为FH36钢板，复层焊接母材为317L不锈钢，复合钢板厚度为108mm，其中基层母材厚度100mm、复层母材厚度8mm，焊接位置为平焊，焊接方法按以下步骤进行：

(1)加工坡口：将待焊接的板材的焊接端处理成双面复合V型；

(2)板材接头组合，参见图5，将带焊接的两块板材对接，所述第一上坡口110的坡口角度为30°，所述第二上坡口120的坡口角度为60°，所述第一下坡口210的坡口角度为30°，第二下坡口220的坡口角度为90°，所述第二上坡口220的高度为16mm，钝边300的高度为7mm，所述第一下坡口210的高度为15mm，第二下坡口220的高度为17mm。

(3)基层焊接：参见图6、7所示，基层焊接分两部分进行，先焊接第一条焊缝1，再焊接第二条焊缝2，考虑工程实际，采用埋弧焊的焊接方法，电流500～600A，电压26～34V，焊接速度38～44cm/min，道间温度控制在80～150℃。为了保证复层焊接质量，且第一条焊缝的上表面比复层的下表面低2-5mm。背面碳弧气刨清根，进行第二条焊缝的焊接，第三条焊缝上表面要比复层上表面高2±1mm，焊接完成24小时后做超声波UT检测。

(4)复层焊接：参见图8，在上坡口100内的第一条焊缝1的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝3，采用熔化极气体保护焊，焊材为0Cr22Ni18Mn8Mo3N焊丝，直径为1.0mm。焊接工艺参数为：电流180～220A，电压26～30V，焊接速度为30～40cm/min，焊接道间温度<100℃。焊接时要禁止摆动，控制焊接直线度，在坡口两侧焊缝应与母材圆滑过渡。焊后24小时做渗透着色PT检测。

实施例3

本实施例所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法，接头形式为复合钢板+均质钢板30对接焊缝，基层焊接母材为FH36钢板，复层焊接母材为317L不锈钢，复合钢板厚度为56mm，其中基层母材厚度48mm、复层母材厚度8mm，焊接位置为平焊，焊接方法按以下步骤进行：

(1)加工坡口：将待焊接的板材的焊接端处理成双面V型；

(2)板材接头组合，参见图9，将带焊接的两块板材对接，靠近复层10焊接端为上坡口100，与上坡口相对的一侧为下坡口200，所述上坡口的坡口角度为60°，所述下坡口的坡口角度为90°。

(3)基层焊接：参见图10、11，基层焊接分两部分进行，先焊接第一条焊缝1，再焊接第二条焊缝2。采用混合气体保护焊焊接，焊丝选用SRWM40S，直径为1.2mm，电流调节到170～260A，电压调节到22～30V，焊接速度20～35cm/min，气体流量18～22L/min，道间温度控制在80～150℃。为了保证复层焊接质量，第一条焊缝1的上表面要比复层的下表面低2～5mm。背面碳弧气刨清根，进行第二条焊缝的焊接，第二条焊缝的下表面壁基层的下表面高2±1mm，焊接完成24小时后做超声波UT检测。

(4)复层焊接：参见图12，在上坡口100内的第一条焊缝1的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝3，采用熔化极气体保护焊，焊材为0Cr22Ni18Mn8Mo3N焊丝，直径为1.0mm。焊接工艺参数为：电流180～220A，电压26～30V，焊接速度为30～40cm/min，焊接道间温度<100℃。焊接时要禁止摆动，控制焊接直线度，在坡口两侧焊缝应与母材圆滑过渡，焊后24小时做渗透着色PT检测。

一种焊接接头，通过用以上所述的焊接方法焊接得到。

性能试验一

船用复合钢板厚度较大，焊接时拘束作用较强，易产生焊接裂纹，采用本发明所述的焊接方法得到焊接接头，采用对接接头窗型拘束焊接裂纹试验方法，进行了焊接裂纹敏感性研究，在环境温度为30℃×80％RH和0℃×80％RH两种条件下，焊前不预热，焊后不后热，焊接完成后放置72h进行解剖，表面裂纹率和剖面裂纹率均为零，表明焊接前可不预热，焊后不需后热，焊接质量效果较好，焊接工艺简单，易操作。

性能试验二

在不同板厚位置取样，采用Gleeble3500试验机模拟焊接热影响区组织，相应的热循环参数为：焊前不预热，最高加热温度为1350℃，模拟焊接线能量分别为9kJ/cm、12.5kJ/cm、20kJ/cm、30kJ/cm、46kJ/cm，然后按照GB/T229-2020《金属夏比缺口冲击试验方法》规定，测试-60℃冲击吸收能量，结果如表1所示，模拟焊接线能量在30kJ/cm时，板厚中心位置的冲击韧性已发生大幅下降，实际焊接试验发现，当焊接线能量超过30kJ/cm时，板厚中心位置冲击韧性波动增大，偶尔会出现-60℃KV2＜47J的现象，因而焊接线能量不宜超过30kJ/cm。

表1焊接热模拟试验结果

性能试验三

实施例1、实施例2、实施例3的试验结果如表2所示，焊接接头强度满足指标要求，弯曲后未产生裂纹，表明焊接接头具有良好的塑性，不同板厚位置-60℃KV2均在97J以上，冲击韧性良好，结果表明焊接接头性能优良。本发明所述的船用大厚度复合钢板的焊接方法实施效果良好，可实际运用于FH36+317L复合钢板的焊接，也可适用于其他板厚规格小于52mm的复合钢板的焊接。

表2焊接接头力学性能

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种船用大厚度复合钢板的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：坡口加工；将待焊接的板材的焊接端处理成双V型坡口；

S2：板材接头组合；将待焊接的两块板材对接，靠近复层(10)焊接端为上坡口(100)，与上坡口相对的一侧为下坡口(200)，板材厚度规格为52～108mm；

S3：焊接；

S31：在上坡口(100)内进行第一次焊接，得到第一条焊缝(1)，且第一条焊缝的上表面比复层的下表面低2-5mm，在下坡口(200)内进行第二次焊接，得到第二条焊缝(2)，第二条焊缝(2)的下表面比基层的下表面高2±1mm，第一条焊缝和第二条焊缝采用铁素体焊材、多层多道焊接方法焊接，焊接道间温度控制在80～150℃，焊接线能量小于30kJ/cm；

S32：在上坡口(100)内的第一条焊缝(1)的基础上进行第三次焊接，得到第三条焊缝(3)，第三条焊缝上表面比复层上表面高2±1mm，完成第三条焊缝(3)的焊接，第三条焊缝采用奥氏体焊材、多层多道焊的焊接方法，焊接道间温度<100℃，焊接线能量小于18kJ/cm。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤S31中采用的是铁素体焊材的直径为4.0mm的埋弧焊丝或直径为1.2mm的实心气保焊丝。

3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤S32中采用奥氏体焊材的直径为4.0mm的焊条或直径为1.0mm的气保焊丝。

4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤S2中所述板材接头组合形式为复合钢板和均质钢板或复合钢板和复合钢板。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，复合钢板包括基层(20)和复层(10)，所述基层(20)焊接母材为FH36钢板，所述复层(10)焊接母材为317L不锈钢。

6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述上坡口(100)包括第一上坡口(110)、第二上坡口(120)，所述第一上坡口(110)靠近复层(10)的一面，所述第二上坡口(120)位于第一上坡口(110)的下端，且第一上坡口(110)的下端与第二上坡口(120)的上端连接，所述下坡口(200)包括第一下坡口(210)、第二下坡口(220)，所述第二下坡口(210)靠近所述第二上坡口(120)，所述第一下坡口(220)位于第二下坡口(210)的下端，且第一下坡口(210)的上端与第二下坡口(220)的下端连接。

7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，焊接位置为平焊或立焊。

8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤S31中的焊接参数为焊接电流100～600A，焊接电压18～34V，焊接速度8～44cm/min。

9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤S32中的焊接参数为电流100～220A，电压20～30V，焊接速度8～40cm/min。

10.一种焊接接头，其特征在于，其通过如权利要求1-9任一项所述的焊接方法焊接得到。

Images