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(医疗药品管理)年舰船高
强度低合金结构钢用药芯
焊丝的进展:.
舰船高强低合金钢用药芯焊丝的进展
(201112年度方案第份,共份)
编制:
审核:
中船重工第七二五研究所信息和档案中心
二○壹壹年十壹月:.
目录
引言1
(壹)HSLA1钢用药芯焊丝的发展现状
-651钢用药芯焊丝
-80/1002钢用药芯焊丝
-1153钢用药芯焊丝
(二)HSLA4钢用药芯焊丝的发展趋势
(三)HSLA5钢用药芯焊丝的所面临的问题
结语6:.
舰船高强低合金钢用药芯焊丝的进展
高强度低合金钢(HSLA-65/80/100/115),正逐渐替代HY系列钢,成为美
国舰艇结构及关键构件的主体材料。
级巡洋舰、“,美国的“提康德罗加””
级核动力航母的某些结构及“黄峰级俩栖攻击登陆舰的主要结构,和“尼米兹””
均采用了HSLA-80钢;美国先进的攻击型核潜艇的非耐压壳体和航母舰体则采用
号航母上就大量使用了厚度HSLA-1001993CVN-74“斯坦尼斯”钢,如年下水的
已经获准用于新型航空母舰(-100HSLA-65/115CVN78)到的钢,
建造。
据公开资料,美国航空母舰,其主壳体使用的是DH-36HSLA-65钢;飞钢和
行甲板、防护装甲材料,早先采用HY-80/100钢,目前则采用不需预热或预热温
度较低的HSLA-80/100CVN21HSLA-100钢。最近为航空母舰研制了强度韧性比
钢,这俩种钢将分别用于防弹板和飞行甲板及舰桥,钢更高的10NiHSLA-115钢和
以减轻新型航空母舰CVN-21的舰体重量。
药芯焊丝,较之其它焊接材料,熔敷率高,焊接速度快,且能够进行全位置
焊接,这对于垂直、仰角、弯曲焊缝较多的造船来说,是极为重要的。
,主要作为堆焊材料使用;1979年之前,药芯焊丝的主流规格为φ
年~,这使得焊接效率年,焊剂型药芯焊丝研制成功,主流规格为φ
显著提高,且降低了焊接成本;1985年,金属粉型药芯焊丝研制成功,且用于
490MPa、590MPa高强度结构钢的焊接,于舰船中得到广泛使用。
日本焊接材料市场调研结果表明,药芯焊丝于船舶和海洋工程领域应用最广,
其市场份额已经从200160%,上升到了200975%。年的:.
然而,HSLA系列钢的焊接,因为市场上没有配套的焊接材料,只好采用焊接
HYER100S、ER110SER120S和系列钢的焊材:焊材。这些焊材的碳含量超过了
%,于焊接时需要进行预热,不能充分发挥HSLA系列钢的不预热或低预热性
能。因而,美国海军依据舰艇发展需求,于1990sHSLA-80/100年代,提出了研制
钢配套的焊接材料研究的短期、中期和长期计划,其中包括实心焊丝和药芯焊丝
的研制和鉴定。
有鉴于此,本课题开展HSLA钢用药芯焊丝的情报调研,以掌握美国舰船用
高强度低合金系列钢用药芯焊丝的进展情况。
(壹)HSLA钢用药芯焊丝的发展现状
美国海军现用的HSLAHSLA-80/100系列钢中,以研发较早,配套焊接材料
研究较多;HSLA-65强度级别较低,焊接性能优异,其配套药芯焊丝已经纳入美
国军用标准;只有HSLA-115钢用药芯焊丝,第二阶段的鉴定工作仍于进行之中。
-65钢用药芯焊丝
-MarkTM-71HYN美国气体保兄弟公司研制成功了壹种
护药芯焊丝,是率先获得美国海军“HYN”HSLA-65认证的药芯焊丝,用于焊接
高强度钢的焊接,其焊缝金属中的扩散氢含量低于5ml/100g,屈服强度达
413MPa~620MPa;于高速及低速冷却条件下,(-℃)下的冲击值较军方要求
;采用75%CO2和25%Ar混合气体保护,能够进行全位置焊接,焊丝
,卷重15kg。
,复审批准了普通强度及低合金钢
(HSLA-65)用药芯焊丝的技术规范MIL-E-24403/1F(SH),该技术规范涵盖了:.
自保电弧焊和气保电弧焊接所用的药芯焊丝。
从该规范可知,HSLA-65钢用药芯焊丝的品种齐全,规格多,焊缝金属的扩
散氢含量有H16、H8、H4、,焊接金属屈服强不同等级,最低可达
度379MPa~413MPa,拉伸强度483MPa~551MPa,伸长率为22%左右;能够满足该级
钢的各种焊接需要。
目前,美国HorbartHobart、Tri-Mark、CorexMcKey兄弟公司已经拥有和
等4Arc-Selcet个商标,和美国公司、林肯公司和伊萨公司壹道,成为了美国
海军药芯焊丝的主要研制单位和生产商。
不过,用HSLA-65DH-36钢的电弧焊,会产生较大的焊接变形,通常钢取代
需要焊后火工矫形,才能解决这壹问题。为此,近年来(2007~2009年),美年
国海军开展了HSLA-65钢的搅拌摩擦焊研究。
此外,为了以降低焊接变形,提高焊接速度,美国海军开展了HSLA-65激光
和电弧焊接为壹体的激光混杂电弧焊接研究,以及HSLA-65钢的搅拌摩擦焊接研
究。
-80/100钢用药芯焊丝
钢研制较早,是于HSLA-80ASTMA710钢的基础上开发的低碳铜沉淀强化型钢,
于1984HSLA-1001985年开始研究,也年已开始应用于水面舰船结构方面。钢从
是壹种低碳铜沉淀强化型钢,从1989HSLA-100HY-100年后,已作为钢的替代品
于水面舰艇结构及防弹部件上开始得到应用。
2002MIL-S-24345“年,美国海军废止了时效硬化高强度结构钢
和(HSLA-80/100)板材、薄板、或卷材技术条件”MIL-S-16216“高屈服强度结
构钢(HY-80/100)钢板的技术要求”俩项规范,将有关内容纳入美国海军海上:.
系统司令部的技术出版物:NAVSEAT9074BDGIB010/0300:2002“关键结构用基体
材料:HY-80/100/130HSLA-80/100和低合金钢板、锻件、铸件、型材、棒材和
封头的技术要求”,和此同时,配套焊接材料纳入技术出版物
NAVSEAT9074BCGIB010/0200:2002“关键结构用填充材料:低合金钢用药芯焊丝、
实心焊丝和焊剂、埋弧焊丝的技术要求”。这表明,美国舰艇用HSLA-80/100高
强度低合金钢的基体材料及焊接材料(包括药芯焊丝)基本定型,且纳入海军舰
船规范。
钢用焊接材料的研制采用了俩种途径:(HSLA-80/1001)于HY-80/100钢用
焊材的基础上,改性研究;(2)开发HSLA钢用的超低碳焊接材料。
近年来,于药芯焊丝方面,主要有下列最新进展。
-MarkTM-101美国气体保护兄弟公司研制成功了壹种
等高强度钢,焊接金属的拉伸强度达;药芯焊丝,用于焊接HSLA-100724MPa~793MPa
、,适合于单道次或多道次焊接。其特点
是,焊接电弧平滑、稳定,飞溅少,焊珠外形平整。
-ArcHSLA-80美国公司引入了壹种用钢的气体保护药芯焊
丝,85-Ni3,这种焊丝形成的焊缝金属中,含有3%的镍,改进了其低温韧性,球
状焊弧,焊珠凸出,、,需要进行焊后应力释放热
处理。该焊条碱性渣系,扩散氢含量低。
,美国Hobart兄弟公司推出了壹种金属粉芯药芯焊丝,
可于零度下提供高的冲击韧性。适合于镍铬钼钢铸件Tri-Mark®Metalloy®80N1,
及重型构件的单道及多道焊接,也能够用于耐候钢的焊接,
条件的分级要求,采用气体保护焊接工艺,于75%Argon/25%CO2、98%Argon/2%O2:.
下,焊缝金属拉伸强度分别为586MPa~621MPa,其低温脆性转变温度为-46℃。
Metalloy®、,以卷、匝包装及多有φ和
种尺寸供货。
年,美国海军金属加工中心完成了优化2009HSLA-80T钢型梁的激光电弧混
杂焊接工艺研究,且将其用于新型导弹驱逐舰DDG-1000。这种焊接方法能够提高
焊接速度,降低变形。据估计,这种焊接方法能够使T45%,型梁的制造成本降低
每艘导弹驱逐舰可建造费用减少65万美元。
,Hobart兄弟公司公布了壹种用于焊接高强度钢的焊丝,气
能够实体保护药芯焊丝FabCO®107G,适用于对低温性能有较高要求的应用场合,
现全位置焊接,能够形成接头拉伸强度为690MPa~759MPa,用于HSLA等高强度钢
的焊接,、。有光滑稳定的焊接电弧,能够形成外
形美观的焊珠,减少修整工作量;焊接飞溅少,焊渣易于清理。于100%CO2保护
气氛下,、,其扩散氢含量分别为
/100g。和
,美国Hobart焊位不当的气保焊药芯焊丝兄弟公司推出了俩种用于
(Tri-Mark®TM-811N1TM-811N2),为了提高焊接金属于低温下的冲击性能,和
TM-811N1TM-811N21%和2%的镍。这俩种焊条,均有稳和于焊接金属中分别含有
定焊弧、焊珠平整,且飞溅少、凝结快及焊渣易于清理等特性,适用于焊接HSLA
系列钢。这俩种焊条,均可于75%CO2+25%Ar100%CO的混合气体保护焊或者于2气
体保护条件下进行焊接。、,能够采用和
不同包装类型及重量。
钢焊接的药芯焊丝有三种,分别是:年,美国林肯公司用于2011HSLA-80/100:.
Outershield®91K2-H、UltraCore®81K2A75-HUltraCore®81K2C-H,均实现了和
商业生产。
2011HSLA-80/1004种:年,伊萨公司用于钢焊接的药芯焊丝有
DualShieldII101H4M、DualShieldII101-TC、DualShieldII101-TM;用于HSLA-100
钢的有三种,分别是DualShieldII110、DualShieldII120M2、DualShieldT-125。
美国Select-ArtE120T5-K4C药芯焊丝,是壹种低合金钢气体保护焊公司的
药芯焊丝,采用100%CO2气体保护焊,适合于HSLA-100等钢种的单道次或多道次
的水平角焊缝及平焊缝的焊接,焊缝金属的拉伸强度达827MPa,、
、、%CO几个规格,采用2保护气体,能够进行平焊
和横焊。
-115钢用药芯焊丝
据报道,HSLA-115钢已经纳入美国海军船舶建造规范,且于2009年3月为航
空母舰CVN78提供了首套结构件,预期每艘航空母舰能够用约2000多吨的HSLA-115
钢。
HSLA-115HSLA-100基础上研制成功的,拟钢是由美国海军金属加工中心于
用于新型航空母舰(CVN78),已经纳入美国海军舰船建造规范。尽管HSLA-115
较之HSLA-10010%;每艘航空母舰用成本较高,但由于厚度降低,焊接量将减少
吨,据此壹项,能够节约经费万美元,且使上层建筑减轻重量量可达2000100132
吨。
20095HobartHSLA,美国年月钢的兄弟公司生产了壹种专门用于焊接
气体保护焊金属粉型药芯焊丝,用于能够提高焊缝质量,焊缝的拉Metalloy®110
伸强度不低883MPa、屈服强度不低于793MPa,冲击韧性达-51℃。和Hobart兄:.
弟公司其他金属粉芯焊丝相似,这种Metalloy®110药芯焊丝,具有焊接飞溅少,
焊渣易于清理的优点,此外仍具有优异的浸润性和渗透性,于俩个间隙桥接焊接
时,不会发生焊透;能够进行全位置焊接,采用脉冲或短时弧焊电源,适合于多
三种规格。能够满足道或单道焊接,、、-K4
对焊接性能的要求,焊接几乎无飞溅、硅渣。
20093HobartHSLA月,美国钢用金属粉芯焊丝,分别是年兄弟公司有俩种
Tri-Mark®Metalloy®Vantage™D2、Tri-MarkMetalloy80D2,于满足装备制造及结
构部件必要力学性能基础上,焊接速度更快,熔敷效率更高。Vantage™D2有φ
、、、,有φ三
种规格。
美国伊萨公司生产的DualShieldT-115-K3/K4,适用于HSLA-115钢的焊接,
但尚未纳入美国海军规范。
,T-87018焊条,提高焊接效率,但其氢取代
含量偏高(8ml/100g),后者仅为(4ml/100g)。
据美国海军ManTech技术中心2011年的年度方案,从2008年开始,美国海军
金属加工中心研制625合金和HSLA系列钢的焊接,旨于减少航空母舰CVN78上若干
关键构件时经常出现的交货延误的问题,且评定625合金和HSLA钢焊接接头的腐
蚀性能,以防止这种重要材料产生裂纹。
此外,该中心仍开展了HSLA-115钢第二阶段的评定工作,旨于提高HSLA-100
的性能,用于航空母舰CVN78等的关键构件,降低壁厚,减轻的重量,且降低重
心。主要包括实现批量生产,优化焊接工艺,完善船厂施工条件,确定合格供货
的条件。研究结果表明,船厂现有的药芯焊丝焊接工艺,能够用于HSLA-115钢的:.
焊接,显著降低建造成本,且提高安全系数。
(二)HSLA钢用药芯焊丝的发展趋势
焊接质量、焊接效率和环境友好,是药芯焊丝未来的发展方向。提高焊接材
料的焊接性,如送丝性能、电弧稳定性、焊珠形状、以及适用规范的技术要求,
是药芯焊丝技术发展方向。采用多丝焊接、高氩气体保护、激光混杂焊接、埋弧
焊等焊接工艺,则可提高其应用水平,拓展其应用领域。
(1)提高焊接效率。时间就是金钱,焊接用时也是焊接构件最为主要的成
本因素,因此,提高熔敷效率,提高焊接速度,缩短焊接时间,是药芯焊丝的特
点,也是其未来发展方向。据悉,采用单壹电源和送丝装置的双丝焊接或平行焊
丝焊接,能够提高熔敷率20%~30%;或采用双电源的双丝焊接串联焊接技术,能
够使熔敷率提高100%;将串联焊接和双丝焊接集成为壹体的三丝焊接技术,和双
丝焊接相比,可提高生产率40%。
采用富氩混合气体保护,能够减少焊接烟尘,(2)采用富氩混合气体保护。
提高熔敷速率,增大熔深。如E71T-1药芯焊丝,就能够采用含有5%~15%CO2的富
氩混合保护气体;或者采用含有氦气、CO2的富氩三组份的保护气体。这样,重型
焊接设备、轨道设施将能采用单壹的混合保护气体,进行实芯焊丝、金属粉芯焊
丝和药芯焊丝的焊接;进壹步降低焊接成本,提高焊接生产效率。
(3)提高焊接速度。采用药芯焊丝,进行角焊缝或搭接焊缝的焊接,能够
提高焊接速度,显著降低焊接成本。大厚度钢板的药芯焊丝气体保护焊,焊缝形
状美观,焊渣易于清理,力学性能优良;且有若干自保护药芯焊丝用于特殊应用
场合,这些角焊缝或搭接焊缝,焊接速度已经达到120英寸/分钟。
虽然总体焊接成本可降低低(4)降低药芯焊丝生产成本。10%,但药药芯焊:.
丝的价格较药皮焊丝、实心焊丝偏高,改进生产技术,降低其生产成本,是未来
的发展趋势。
美国Select-Arc公司,拥有世界上直径最细的药芯焊丝和粉芯焊丝生产设备,
采用了最为精确和均匀的混粉设备,高速管状焊丝成型、减径设备,成型密缝表
面适度氧化,均是该公司药芯焊丝先进生产技术的组成部分。
焊接烟尘是焊接溶池中,熔化金属气化所致。(5)降低药芯焊丝焊接烟尘。
填充金属熔化温度,以及板材清洁度、保护气体成分和填充金属熔化速度等是主
要的影响因素。壹般来说,高熔化速度、活性保护气体、低熔点添加物等会造成
较多的焊接烟尘。美国Select-Arc公司生产的药芯焊丝,其焊接烟尘已经降低了
40%~60%。
(6)降低焊接金属中的扩散氢含量。美国焊接协会标准,将扩散氢含量,
作为焊接材料的壹个选择参数,分为H2、H4、H8、H16四个等级,表示焊接金属
中以ml/100g为单位的扩散氢含量。不幸的是,这些“低氢焊接材料”,定义相
当模糊。即便是最低的扩散氢含量焊丝,于焊接较高强度钢时,若不进行焊接预
热或采用不当的焊接工艺,仍然会发生延迟开裂。
壹些认证机构认为H16以下,就是低氢焊接材料;但美国海军认为H5以下,
才能作为低氢焊接材料。目前,大多数建造厂家,将H8作为碳钢或普通强度钢的“低
氢”标准;焊接较高强度钢或低合金钢时,高强度级别采用H4为标准,低强度级
别采用H8为标准。
美国Select-Arc公司生产的某些小直径(≤))药芯焊丝,以及大
部分金属粉芯焊丝,均可达到H4要求,且实现了量产。该公司新近研制的
Select720HP,721,727和737药芯焊丝,采用了和E71T-1不同的微合金化及偏碱性:.
焊剂,不仅提高了力学性能,而且焊缝金属中的扩散氢含量极低,成为行业中的
先行者。
(7)药芯焊丝焊剂成分变迁。
于造船工业中,金属粉芯药芯焊丝主要用于角焊缝的焊接;而焊剂型药芯焊
丝主要用于全位置焊接。得益于渣系粘度上升及渣量增多,已经能够实现焊趾为
10mm的单道焊接,不仅可用于490MPa和590MPa钢的焊接,而且可用于耐候钢的焊
接。
市场需求就是药芯焊丝的发展趋势。市场对药芯焊丝的主要需求是:焊接飞
溅少、焊接烟尘少、孔隙率低、焊丝馈送性好、焊接速度高、只有焊接烟尘是从
环境保护角度提出的要求,其他则是依据高效、高速焊接的要求而提出的。
(三)HSLA钢用药芯焊丝的所面临的问题
随着舰船大型化,焊接效率提升,HSLA钢用焊接材料仍将面临如下问题。
(1)焊接金属结构变形控制;
(2)优化焊缝金属成分,提高焊缝金属的品质和性能;
(3)考虑环境因素将是焊接材料发展的壹个关键因素,防止焊接生成锰及铬
焊接烟尘;
(4)从更为基础的原理上,了解电弧发生的形态及原理,据此,对药芯焊丝
熔敷原理进行数值仿真研究,深入了解熔敷机理。
结语
(1)HSLA系列钢(HSLA-65/80/100/115)已经全部纳入美国海军舰船建造
规范;配套药芯焊丝中,用于HSLA-65/80/100焊接的药芯焊丝,已经纳入美国海:.
军舰船建造规范;惟有用于HSLA-115钢的药芯焊丝,其第二阶段的鉴定工作仍于
进行之中。
(2)美国Arc-SelcetHorbart公司、兄弟公司、林肯公司和伊萨公司等,
是美国海军HSLA系列钢用药芯焊丝的主要研制单位和生产商。
(3)金属粉型药芯焊丝,于HSLA系列钢焊接中的应用将逐步增多;激光混
杂焊等新型焊接工艺,能够提高药芯焊丝的应用水平;而摩擦搅拌焊则可替代药
芯焊丝,用于舰船某些规则构件的焊接。
(4)药芯焊丝的发展趋势是:焊接飞溅少、焊接烟尘少、孔隙率低、焊丝
馈送性好、焊接速度高。
(5)不久的将来,随着HSLA系列钢用药芯焊丝体系完善,美国新壹代水面
舰艇和潜艇的重要结构,将完全采用HSLA系列钢建造,配套的药芯焊丝将步入全
面应用阶段。