EH40船板鋼厚板焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

王佳驥， 林三寶2， 蔡笑宇2， 倪志達(dá)2， 胡奉雅， 付魁軍

(1. 海洋裝備用金屬材料及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

在船舶工業(yè)生產(chǎn)中，厚板(板厚≥30 mm)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用必不可少，且隨著大型船舶的發(fā)展，大型化、高層化、復(fù)雜化的船體焊接結(jié)構(gòu)需求量不斷提升。厚板的用量增加勢(shì)必會(huì)對(duì)焊接效率提出更高的需求，當(dāng)前，為保證焊接生產(chǎn)效率，船廠通常采用提升焊接熱輸入的方法。焊接熱輸入是焊縫在單位長(zhǎng)度上接收的焊接熱量，熱輸入的大小可以反映出焊接效率的高低。通常焊接熱輸入達(dá)到50 kJ/cm以上時(shí)就被定義為大熱輸入焊接。

一味地增加焊接熱輸入將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)中的組晶區(qū)(CGHAZ)被加熱到接近母材熔點(diǎn)的溫度，這就造成了奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，二次組織產(chǎn)生脆性組織[1]，最終導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能降低，主要表現(xiàn)為沖擊韌性的下降。

如何開發(fā)出適合大熱輸入焊接的造船鋼板成為近年來中國(guó)鋼鐵行業(yè)的研究熱點(diǎn)[2]，其開發(fā)設(shè)計(jì)思想為：利用鋼材中大量的微細(xì)夾雜物釘扎原始奧氏體晶粒，進(jìn)而限制其過分長(zhǎng)大，同時(shí)微細(xì)夾雜物能夠促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶內(nèi)組織，提升沖擊韌性。微細(xì)夾雜物有很多種類型，比較典型的是Nb，Ti類夾雜物。在鋼液中加入易形成氧化物的微合金元素，如Ti，Mg和Ca等，使鋼中形成高熔點(diǎn)的氧化物夾雜，利用夾雜物抑制高溫下奧氏體的迅速粗化，并且促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形成來分割原始奧氏體晶粒[3]。此外，在低碳低合金鋼中加入Ti等合金元素，在冶金過程中形成熔點(diǎn)較高的析出相抑制焊接熱循環(huán)過程中奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大，提高焊接接頭力學(xué)性[4-6]。

EH40鋼板目前為中國(guó)船舶生產(chǎn)中常用的大熱輸入鋼板，是通過在低碳低硫的基礎(chǔ)上，添加適量Nb，Ti等合金元素，并結(jié)合控軋控冷等熱處理技術(shù)獲得的能夠承受大熱輸入焊接的細(xì)晶粒高強(qiáng)度微合金鋼。目前針對(duì)該鋼材的厚板焊接技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了較為廣泛的開發(fā)與應(yīng)用，主要方法有埋弧焊(SAW)，氣電立焊(EGW)、電渣焊(ESW)及窄間隙焊接(NGW)，文中主要針對(duì)當(dāng)前開發(fā)的EH40厚板的焊接技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，綜述各典型焊接方法工藝原理、方法特點(diǎn)以及焊接接頭組織性能，為EH40鋼板大熱輸入焊接生產(chǎn)提供總結(jié)性指導(dǎo)。

1 焊接熱循環(huán)下EH40鋼接頭組織性能

對(duì)鋼材進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，使得鋼材經(jīng)歷與焊接過程中相似的熱循環(huán)，進(jìn)而模擬得到不同熱循環(huán)參數(shù)下焊接接頭熱影響區(qū)的組織演變規(guī)律與力學(xué)性能，可以進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝。焊接熱循環(huán)中影響最終組織狀態(tài)的參數(shù)主要有2項(xiàng)：峰值溫度和冷卻速度。當(dāng)前，有部分學(xué)者針對(duì)這2個(gè)參數(shù)模擬了不同焊接熱循環(huán)下熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織與性能。

鞍鋼集團(tuán)李靜等人[7-8]利用熱模擬技術(shù)對(duì)EH40鋼進(jìn)行了不同熱循環(huán)參數(shù)的熱模擬試驗(yàn)，對(duì)CGHAZ的組織與性能的演變規(guī)律進(jìn)行了研究。研究中考察了不同峰值溫度與不同冷卻時(shí)間(t8/5)2個(gè)參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，熱影響區(qū)組織主要為粒狀貝氏體、多邊形和等軸鐵素體及珠光體，在鐵素體的基體上存在M-A組元。當(dāng)峰值溫度大于1 350 ℃時(shí)，組織明顯粗化，而峰值溫度小于1 150 ℃時(shí)，組織細(xì)小。隨著t8/5時(shí)間的增加，冷卻速度減慢造成晶粒長(zhǎng)大不明顯，晶界鐵素體和鐵素體板條的數(shù)量減少，取而代之的是尺寸較大的多邊形鐵素體，組織也由貝氏體為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐澡F素體為主。當(dāng)峰值溫度降低時(shí)，M-A組元的數(shù)量減少，尺寸減小，由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變成塊狀; 當(dāng)冷卻時(shí)間增加時(shí)，尺寸細(xì)小的塊狀M-A組元數(shù)量增多，尺寸增大使韌性下降。

東北大學(xué)張鵬彥等人[9]利用熱模擬試驗(yàn)對(duì)焊接熔合線部位的組織與性能進(jìn)行了研究，采用了800 kJ/cm的焊接熱輸入，峰值溫度設(shè)定為1 400 ℃，冷卻時(shí)間(t8/5)設(shè)定為730 s，獲得的金相組織由塊狀的晶界鐵素體(GBF)、晶內(nèi)多邊形鐵素體(IPF)、晶內(nèi)針狀鐵素體(IAF)構(gòu)成，鋼中含有高密度的TiN-MnS和TiOx-MnS類復(fù)合夾雜物，在抑制GBF晶粒粗化的同時(shí)，提升了IAF的形核能力。

沙鋼鋼鐵研究院李小寶等人[10]分別針對(duì)鈦鎂鈣復(fù)合處理和微鈦處理的不同成分EH40鋼進(jìn)行不同焊接熱輸入的熱模擬試驗(yàn)，并對(duì)CGHAZ的組織與沖擊韌性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，鈦鎂鈣復(fù)合處理的鋼種中含有大量尺寸在0.2～0.3 μm之間的TiOx-MgO-Al2O3復(fù)合氧化物夾雜，該類夾雜物粒子可充當(dāng)晶內(nèi)鐵素體的有效異質(zhì)形核劑，促進(jìn)焊接熱影響區(qū)的晶內(nèi)針狀鐵素體相轉(zhuǎn)變，從而提高鋼板HAZ的低溫沖擊韌性。粗晶區(qū)組織隨t8/5增加，由粒狀貝氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镚BF+IPF+IAF，而微鈦處理的鋼種粗晶區(qū)組織隨t8/5增加則由粒狀貝氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镚BF+上貝氏體組織。

劉芳芳等人[11]利用熱模擬技術(shù)對(duì)EH40鋼中CGHAZ區(qū)第二相粒子的尺寸、數(shù)量與分布等情況進(jìn)行了考察，并研究了第二相粒子對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響。研究結(jié)果表明,隨著冷卻時(shí)間(t8/5)的延長(zhǎng)，第二相粒子發(fā)生溶解和長(zhǎng)大，導(dǎo)致其尺寸增大，數(shù)量減少，降低了對(duì)奧氏體晶界的釘扎作用，使得奧氏體晶粒尺寸增大。

2 EH40鋼厚板埋弧焊

埋弧焊采用粗絲大電流，是焊接厚板的合理選擇，其被廣泛地應(yīng)用在船舶制造行業(yè)。作為一種大熱輸入焊接方法，埋弧焊在EH40鋼厚板的焊接中最早被開發(fā)應(yīng)用。

肖曉明等人[12]使用103 kJ/cm的大熱輸入對(duì)50 mm厚的EH40鋼板進(jìn)行埋弧焊接，利用材料表征手段和力學(xué)性能測(cè)試方法對(duì)焊接接頭的組織與性能進(jìn)行了考察，結(jié)果表明,焊縫金屬有大量針狀鐵素體、少量先共析鐵素體和少量M-A組元組成，針狀鐵素體分割了原奧氏體晶粒，起到了細(xì)化晶粒的作用。CGHAZ的組織為貝氏體、針狀鐵素體和先共析鐵素體，其中存在的高熔點(diǎn)第二相顆粒(TiO，Al2O3，MgO，TiN)抑制了晶粒的長(zhǎng)大，促進(jìn)了針狀鐵素體的形成，有效地改善了沖擊性能。

北京科技大學(xué)孫占等人[13-14]采用多層多道埋弧焊對(duì)40 mm厚的EH40鋼板進(jìn)行焊接，焊接熱輸入分別選擇了40 kJ/cm和60 kJ/cm，對(duì)焊后焊接接頭的組織與力學(xué)性能進(jìn)行了考察。研究表明,當(dāng)焊接熱輸入為40 kJ/cm時(shí)，CGHAZ組織主要為板條貝氏體、粒狀貝氏體、少量的塊狀鐵素體和第二相M-A組元；當(dāng)焊接熱輸入增加到60 kJ/cm時(shí)，板條貝氏體明顯減少，塊狀鐵素體增加且長(zhǎng)大，同時(shí)出現(xiàn)了少量的針狀鐵素體。CGHAZ中存在大量Ti，Nb的碳氮化物，作為第二相粒子組織了奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

實(shí)際焊接生產(chǎn)中，為了進(jìn)一步提升埋弧焊生產(chǎn)效率，通常采用雙絲埋弧焊，利用2根或2根以上焊絲同時(shí)填充焊接，可以有效地提升焊接效率。

鋼鐵研究總院婁宇航等人[15]采用不同的焊接熱輸入對(duì)40 mm厚的EH40鋼板進(jìn)行焊接，分別采用60 kJ/cm，122 kJ/cm，158 kJ/cm的熱輸入進(jìn)行焊接，焊縫中主要存在2類夾雜物，一類為Si，Mn，Ti，Al，Ca和Mg等的復(fù)合氧化物；一類為硫化錳覆蓋型夾雜物，隨著熱輸入的增加，熔池金屬高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，冷卻速度減小，過冷度減小，元素向高溫更穩(wěn)定的析出氧化物擴(kuò)散聚集，導(dǎo)致焊縫中夾雜物數(shù)量、面密度減小，平均尺寸增加。同時(shí)，熱輸入的增加導(dǎo)致M-A組元含量增加。利用雙絲焊接方式，后續(xù)焊道對(duì)前焊道有高溫再熱作用，會(huì)使得部分柱狀晶組織裝變成塊狀鐵素體，從而降低焊縫沖擊韌性[16]。但隨著焊接熱輸入的增加，焊接道次減小，焊縫組織中受熱循環(huán)影響而產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié)組織減少，導(dǎo)致焊縫沖擊韌性有增加的趨勢(shì)。不同熱輸入下焊縫中心的沖擊吸收能量結(jié)果，如圖1所示[15]。

圖1 不同熱輸入下焊縫中心沖擊吸收能量

3 EH40鋼厚板氣電立焊和電渣焊

氣電立焊和電渣焊能夠?qū)崿F(xiàn)板材全厚度上的單道焊接，提高焊接效率，降低焊接殘余應(yīng)力。在重型船舶的焊接生產(chǎn)中，非平焊位置是不可避免的，立焊是尤為重要的一種焊接位置，在造船過程中十分常見。氣電立焊與電渣焊采用機(jī)械化設(shè)備，以立焊方式實(shí)現(xiàn)厚板的單道焊接，獲得高熔敷率和高質(zhì)量的焊縫。氣電立焊中，焊接熱量由焊絲和焊接熔池之間的電弧產(chǎn)生，而電渣焊中的熱量來源于渣池中的電阻熱[17]。

沈志根等人[18]通過和常規(guī)CO2半自動(dòng)焊工藝相比，發(fā)現(xiàn)氣電立焊可將焊接效率提高15倍以上，在400 kJ/cm的熱輸入條件下，68 mm厚的EH40鋼接頭力學(xué)性能可滿足規(guī)范要求。

端傳寶等人[19]針對(duì)68 mm厚EH40鋼進(jìn)行了雙絲氣電立焊，焊接熱輸入分別為382 kJ/cm，440 kJ/cm和450 kJ/cm，結(jié)果表明焊縫是整個(gè)焊接接頭韌性最薄弱的區(qū)域。增加熱輸入，晶界鐵素體增大，針狀鐵素體減少，導(dǎo)致焊縫韌性嚴(yán)重下降。在坡口角度20°，間隙8 mm的坡口條件下，68 mm厚的EH40鋼板的最佳熱輸入為400～440 kJ/cm。

李小寶等人[20]研究了60 mm厚EH40鋼板焊接熱輸入530 kJ/cm的電渣焊接頭的組織和性能，CGHAZ由針狀鐵素體、多邊形鐵素體及晶界鐵素體構(gòu)成，該區(qū)寬度約為1 mm；焊縫區(qū)由尺寸約為10 μm的針狀鐵素體及晶界鐵素體構(gòu)成；熔合區(qū)除針狀鐵素體和晶界鐵素體外，還有少量側(cè)板條鐵素體。其沖擊性能滿足船級(jí)社對(duì)EH40船板的要求。

4 窄間隙GMA焊接

通常厚板的GMA焊接采用開大角度坡口進(jìn)行多層多道焊，坡口角度一般為40°～60°，焊接工序多，填充金屬耗費(fèi)多，焊接效率低，同時(shí)由于焊接道次多，熱積累大，焊后構(gòu)件變形大。窄間隙焊接技術(shù)是使用窄而深的坡口取代大角度坡口進(jìn)行焊接的一種形式，通常坡口不開角度或只開小角度(≤10°)，利用單道焊或雙道焊進(jìn)行多層焊接。窄間隙坡口的應(yīng)用大幅度地減少了坡口填充面積，節(jié)省了焊接材料的同時(shí)，提高了焊接效率，而且焊接熱輸入降低，接頭組織性能優(yōu)良，焊后變形小。當(dāng)前在大厚板焊接生產(chǎn)中，窄間隙焊接已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。窄間隙GMA焊是將GMA焊接套用于窄間隙這種特殊的焊接形式中而衍生出來的一種高效率焊接方式。然而，由于電弧軸心與側(cè)壁夾角較小，窄間隙焊接最常見的焊接缺陷為側(cè)壁熔合不良問題，目前針對(duì)這一問題，擺動(dòng)電弧[21-23]、旋轉(zhuǎn)電弧[24-26]、雙絲雙弧窄間隙焊接[27-28]已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前針對(duì)EH40船用鋼厚板的焊接，已有學(xué)者進(jìn)行了窄間隙GMA焊接的嘗試，并得到了相應(yīng)結(jié)果。

胡奉雅等人[29]采用如圖2所示的彎曲焊絲窄間隙GMA焊接方法對(duì)68 mm厚的EH40鋼板進(jìn)行了多層單道焊接，焊接過程中焊絲在變形裝置的作用下被彎成波浪狀狀，在焊絲熔化過程中帶動(dòng)電弧在坡口內(nèi)部?jī)蓚?cè)壁之間擺動(dòng)，使得電弧在側(cè)壁作用時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而良好地熔化側(cè)壁。焊縫形貌如圖3所示[29]，可見焊縫無宏觀缺陷。拉伸試樣斷裂在母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到538 MPa。沖擊吸收能量焊縫位置-20 ℃達(dá)到105 J，熔合線達(dá)到230 J，熱影響區(qū)達(dá)到267 J。

雙絲雙弧焊接是利用彎曲導(dǎo)電嘴將兩根焊絲彎曲地送出，2焊絲分別獨(dú)立供電，雙絲各指向一側(cè)側(cè)壁，根據(jù)2根焊絲的間距可分為共熔池焊接與獨(dú)立熔池焊接2種形式，當(dāng)雙絲間距在30 mm以下時(shí)，2個(gè)電弧共同作用在一個(gè)熔池上，為共熔池焊接方式；而當(dāng)雙絲間距在30 mm以上時(shí)，2個(gè)電弧分別作用在2個(gè)熔池上，為獨(dú)立熔池焊接方式。雙絲雙弧窄間隙焊接相比于擺動(dòng)電弧和旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接，焊槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接效率更高。

圖2 彎曲焊絲窄間隙焊接工藝原理圖

圖3 彎曲焊絲窄間隙焊接接頭宏觀形貌

胡奉雅等人[30]利用雙絲共熔池焊接方法對(duì)84 mm厚的EH40鋼進(jìn)行焊接，焊接原理圖如圖4所示[30]。結(jié)果表明，如圖5所示[30]，經(jīng)過17道填充可將間隙填滿，焊縫成形良好，沒有缺陷。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)倪志達(dá)[31]利用擺動(dòng)導(dǎo)電嘴式的擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊對(duì)EH40鋼在窄間隙焊接條件下的組織轉(zhuǎn)變貫序進(jìn)行了研究，對(duì)給定坡口進(jìn)行4道填充焊接。研究表明，窄間隙MAG焊單次熱過程對(duì)先焊焊道的熱影響范圍在接頭厚度方向上大約為一個(gè)焊縫厚度的長(zhǎng)度，如圖6所示[31]，即后焊焊道的產(chǎn)生的熱影響區(qū)在沿接頭厚度的方向上幾乎可以完全覆蓋上一道焊焊道產(chǎn)生的熱影響區(qū)。而對(duì)于熱影響區(qū)中相同位置的組織轉(zhuǎn)變，大致的過渡貫序?yàn)榧?xì)長(zhǎng)板條狀無碳化物貝氏體、針狀鐵素體、以準(zhǔn)多邊形鐵素體為貝氏體鐵素體的粒狀貝氏體。

圖4 雙絲雙弧窄間隙焊接原理圖

圖5 雙絲雙弧窄間隙焊接接頭形貌

圖6 單道焊縫產(chǎn)生熱影響區(qū)對(duì)前道熱影響區(qū)的輻射范圍

5 結(jié)論

EH40鋼作為大熱輸入焊接高強(qiáng)鋼板在船舶制造行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景，通過成分設(shè)計(jì)獲得的高溫粒子可以抑制奧氏體晶粒粗化同時(shí)促進(jìn)針狀鐵素體形核，使得常用的高效率大熱輸入焊接方法可以很好地適用于EH40鋼厚板的焊接。當(dāng)前EH40厚板的焊接方法主要有埋弧焊、氣電立焊和電渣焊，窄間隙GMA焊接作為一種高效的厚板焊接方法同樣適用于EH40鋼的焊接，該方法經(jīng)試驗(yàn)論證可以看出具有很大的應(yīng)用潛力。