自動小車多層多道熔敷金屬試驗及分析

吳磊磊，馬金軍，江澤新，曾志斌

廣船國際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

碳素鋼藥芯焊絲CO2氣體保護焊在國內(nèi)船廠已得到了普遍應用。由于制造工藝特點，藥芯焊絲在性能上會存在不穩(wěn)定的情況，因此船廠一般都會對焊絲進行入廠熔敷金屬復驗。各焊接材料標準或規(guī)范都會對熔敷金屬試驗的方法進行界定，但在細節(jié)上有所區(qū)別，如焊接層道數(shù)，按GB/T 10045—2018《非合金鋼及細晶粒鋼藥芯焊絲》要求φ1.2mm焊絲為6～9層，中國船級社《材料與焊接規(guī)范》要求為4～6層。不同的層道數(shù)會引起每種試驗方法的熱輸入量有差別，這種差別會導致得到不同的力學性能，如彭麗紅等[1]研究了焊接熱輸入對E501T1型藥芯焊絲熔敷金屬性能的影響。以上表明，隨著熱輸入量增加，強度和沖擊韌度都發(fā)生不同程度下降；郭棲利等[2]對核電用碳素鋼藥芯焊絲CHT711MHR2的熔敷金屬沖擊性能進行試驗，發(fā)現(xiàn)在15kJ/cm熱輸入量情況下，沖擊性能最佳。為了對熔敷金屬試驗的層道數(shù)與力學性能的關系進行系統(tǒng)性了解，本文對3種品牌焊絲進行了不同層道數(shù)試驗，形成了有效的性能數(shù)據(jù)規(guī)律，可供船廠和藥芯焊絲制造廠參考。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

選取目前市場上在船舶行業(yè)使用穩(wěn)定的3種等級為G B/T 10045—2018的E501T-1焊絲進行試驗。試板選用船用高強鋼A H36，試板尺寸為400mm×125mm×20mm。

表1 選用的藥芯焊絲說明

2.2 試驗方法

根據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》進行熔敷金屬試驗。采用唐山松下YD-500EL1焊機，使用高創(chuàng)HTI-10M自動小車，可以依據(jù)焊道情況進行擺動。試板根部為鋼襯墊，設置反變形，具體裝配形式如圖1所示。每種焊絲進行3次焊接試驗，分別為焊接5層10道、7層14道、9層18道，具體焊道布置如圖2所示，焊接參數(shù)見表2。每焊完一道，清渣后將試板置于靜止的空氣中，待焊縫冷卻至（150±15）℃（溫度在距坡口邊緣25mm處的鋼板上測量）時，再焊接下一道。

表2 焊接參數(shù)

圖1 試板裝配形式

圖2 焊道布置

2.3 理化試驗取樣要求

針對熔敷金屬區(qū)域取縱向圓棒拉伸試樣一個、沖擊試樣一組3個，試樣中心位于焊縫厚度及寬度中心線相交處。拉伸和沖擊試驗分別執(zhí)行GB/T 2652—2008和GB/T 2650—2008標準，拉伸設備電液式萬能試驗機，型號為WA-1000B，沖擊設備為金屬擺錘沖擊試驗機，型號為ZBC 2302-3。

3 試驗結果

3.1 拉伸性能

對9組試驗的焊縫取焊縫中心圓棒拉伸試驗，結果見表3。屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率以及強屈比與層道數(shù)的對應關系，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著層道數(shù)增多，屈服強度和抗拉強度均出現(xiàn)了一定程度上升的情況，斷后伸長率和強屈比呈下降趨勢。將每種焊材5層的屈服強度和抗拉強度各自作為基準，可以發(fā)現(xiàn)每種焊材的5、7、9層以上抗拉強度、屈服強度的提升比例不同，抗拉強度的上升比例較小，屈服強度的上升比例較大，從而導致了強屈比的數(shù)值出現(xiàn)了下降的情況。

圖3 拉伸性能與層道數(shù)相應變化關系

表3 熔敷金屬拉伸試驗結果

3.2 沖擊性能

對3種焊材9組試驗的熔敷金屬中心進行－20℃的低溫沖擊性能試驗，結果見表4，沖擊吸收能量平均值與層道數(shù)的相應變化關系，如圖4所示。結果顯示，3種焊材均呈現(xiàn)出隨著層道數(shù)增加，沖擊吸收能量值有所提升的情況，其中H和G焊材變化明顯，T焊材增加幅度較小。值得關注的是，不同層道數(shù)對于沖擊值離散系數(shù)的影響，H和G焊材的5層焊道離散系數(shù)超過1，遠高于7層和9層焊道，且表4中H和G焊材分別出現(xiàn)了27J、29J的最低值，已經(jīng)不滿足70%標準值（47J）的要求，按規(guī)定還需要重新復試。

圖4 沖擊吸收能量與層道數(shù)對應變化關系

表4 －20℃熔敷金屬焊縫中心沖擊性能對比

3.3 微觀組織分析

采用線切割方法截取H焊材熔敷金屬橫截面，打磨拋光處理后，經(jīng)4%硝酸酒精溶液將其腐蝕后，在Ziss光學顯微鏡下進行觀察，其中未受熱影響焊道組織如圖5所示。由圖5可知，多層焊道焊縫顯微組織均由先共析鐵素體、晶內(nèi)針狀鐵素體、塊狀鐵素體組成，其中5層焊縫中心先共析鐵素體呈片狀，其晶粒較為粗大；7層焊縫中心先共析鐵素體由片狀分解成塊狀，晶粒較5層焊縫中心組織晶粒更細；9層焊縫中心先共析鐵素體呈塊狀，但其鐵素體分布較為均勻，晶粒進一步細化，針狀鐵素體含量增多，保證了其綜合性能更為優(yōu)良。

圖5 H焊材熔敷金屬的微觀組織

4 分析與討論

隨著層道數(shù)增多，每道熱輸入量降低，每層焊道厚度減小，后層焊縫對前層焊縫具有的正火處理作用更加頻繁，不僅細化了前一道焊縫組織的晶粒，同時也減少了原始焊縫組織的存有量，有利于提高沖擊性能。同時焊縫金屬中被后續(xù)道次加熱的峰值溫度隨距離的增加而降低，熱影響區(qū)中形成的組織由粗大晶粒向細小晶粒發(fā)生規(guī)律性變化[3]。相對于低合金鋼、高強度鋼針狀鐵素體而言，先共析鐵素對裂紋擴展的抵抗力差，其數(shù)量及形態(tài)均會影響焊縫金屬的韌性。當焊縫中針狀鐵素體AF含量較多、尺寸較細，而其他形態(tài)的鐵素體所占比例較小時，焊縫的強度較低，但韌性良好。

3種層道數(shù)的試驗結果顯示，強度及伸長率方面都能滿足標準要求，且有一定的富余量，而沖擊性能受到層道數(shù)的影響較大，當焊接層道數(shù)減少到5層10道時，沖擊值離散度大，單個最低值會存在不合格的情況，且不同品牌藥芯焊絲對于層道數(shù)的敏感程度也不同。強屈比并非焊材的驗收指標，但受到抗震鋼、管線鋼等部分材料的強屈比要求的影響，一度在船舶企業(yè)焊絲來貨驗收中得到推廣應用。從本次試驗看，強屈比與伸長率存在正向?qū)P系，但與沖擊值存在反向關系，即可以通過減少層道數(shù)來提高強屈比。但層道數(shù)減少，必然引起大電流及大熱輸入量方式的應用，所產(chǎn)生的質(zhì)量問題更多。

船舶制造企業(yè)可以根據(jù)自己的產(chǎn)品特點及施工要求選擇合適的焊材復驗方法?？傮w上應以WPS所界定的最高值作為參考，選擇較少的層道數(shù)作為熔敷金屬檢測方式，既可以容許現(xiàn)場施工減少層道數(shù)，提高焊接效率，又能最大程度地保證焊接質(zhì)量。

5 結束語

1）在5～9層范圍內(nèi)的多層多道焊，隨著層道數(shù)增加，抗拉強度和屈服強度均會提升，但抗拉強度的提升比例較屈服強度低，對應的強屈比下降，同時伸長率逐漸降低。

2）沖擊值隨著層道數(shù)的減少而降低，且當降低到5層10道時，沖擊平均值雖然可以滿足要求，但離散系數(shù)高，出現(xiàn)不符合要求的最低單個值，且不同品牌焊絲受層道數(shù)的影響程度不同。

3）船廠應選擇合適的焊材復驗方式，既能提高現(xiàn)場焊接施工效率，又能最大程度地保證焊接質(zhì)量。