船用鍍鋅鋼焊接技術(shù)研究

文/安錦 上官健 魏笑科 吳巧榮 湯林

0 引言

船舶的海水管系作為船舶主推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著冷卻設(shè)備、消防、壓載、沖洗等的重要任務(wù)。船舶海水管系多使用鍍鋅鋼管，因此鍍鋅鋼管的耐腐蝕性，尤其是鍍鋅鋼管連接處的耐腐蝕性，決定了海水管系的使用壽命。為避免焊接時(shí)鍍鋅層的破壞，本研究通過降低焊接熱輸入，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對(duì)鍍鋅板實(shí)施等厚搭接焊，測(cè)試分析了搭接接頭的金相組織、顯微硬度，并對(duì)搭接板和母材進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，為鍍鋅鋼的可靠焊接提供理論參考。

1 材料和方法

采用滬通的高送絲性能逆變通用CO2焊機(jī)（型號(hào)為上海滬通M-320F）對(duì)200×60×5mm3的 Q235鍍鋅鋼板進(jìn)行等厚搭接焊接，焊絲采用直徑為1.2mm的ER49-1焊絲。

首先將鍍鋅鋼板切割成長(zhǎng)為200mm、寬為60mm、厚為5mm的試樣進(jìn)行兩兩搭接的焊接實(shí)驗(yàn)，待焊接后觀察其背面鍍鋅層。在施焊之前，要將切割好的鍍鋅鋼板試樣先用脫脂棉蘸取無水乙醇或者丙酮，仔細(xì)清洗除去覆蓋在其表面上的灰塵、污垢及油脂等直接會(huì)影響焊接試件搭接面光潔的污漬。

本次焊接采用80A、82A和90A的電流進(jìn)行搭接焊接，焊接工藝參數(shù)及不同試樣焊接參數(shù)分別如表1、表2所示。焊后對(duì)接頭進(jìn)行磨制拋光，在AE2000 WET金相顯微鏡下對(duì)組織進(jìn)行觀察。搭接接頭的拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 26957－2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)十字接頭和搭接接頭拉伸試驗(yàn)方法》來進(jìn)行，試驗(yàn)的條件為室溫20℃，以6mm/min的拉伸速率在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。采用HVS-1000A型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，使用時(shí)采用載荷皆為0.5kgf(4.9N)，且載荷持續(xù)時(shí)間為10s，通過測(cè)量菱形壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度來測(cè)量出各點(diǎn)的硬度值。

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 不同試樣焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭顯微組織測(cè)試及分析

2.1.1 熱影響區(qū)的顯微組織及成分分析

在施焊的過程中，生成焊縫的時(shí)候，在其組織周圍的母材會(huì)或多或少地受到焊接過程中的熱循環(huán)影響，這樣母材就受到了一次假性熱處理，這樣一來將會(huì)產(chǎn)生組織和性能與母材和焊縫都不相同的焊接熱循環(huán)區(qū)域，該區(qū)域就是熱影響區(qū)。其中，組織和性能改變的區(qū)域一般都會(huì)變成整個(gè)焊接接頭質(zhì)量最差的部分，對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有決定性影響。很多焊接結(jié)構(gòu)的失效都與其焊接熱影響區(qū)的性能惡化密不可分，因此，對(duì)試樣的接頭熱影響區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察與分析是預(yù)防失效的最為有效的方法。典型的低碳鋼熱影響區(qū)包括：過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)。

（1）不完全重結(jié)晶區(qū)的微觀組織及成分分析

在不同的焊接電流下，不完全重結(jié)晶區(qū)均為鐵素體和珠光體，其中鐵素體的晶粒大小不一，珠光體晶粒較細(xì)小，如圖1所示。這是由于Ac1～Ac3范圍內(nèi)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶（即鐵素和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體）過程，成為細(xì)小的鐵素體和珠光體，而另一部分是始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體，因此該區(qū)晶粒大小不一、分布不均勻。對(duì)比三個(gè)焊接電流下在不完全重結(jié)晶區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著電流增大，不完全重結(jié)晶區(qū)范圍變大，鐵素體的大小愈加不均勻。

圖1 不完全重結(jié)晶區(qū)與母材交界處

（2）相變重結(jié)晶區(qū)的顯微組織及成分分析

相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）組織都是細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體，見圖2。對(duì)比三種電流下的重結(jié)晶區(qū)組織，不難發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，重結(jié)晶后形成的晶粒尺寸也增大，當(dāng)電流達(dá)到90A時(shí)，重結(jié)晶后形成的鐵素體已經(jīng)開始沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀結(jié)晶出現(xiàn)；而電流較小時(shí)，鐵素體多以小塊狀出現(xiàn)。

圖2 不完全重結(jié)晶區(qū)與相變結(jié)晶區(qū)交界處

（3）過熱區(qū)的顯微組織及成分分析

過熱區(qū)的組織中珠光體和鐵素體都粗大，見圖3。由于此區(qū)距離焊縫近，金屬處于過熱的狀態(tài)，焊接時(shí)奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)大現(xiàn)象，冷卻之后便得到粗大的組織。隨著電流的增大，晶粒的長(zhǎng)大越明顯,當(dāng)電流較小時(shí)（80A、82A時(shí)）,未發(fā)現(xiàn)粗大的魏氏組織，先共析鐵素體量也較少；而當(dāng)電流達(dá)到90A時(shí)，出現(xiàn)魏氏組織，對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。魏氏組織不僅晶粒粗大，而且由于大量鐵素體針片形成的脆弱面使金屬的柔韌性急速下降，這是焊接接頭變脆的一個(gè)主要原因。

圖3 過熱區(qū)與焊縫區(qū)交界處

2.1.2 焊縫的顯微組織及成分分析

在焊縫區(qū)，晶粒主要以柱狀晶的形式長(zhǎng)大，隨電流增大，柱狀晶越發(fā)粗大（見圖4）,其組織均由鐵素體和少量珠光體構(gòu)成，部分成魏氏組織形態(tài)。通過微觀顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)焊縫中心區(qū)域，都有先共析鐵素體（PF）和側(cè)板條鐵素體（FSP），組織晶粒沿著晶界分布在熔池中。PF呈條帶狀沿晶界分布，低屈服點(diǎn)的脆性相使焊縫金屬韌性降低。而FSP從先共析鐵素體側(cè)面以板條狀向原奧氏體晶內(nèi)生長(zhǎng),形如鎬牙，內(nèi)部位錯(cuò)密度高，使焊縫金屬的韌性顯著降低。因?yàn)镻F與FSP的存在,大大降低了焊縫區(qū)組織的力學(xué)性能。

圖4 焊縫的顯微組織

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度

拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)生斷裂的位置均在母材區(qū)，并且拉斷面都存在著明顯的縮頸現(xiàn)象，在拉斷面上可以看到很明顯的剪切唇。其中得到的數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表1計(jì)算得到拉斷時(shí)的屈服強(qiáng)度都在275MP以上，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)的母材為Q235，所以試驗(yàn)用的母材質(zhì)量是合格的，拉斷時(shí)的屈服強(qiáng)度就是母材本身的屈服強(qiáng)度。從中不難分析得到，本次試驗(yàn)的焊縫區(qū)域的質(zhì)量明顯要優(yōu)于母材本身的質(zhì)量,從側(cè)面說明了本次的焊接結(jié)果是比較成功的，焊縫的性能比較良好。

2.2.2 焊接接頭顯微硬度分析

對(duì)三組電流參數(shù)下的金相試樣進(jìn)行觀察之后，進(jìn)行顯微硬度的測(cè)試，進(jìn)一步研究搭接接頭的組織性能。所測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同焊接電流的硬度變化

從圖5可見，三條曲線變化趨勢(shì)大致相同，都是從母材到焊縫硬度遞增，其中工藝在I=80A和I=90A的曲線到熱影響區(qū)的過熱區(qū)硬度值達(dá)到最高峰，繼焊縫處后硬度降低，然后稍做波動(dòng)變化；工藝I=82A到達(dá)焊縫處仍遞增，這是由于熱影響區(qū)發(fā)生重結(jié)晶，在不完全結(jié)晶區(qū)和重結(jié)晶區(qū)組織得到相應(yīng)細(xì)化，力學(xué)性能均高于母材。對(duì)比三種工藝參數(shù)下的硬度分布，其中I=90A的焊縫硬度最低。經(jīng)查閱文獻(xiàn)知，鐵素體塑性高、強(qiáng)度低、抵抗塑性變形的能力差，而導(dǎo)致硬度降低。在前面的顯微組織分析中已提出工藝編號(hào)I=90A的焊接熱輸入最高，導(dǎo)致高溫停留較長(zhǎng)、冷卻較慢，先共析鐵素體就較多、珠光體較少，因此I=90A的焊縫硬度最低。

根據(jù)各工藝下焊接接頭硬度分布情況，I=80A時(shí)，硬度變化由緩慢遞增至焊接接頭處達(dá)到平穩(wěn)，無硬度突變情況出現(xiàn)，對(duì)接頭承載能力有很大的幫助。

3 結(jié)論

本研究主要采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)船舶用鍍鋅鋼進(jìn)行了CO2氣體保護(hù)焊接工藝研究，通過研究不同的焊接電流參數(shù)對(duì)焊接接頭的質(zhì)量及搭接接頭背面鍍鋅層的影響，從而選擇給定條件下的最優(yōu)電流參數(shù)。

經(jīng)過對(duì)鍍鋅鋼板CO2氣體保護(hù)焊接的接頭試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過分析金相觀察焊接接頭橫截面的顯微組織，測(cè)試接頭拉伸力學(xué)性能和硬度，得到了如下結(jié)論：一是從金相組織觀察分析可以得出，隨焊接電流的增大，焊接熱影響區(qū)范圍變大，組織不均勻，過熱區(qū)出現(xiàn)魏氏組織，焊縫區(qū)柱狀晶更茁壯。二是在力學(xué)性能測(cè)試的拉伸試驗(yàn)中，拉斷面均發(fā)生在母材區(qū)，焊縫的抗拉強(qiáng)度要高于母材的抗拉強(qiáng)度，證明本次焊接接頭的質(zhì)量是合格的。三是在顯微硬度實(shí)驗(yàn)中，焊接電流為82A時(shí)，從母材到熱影響區(qū)再到焊縫區(qū)的硬度均勻增大，反映了母材區(qū)到熱影響區(qū)到焊縫區(qū)的組織分布均勻性能良好。