不同熱輸入下的船用鋼激光MAG電弧復(fù)合焊接頭沖擊性能研究

摘" 要： 采用激光-MAG復(fù)合焊焊接8 mm的AH36船用鋼T型接頭，設(shè)計了T型落錘沖擊接頭的試件尺寸和試驗裝置，通過落錘沖擊試驗測試了不同熱輸入下T型接頭落錘沖擊性能，同時測量了沖擊時的加速度數(shù)據(jù)，觀察分析了角接頭的微觀組織，對比分析不同熱輸入下熱影響區(qū)寬度.研究結(jié)果表明：8 mm T型接頭落錘沖擊臨界高度為510 mm.8 mm T型接頭落錘沖擊試驗顯示，熱輸入為10.26 kJ/cm時試件的沖擊平均斷裂能量為1 813.2 J，熱輸入8.25 kJ/cm下試件的沖擊斷裂能量為2 689.1 J，試件沖擊斷裂能量提升33%.熱影響區(qū)幾何參數(shù)對沖擊性能影響較大，在允許的工藝參數(shù)區(qū)間熱輸入越小T型接頭在落錘沖擊中吸收的能量更多，抗沖擊性能更好.

關(guān)鍵詞： 船用鋼；T型接頭；沖擊性能；焊接熱輸入

中圖分類號：TG444+.73""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""""" 文章編號：1673-4807（2024）05-039-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.006

收稿日期： 2023-03-16""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目（BY2020449）

作者簡介： 崔衛(wèi)杰（1996—），男，碩士研究生，研究方向為激光焊接.E-mail：13375423529@163.com

*通信作者： 趙勇（1978—），男，博士，教授，研究方向為激光焊接、攪拌摩擦焊等.E-mail：yongzhao418@just.edu.cn

引文格式： 崔衛(wèi)杰，張得揚，趙勇，等.不同熱輸入下的船用鋼激光MAG電弧復(fù)合焊接頭沖擊性能研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），202 38（5）：39-44.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.006.

Study on impact performance of marine steel laser MAG arccomposite welding joint under different heat input

CUI Weijie ZHANG Deyang ZHAO Yong1*，JIANG Nan ZHANG Shidong CHEN Guoqiang QING Yonghui3

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.China Ship Science Research Center， Wuxi 214000， China）

（3.Jiangsu Yangtze Mitsui Shipbuilding Co. Ltd.， Suzhou 215400， China）

Abstract：The 8 mm AH36 marine steel T-joint was welded by laser-MAG composite welding， the specimen size and test device of the T-shaped tensile impact joint were designed， the impact performance of the T-shaped joint under different heat inputs was tested by the drop weight impact test， the acceleration data during impact was measured， the microstructure of the angle joint was observed and analyzed， and the width of the heat affected zone under different heat input was compared and analyzed. The results show that the critical height of the drop weight impact of the 8 mm T-joint is 510 mm. The impact test of the 8 mm T-joint drop weight shows that the average impact fracture energy of the specimen is 1 813.2 J when the heat input is 10.26 kJ/cm， and the impact fracture energy of the specimen is 2 689.1 J under the heat input of 8.25 kJ/cm， and the impact fracture energy of the specimen is increased by 33%. The geometric parameters of the heat-affected zone have a greater influence on the impact performance， and the smaller the heat input in the allowable process parameter interval， the more energy the T-joint absorbs in the drop weight impact and has better impact resistance performance.

Key words：marine steel， T-joint， impact performance， welding heat input

二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，目前隨著我國海軍裝備的建設(shè)和國際海運的發(fā)展，中國已成為第一造船大國，艦船建造關(guān)乎國防安全和國家經(jīng)濟(jì).其中軍用船只抗爆抗沖擊研究仍然是各個海洋大國關(guān)注的重點領(lǐng)域，而焊接工藝對沖擊強(qiáng)度影響是研究熱點之一［1］.艦船建造時，大量鋼結(jié)構(gòu)通常由不同厚度的板、型鋼焊接而成，接頭類型主要為板-板對接接頭、板-梁T型接頭和L型接頭等.艦船在實戰(zhàn)中不可避免地會受到?jīng)_擊載荷（爆炸沖擊波、高速破片等）的作用，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)生局部大塑性變形甚至遭到破壞［2］，接頭沖擊性能的研究變得至關(guān)重要［3-7］.

文獻(xiàn)［8］使用落錘沖擊試驗機(jī)對對接接頭和角接頭的抗沖擊性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明在沖擊載荷作用后對接件的破壞截面在母材區(qū).當(dāng)沖擊速度相同時，就沖擊強(qiáng)度而言，受拉角焊縫高于受剪角焊縫50%左右.文獻(xiàn)［9］針對20 mm厚度的船用鋼板的對接接頭，通過CO2氣保護(hù)焊得到符合試樣尺寸要求的熱影響區(qū)、母材、焊縫區(qū)域的試樣，開展試驗得到3個區(qū)域的動態(tài)本構(gòu)模型，結(jié)論得出熱影響區(qū)為抗沖擊性能相對薄弱的區(qū)域.

目前國內(nèi)外研究一般關(guān)注對接接頭不同工藝下的靜態(tài)力學(xué)性能，鮮有學(xué)者開展不同類型接頭在動態(tài)載荷下的整體結(jié)構(gòu)沖擊性能.因此探明沖擊載荷作用下接頭的變形機(jī)理、接頭力學(xué)響應(yīng)特性及失效機(jī)制，明確焊接接頭沖擊性能的決定性因素具有十分重要的意義.文中建立焊接接頭沖擊性能評價方法，旨在對船用鋼在不同焊接工藝下的沖擊性能展開系統(tǒng)研究，研究目的在于為提高船用鋼焊接接頭的動態(tài)力學(xué)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1" 試驗

1.1" 試驗設(shè)備

文中所有的接頭試件均采用激光-MAG復(fù)合焊系統(tǒng)焊接，選用YSL-10000光纖激光器，峰值輸出功率為10 000 W，MAG焊接系統(tǒng)采用福尼斯TPS5000全數(shù)字化控制的逆變焊接電源，可用于MIG/MAG焊，輸出電流能力可達(dá)500 A.激光-MAG復(fù)合焊焊接平臺如圖1.

對T型接頭進(jìn)行落錘沖擊性能研究時采用圖2（a）所示工裝，該工裝由上導(dǎo)板、質(zhì)量塊、安裝架、沖擊頭和頂板、固定底座和下夾板組成，其中上導(dǎo)板和安裝架兩側(cè)均開V形缺口和落錘沖擊機(jī)的導(dǎo)軌配合，對工裝進(jìn)行限位.由于當(dāng)試件受到彎曲沖擊載荷時，兩側(cè)翼板下部會向內(nèi)收緊，為保證工裝的整體強(qiáng)度，安裝架下部增加兩塊工字鋼.

圖2（b）為落錘沖擊試驗機(jī)實際裝配圖，利用機(jī)電控制柜激發(fā)錘頭釋放裝置，釋放后沖擊頭和砧板碰撞，對固定在工裝上的試件施加沖擊載荷，錘頭作用在試件上的總質(zhì)量為645 kg.本研究考慮到在沖擊載荷作用下應(yīng)變難以進(jìn)行精確的測量，故未在試件表面粘貼應(yīng)變片，因此通過加速度傳感器來記錄沖擊時的加速度大小用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析.加速度傳感器布置在錘頭的上表面，其與電荷測量儀連接，采樣頻率設(shè)置為10 kHz.

進(jìn)行試驗時，將工裝提升到指定高度后釋放，對固定在夾塊上的試件施加拉伸沖擊載荷，落錘釋放后將載荷通過沖擊頭和夾塊的接觸作用到T型接頭.T型沖擊試件裝夾位置與沖擊作用位置如圖3.

1.2" 試件設(shè)計

為進(jìn)行T型接頭的落錘沖擊試驗，制備對應(yīng)形式的T型接頭.參考國家標(biāo)準(zhǔn)［10］進(jìn)行落錘沖擊試樣尺寸設(shè)計，圖4（a）為T型接頭落錘沖擊試件的三維示意圖.圖4（b）為T型接頭落錘沖擊試件詳細(xì)尺寸示意圖，翼板試驗段長度為100 mm，為消除應(yīng)力集中影響，試驗段和母材之間利用半徑為31 mm的圓弧進(jìn)行過渡.筋板處設(shè)置70 mm試驗段，同樣利用相同直徑的圓弧，使應(yīng)力集中消除.為了保證沖擊時不從加持段發(fā)生撕裂，孔中心離試件邊緣最短距離為27.5 mm.

圖5為T型接頭受沖擊載荷時的受力示意圖，T型接頭翼板承受落錘沖擊載荷，翼板左右兩端通過螺栓和工裝固支連接.

1.3" 試驗材料和方法

試驗用母材為AH36鋼.焊接接頭均采用激光-MAG復(fù)合焊焊接方法制備，焊接前對試板進(jìn)行打磨拋光，除去氧化層，之后用全棉帆布浸潤無水乙醇對試件表面進(jìn)行擦拭.試件焊接所使用的焊絲為實芯焊絲（ER50-6），焊絲成分如表1.焊接時保護(hù)氣采用82%Ar和18% CO2.

在焊接過程中，焊接熱輸入是指整條焊縫在焊接過程中所承載的能量值.熱輸入計算公式為：

Q=η（p+IU）/v（1）

式中：Q代表復(fù)合焊接熱輸入值，η為焊熱效率系數(shù)，I為焊接電流，U為電弧電壓，P為激光功率，v為焊接速度.為了討論不同熱輸入對T型接頭的落錘沖擊性能影響，所以選用兩種不同的焊接熱輸入對T型接頭進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2.圖6為T型接頭對應(yīng)的坡口尺寸，本研究中焊接板厚為8 mm，其中筋板留2 mm鈍邊.

2" 試驗結(jié)果與討論

2.1" 落錘沖擊試驗結(jié)果

表3為不同坡口角度下8 mm T型接頭落錘沖擊結(jié)果，熱輸入為8.25 kJ/cm條件下接頭落錘沖擊通過試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)落錘釋放高度為520 mm時，接頭兩側(cè)焊趾處均發(fā)生撕裂，沖擊高度為500 mm時，試件在沖擊載荷下僅發(fā)生較大變形，將沖擊高度繼續(xù)提高為510 mm時，T型接頭試驗結(jié)果呈現(xiàn)差異性，將510 mm定為8.25 kJ/cm條件下T型接頭的沖擊臨界高度.當(dāng)熱輸入為10.26 kJ/cm時接頭沖擊高度由500 mm增加至510 mm時沖擊結(jié)果出現(xiàn)差異性，其臨界沖擊高度同樣為510 mm.在當(dāng)前接頭類型下，由表3可以看出，在相同沖擊高度（510 mm）下熱輸入為8.25 kJ/cm時試樣有兩組斷裂，一組發(fā)生大變形；熱輸入10.26 kJ/cm下的三組試件均發(fā)生斷裂.不同情況下的沖擊外觀圖如圖 兩種熱輸入下試件斷裂位置均位于面板焊趾區(qū)域.

2.2" 加速度數(shù)據(jù)分析

圖8（a）為#3落錘沖擊試件在臨界沖擊高度下的加速度、速度、位移與時間曲線.沖擊高度為510 mm，試件為8 mm T型接頭時，峰值加速度為378.43 m/s 測到的峰值位移為47.6 mm.根據(jù)加速度時間曲線可知落錘沖擊過程可以主要分為自由落體段（僅體現(xiàn)沖擊前短時間的自由落體）和落錘沖擊段，其中發(fā)生斷裂時又將落錘沖擊段詳細(xì)劃分為屈服變形段和斷裂段.發(fā)生斷裂時，落錘沖擊段時間明顯減少，且斷裂段時間極短.

2.3" 沖擊斷裂能量分析

在圖8（b）中#5斷裂試件的的屈服變形段，總能量為落錘提供的重力勢能，重力勢能轉(zhuǎn)化為落錘的動能和對接頭試件的沖擊能（假設(shè)同一厚度試件沖擊時能量耗散相同），公式為：

mg（h+h1）-12mV2=Ecj（2）

式中：h為落錘釋放高度，m；h1為落錘釋方向上試件的形變量，由加速度兩次積分得到，m；V為加速度在最大值時的沖擊速度，通過對加速度數(shù)據(jù)一次積分獲得，m/s; Ecj為整個接頭沖擊斷裂時所消耗的能量，J.

對T型接頭落錘沖擊斷裂能量的分析，根據(jù)圖9中的數(shù)據(jù)可知，8 mm T型接頭落錘沖擊中，熱輸入為8.25 kJ/cm時試件的沖擊平均斷裂能量為2 689.1 J，當(dāng)熱輸入增大到10.26 kJ/cm沖擊斷裂能量降低33%，此時沖擊斷裂能量為1 813.2 J.當(dāng)熱輸入為8.25 kJ/cm時接頭抗沖擊性能更好.

2.4" 組織分析

如圖10（a），激光-電弧復(fù)合焊的T型接頭包括：焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材.其中熱影響區(qū)又可細(xì)分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)3個區(qū)域，如圖10（b）.為了確定試件在沖擊過程中的啟裂位置，將斷口制備成金相試樣利用顯微鏡觀察.斷口處微觀組織形貌如圖1 從圖片中可以得知接頭在沖擊過程中啟裂位置處于面板焊趾處粗晶區(qū)，延伸至母材發(fā)生斷裂.

因此針對不同熱輸入下的T型試件微觀組織著重分析焊趾處粗晶區(qū)組織.由圖12（a）和（b）可知，當(dāng)焊接熱輸入為8.25 kJ/cm時，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸更小，而當(dāng)熱輸入為10.26 kJ/cm時焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)為相對粗大的馬氏體組織，韌性相對較差，導(dǎo)致試件在落錘沖擊性能中體現(xiàn)出差異性.

2.5" 接頭熱影響區(qū)寬度分析

圖13為8 mm T型接頭落錘沖擊斷裂位置宏觀示意圖.由上小節(jié)微觀組織分析可知在不同熱輸入下的沖擊試件開裂位置均在焊趾處且處于熱影響區(qū)的粗晶區(qū).根據(jù)斷裂側(cè)試件所對應(yīng)的接頭區(qū)域金相照片在ImageJ中進(jìn)行測量獲取數(shù)據(jù)，圖14為T型接頭熱影響區(qū)寬度測量的過程，測量數(shù)據(jù)主要為焊趾處粗晶區(qū)承載面寬度.

測量結(jié)果如圖1 從表中可以看出熱輸入為10.26 kJ/cm時粗晶區(qū)寬度為475.83 μm，隨著熱輸入減小為8.25 kJ/cm，粗晶區(qū)寬度也呈現(xiàn)變小的趨勢，減小為329.53 μm.相比之下熱輸入較小的粗晶寬度下降31%，沖擊斷裂能量提升33%.由熱影響區(qū)寬度數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步證明，熱影響區(qū)幾何參數(shù)對T型落錘沖擊接頭整體力學(xué)性能作用較明顯.而導(dǎo)致熱影響區(qū)幾何參數(shù)差異性的主要因素為熱輸入.相比之下熱輸入越大熱影響區(qū)幾何參數(shù)所對應(yīng)的接頭性能越差.

3" 結(jié)論

（1） 8 mm T型接頭落錘沖擊臨界高度為510 mm.

（2） 由于承受落錘沖擊載荷時，8 mm T型接頭在臨界高度下，試件從熱影響區(qū)開裂，擴(kuò)展至母材發(fā)生斷裂，焊接接頭熱影響區(qū)域為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).

（3） 在8 mm T型接頭中，從能量角度分析得出，在T型接頭落錘沖擊中，熱輸入為10.26 kJ/cm時，斷裂能量為1 813.2 J；熱輸入為8.25 kJ/cm時沖擊斷裂能量為2 689.1 J，斷裂沖擊能量提升33%.

（4） 在當(dāng)前焊接參數(shù)選擇范圍內(nèi)，熱輸入越大接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)寬度越寬，抗沖擊性能越差.

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（責(zé)任編輯：顧琳）