10CrNi3MoV高強鋼雙面雙弧GMAW工藝

賀進巍， 丁巧銀， 劉海斌

(江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913)

10CrNi3MoV高強鋼雙面雙弧GMAW工藝

賀進巍， 丁巧銀， 劉海斌

(江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913)

為推廣10CrNi3MoV鋼高效自動焊技術，對 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW(Gas Metal Arc Welding)工藝展開研究，對10 mm厚的10CrNi3MoV鋼板進行橫、立位置雙面雙弧GMAW試驗，獲得質量可靠的焊接接頭，掌握了10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW操作要點，并確定其焊接參數。試驗結果為實船建造制定焊接工藝提供參考。

10CrNi3MoV鋼；雙面雙弧；GMAW；接頭性能

0 引言

10CrNi3MoV鋼作為主船體用鋼，具有較高的強度、良好的韌性和耐海水腐蝕的能力。但是，焊接后其熱影響區存在軟化、脆化和冷裂紋傾向。目前，10CrNi3MoV鋼在實際生產中，以埋弧自動焊和焊條電弧焊為主，輔以少量氣體保護焊焊接。對接焊縫在設計和施工上一般采用Y型坡口，施焊過程嚴格按照下列順序執行：焊前預熱、焊縫正面坡口焊接、焊縫背面扣槽清根、背面坡口打磨、焊件預熱、背面焊縫焊接。由于工序多，因此容易產生未焊透、裂紋等焊接缺陷，焊后焊縫殘余應力大，結構易變形。在現有產品焊接時，焊工勞動強度大，焊件反復加熱，產品質量穩定性控制難以保證。雙面雙弧GMAW采用焊縫坡口正反兩面同時焊接的方法，簡化了焊接施工工藝，與傳統焊接方法相比，具有如下優點：(1) 焊接效率高,能耗少，免去反面碳弧氣刨清根、預熱打磨等工序，并節約相應的能耗；(2) 焊后殘余應力和變形小；(3) 可改善焊縫組織，降低接頭的淬硬傾向，穩定焊接質量；(4) 有利于自動焊技術的推廣應用。

1 工藝分析

10CrNi3MoV鋼為低碳調質鋼，通過調質熱處理獲得強化。影響冷裂紋和熱影響區脆化產生的關鍵因素是10CrNi3MoV鋼焊接時冷卻速度的控制，冷卻速度主要受到預熱及焊件散熱條件的影響。預熱溫度80℃～120℃，且不宜采用過大熱輸入，通常采用多層多道焊的方法焊接。層間溫度對于后道焊道而言相當于預熱溫度，對上一道焊道而言相當于后熱溫度，一般不大于150℃。層間溫度控制過高，會使接頭抗拉強度降低，產生軟化。

10CrNi3MoV鋼采用雙面雙弧焊接，坡口型式和接頭裝配精度是主要工藝影響因素，通過多次試焊和坡口改進優化，最終確定雙面對稱的X型坡口，如圖1所示。同時，根據不同焊接位置留出足夠坡口根部間隙，消除焊縫橫向收縮余量過大對根部焊道成形的影響。雙面雙弧GMAW其兩個電弧同時作用在焊縫正反兩面，在焊接過程中，溫度場呈雙峰結構，雙面熱源往復加熱，前電弧對后焊道有預熱作用，可降低焊接殘余應力，而后電弧對前焊道有后熱作用，可適當降低焊縫冷卻速度，有效防止冷裂紋，還可減輕熱影響區脆化傾向。

圖1 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW坡口

結合10CrNi3MoV鋼自身的焊接特性，經過大量試焊和工藝改進，初步形成了雙面雙弧GMAW的基本工藝要點。

(1) 控制兩個電弧適當間距。電弧間距太近，兩者相互作用過大，易使焊縫過熱，降低焊縫韌性，并且會出現焊穿、咬口、焊瘤、熔池下淌等現象。電弧間距太遠，首道焊縫背面根部金屬處于完全凝固狀態，不利于焊縫重熔，將直接導致氣孔、未熔合等焊接缺陷產生。

(2) 合適的裝配間隙。橫向位置試板裝配間隙為1～2 mm，立焊位置試板裝配間隙為3～4 mm最為合適。若裝配間隙過大，焊縫易焊穿，而且會增加熱輸入，降低接頭性能；過小的裝配間隙則不利于根部焊縫金屬從背面透出，容易產生未熔合。

(3) 降低總熱輸入，合理分配兩個電弧的電弧功率和焊接參數。雙面雙弧GMAW采用后電弧比前電弧略低的電弧功率時可減小應力的積累疊加，在熱輸入總量不變和較小的弧間距下可減少焊接應力和角變形。此外，背面后電弧采用小于正面前電弧的焊接參數，可有效控制后弧側焊縫的余高，特別是立焊位置的表面成形效果改善尤為明顯。

2 工藝試驗

以10 mm板厚的10CrNi3MoV鋼為試驗對象，在大量試板焊接的基礎上，經焊縫無損探傷、理化性能測試等手段摸索出合理的焊接規范，并通過完整工藝試驗進行了驗證。

2.1 試驗材料

該試驗使用的10CrNi3MoV鋼的化學成分見表1，機械性能見表2。試驗選用Φ=1.2 mm的焊絲，其化學成分見表3，機械性能見表4。保護氣體采用80%Ar+20%CO2混合氣。

表1 10CrNi3MoV鋼化學成分 %

表2 10CrNi3MoV鋼機械性能

表3 焊絲化學成分 %

表4 焊絲機械性能

2.2 焊接試驗

試驗采用奧地利Fronius公司生產的TIME 5000 Digital全數字化焊機。

10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW橫、立位置對接焊工藝試驗如圖2所示。選用10 mm厚度板材，其中橫對接采用自動焊，立對接采用半自動焊，焊縫坡口型式按圖1所示，焊接參數見表5。焊接過程中，兩側電弧十分穩定，焊縫與母材圓滑過渡，焊縫表面成形美觀，如圖3所示。

圖2 雙面雙弧GMAW試驗現場照片

圖3 雙面雙弧GMAW焊縫表面成形照片

表5 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW參數

2.3 焊接接頭力學性能及金相檢驗結果

依據船體規范有關檢驗標準[1]對工藝試板的焊接接頭進行了拉伸、冷彎、沖擊等常規力學性能測試和金相檢驗，力學性能測試結果如表6所示，宏觀金相檢測照片如圖4所示，硬度測試軌跡如圖5所示，硬度測試結果如表7所示，其硬度最大值HV335，遠低于規范限定的HV410。

表6 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW試板力學性能

圖4 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW接頭部分斷面腐蝕照片

圖5 10CrNi3MoV鋼雙面雙弧GMAW硬度測試圖

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表7 10CrNi3MoV鋼硬度測試值 HV3

從表7可以看出，所有接頭的力學性能和金相檢驗結果均能滿足規范設計要求。S1與S2相比，在沖擊韌性方面有較大下降[2]。這是由于S1在焊接過程中兩側焊槍前后電弧間距較近，焊縫熱輸入增大，降低了焊縫韌性。同理，L2試板由于增大兩電弧間距，沖擊韌性較L1明顯提高。焊接接頭的最高硬度在熱影響區，與傳統單弧焊接工藝相比,其硬度值明顯下降。主要原因是由于雙面雙弧GMAW的溫度場呈雙峰結構，雙面熱源循環加熱，相互熱作用減緩了焊縫冷卻速度，從而降低了硬度值。

3 結論

(1) 雙面雙弧GMAW適用于 10CrNi3MoV鋼的焊接，可以保證其接頭性能指標符合設計規范要求。

(2) 焊槍電弧間距直接影響焊縫成型和接頭性能，10CrNi3MoV鋼雙面雙弧橫焊時相距10～40 mm，立焊時相距40～60 mm較為適宜。

(3) 與傳統的10CrNi3MoV鋼焊接工藝相比，雙面雙弧GMAW可以有效改善焊縫組織，降低焊縫的冷裂和淬硬傾向。

(4) 雙面雙弧GMAW免去了焊縫碳刨清根、坡口打磨及中間預熱工序，簡化了施焊工序，提高了焊接效率。

[1] 國家科工委軍標出版發行部.船體規范：GJB64.1A-1997[S].1997.

[2] 陳伯蠡.焊接冶金原理[M].北京：清華大學出版社， 1991.

Both Sides Double Arc GMAW Technology for 10CrNi3MoV High Strength Steel

HE Jinwei, DING Qiaoyin, LIU Haibin

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

A new both sides double arc GMAW technology for 10CrNi3MoV steel is introduced. From welding experiments of 10 mm 10CrNi3MoV steel in horizontal and vertical welding positions, qualified joints, welding parameters and operating key points are achieved.

10CrNi3MoV steel; both sides double arcing; GMAW; welding joint performance

國防科工局基礎科研項目(JCKY2013206B001)。

賀進巍(1986-)，男，焊接工程師，研究方向為低合金高強鋼、鈦合金高效自動化焊接。

U671

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