EH40船板鋼的彎曲焊絲窄間隙MAG焊工藝研究

胡奉雅 韓嚴法 傅 博 付魁軍 蔣健博 劉芳芳

(海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009)

船用EH40高強鋼廣泛應用于船舶制造業。隨著海洋工程行業的飛速發展，大厚度鋼板的應用也日益增多。EH40鋼板采用傳統工藝焊接時，板越厚，坡口間隙就越大，這無疑會導致焊接工作量的成倍增加，耗材增多，焊接生產效率降低。此外，還將導致焊接接頭存在較大的殘余應力和殘余變形，力學性能惡化等缺陷。窄間隙熔化極活性氣體保護焊接(窄間隙MAG)技術可有效解決這些問題，并且適合平焊、橫焊等全位置焊接，這也是該方法受到廣泛關注的重要原因[1- 3]。

窄間隙MAG焊接技術是一種以活性氣體保護的大厚板熔化極電弧焊接技術，一般采用U型或I型坡口，擁有較小的焊縫截面積、較高的焊接效率以及填充金屬熔敷效率。彎曲焊絲法、雙絲法、麻花狀焊絲、旋轉電弧是目前國內外研究的窄間隙MAG方法，無需清渣，接頭質量良好。而且隨著板厚增加，采用該技術焊接時填充金屬量相較于普通焊接方法減少越多，焊接時間越短，焊接效率提高越顯著[4- 7]。但是，對于厚板、超厚板的窄間隙焊接，焊絲彎曲法是應用最廣泛焊接質量最穩定的技術。本文采用彎曲焊絲窄間隙MAG焊接設備對船用68 mm厚EH40鋼板進行了焊接，并研究了焊縫成形和接頭的組織和性能。

1 試驗方法與材料

圖1為彎曲焊絲窄間隙焊接工藝的原理示意圖，是利用變形裝置將焊絲彎成波浪狀、曲折狀，隨著焊絲熔化來實現電弧的擺動，電弧擺動可使靠近兩側板壁的區域燃燒，有利于側壁熔合，提高接頭性能。可通過改變焊絲的變形裝置，即改變擺動輪的擺動幅度，或改變成形齒輪尺寸來改變焊絲的彎曲程度，從而控制電弧的擺動范圍。可增加焊絲在側壁的停留時間，以加大側壁熔深。

圖1 彎曲焊絲窄間隙焊接工藝的原理圖Fig.1 Schematic diagram of the narrow gap welding with curved wire

1.1 準備工作

采用MG51- T氣保焊絲對鞍鋼生產的TMCP船用EH40鋼板進行窄間隙MAG平焊試驗，焊絲直徑為1.2 mm，鋼板和焊絲的化學成分列于表1。坡口設計如圖2所示，坡口根部間隙寬度為12 mm，頂部間隙17～18 mm，坡口根部焊接襯板。該坡口面積比正常V型坡口面積小很多，焊縫金屬的填充量僅為正常坡口的1/5，顯著降低了焊接成本，提高了焊接效率。焊前不預熱，在室溫下焊接。

表1 EH40鋼板和熔敷金屬的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the EH40 steel plate and the deposited metal(mass fraction) %

圖2 坡口設計圖Fig.2 Design of groove

1.2 焊接工藝

焊接第一道時，需配強光手電，并用壓縮空氣吹掃和對坡口兩側進行防風處理。填充焊道在平焊位置進行，共焊接14道次。具體的工藝參數如表2所示。

表2 窄間隙焊接工藝參數Table 2 Process parameters of the narrow gap welding

1.3 檢驗方法

首先對焊接試板進行超聲波探傷檢驗，然后觀察分析焊接接頭的宏觀組織和微觀組織。按照船級社規范對焊后鋼板進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度等力學性能檢驗。

2 結果分析

2.1 探傷檢驗

焊接試板超聲波探傷檢驗結果顯示，焊接接頭未出現未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。

2.2 組織分析

2.1.1 接頭宏觀組織

將焊接試板垂直于焊縫區切開，焊接接頭的宏觀斷面如圖3所示。可以看出，接頭無宏觀缺陷，側壁熔合良好。層與層之間也未出現未熔合、夾渣等缺陷。窄間隙MAG焊接方法焊接熱輸入小，焊接線能量低，焊接側壁熔深為1～2 mm，熱影響區寬度為2 mm。

2.1.2 接頭微觀組織

焊接接頭由焊縫、熔合區、熱影響區、母材4部分組成，熱影響區又包括粗晶區、細晶區和不完全重結晶區。在焊接過程中，因為焊接熱循環作用的不同，其焊縫組織也會有所不同，而且上一道焊縫也會受到下一道焊接時熱循環的作用，發生相應的組織改變[8]。接頭的顯微組織如圖4所示。

圖3 試板焊接接頭的宏觀斷面Fig.3 Macrosection of the welded joint of test plate

圖4 焊接接頭(a)焊縫、(b)熔合區、(c)粗晶區、(d)細晶區、(e)不完全重結晶區和(f)母材的顯微組織Fig.4 Microstructures of (a)weld zone,(b)fused area,(c)coarse grain region,(d)fine grain region,(e)partially recrystallized zone, and(f)base metal in the welded joint

圖4中，(a)為焊縫區，存在大量貝氏體和鐵素體；(b)為熔合區，可明顯看出熔合線位置；(c)為粗晶區，也叫過熱區，該區域因奧氏體晶粒嚴重長大，因此晶粒比較粗大；(d)為細晶區，該區域相當于進行了正火處理，故組織均勻細小；(e)為不完全重結晶區，該區域加熱溫度在Ac3與Ac1之間，部分奧氏體化，因此晶粒大小不均勻，力學性能也較差；(f)為EH40鋼板的顯微組織。

2.3 力學性能

2.3.1 拉伸性能

拉伸試驗主要是檢測焊接接頭的承載能力，一般檢驗抗拉強度和斷裂位置。考慮到試驗機的能力，焊接接頭分上下兩層取樣，取樣厚度為40 mm，覆蓋全板厚。

兩件拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫區域的母材部位，抗拉強度分別為547和538 MPa，滿足船規要求。這也表明整個焊接接頭強度高于母材，沒有出現明顯的軟化現象。

2.3.2 彎曲性能

彎曲試驗主要檢測焊接接頭的塑性。試樣厚度為10 mm，彎芯直徑為4倍試樣厚度即40 mm，彎曲角度為180°。檢驗結果均合格，在側壁處未發現未熔合現象，如圖5所示。

圖5 彎曲試驗試樣的宏觀形貌Fig.5 Appearance of the sample after bending test

2.3.3 沖擊性能

根據船規要求，在鋼板表面下2 mm處取沖擊試驗試樣，試樣缺口位置分別在焊縫中心、熔合線、焊接熱影響區和母材區，試驗結果如表3所示。因造船行業的實際焊接需求，檢驗了-20 ℃的沖擊性能，如表3所示。可以看出，熱影響區平均沖擊吸收能量與母材基本相同，這說明彎曲焊絲窄間隙MAG焊接方法并未使焊接接頭的熱影響區變脆。這是因為窄間隙焊接線能量較小，易于形成細小晶粒從而能確保其沖擊韌性。

表3 焊接接頭的 - 20 ℃沖擊韌性Table 3 Impact roughness of the welded joint at -20 ℃

2.3.4 硬度

檢測了包括母材、熱影響區和焊縫在內的整個焊接接頭的硬度。在單層焊道切線處，從焊縫中心至母材10 mm長的距離內測定硬度，測定點間隔0.7 mm，結果列于表4。表4數據表明，熱影響區的最高硬度均未超過350 HV5，說明未被淬硬。

表4 焊接接頭的硬度Table 4 Hardness of the welded joint

3 結論

(1)彎曲焊絲窄間隙MAG焊接方法適用于68 mm厚船用EH40鋼板的焊接，其焊接接頭未出現未熔合、夾渣等焊接缺陷，力學性能符合船規標準，這說明該方法可用于海洋工程用高強鋼的焊接。

(2)采用彎曲焊絲窄間隙MAG焊接工藝焊接的接頭，熱影響區窄，未出現強度、韌性弱化區，可解決焊接接頭熱影響區變脆的問題。

(3)彎曲焊絲窄間隙MAG焊接方法適用于厚板和超厚板的焊接，可有效提高焊接效率，降低焊接成本。