纜式實心焊絲氣保焊熔敷特性與工藝性能研究

賈晨程 趙德龍 周弋琳 包 孔 杜 渝

1上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

2上海海工裝備智能焊接制造工程技術研究中心 上海 200125

0 引言

隨著起重機、海洋工程和鋼結構制造企業的發展，對于厚板高效化、自動化和低成本焊接方法提出了迫切需求。傳統厚板填充焊接方法通常采用埋弧自動焊和熔化極氣體保護焊。埋弧自動焊難以實現全位置焊接，熔化極氣體保護焊生產效率相對較低。窄間隙焊接是一種適用于厚板結構的新焊接方法，具有焊縫填充量少、生產效率高和易于實現自動化焊接等優勢，但窄間隙焊接容易出現焊縫金屬與坡口側壁母材熔合不良的問題。

近年來，國內研制了一種多股復合焊絲，也稱纜式焊絲，這種新型焊接材料與傳統焊接材料相比，在焊絲結構、制作工藝、電弧形態和熔滴過渡等方面均不同。圖1、圖2[1]分別為多股復合焊絲結構設計示例和多股焊絲組合示意圖。以1×7的多股焊絲為例，其中一根焊絲位于正中心，稱為中心絲，其余6根焊絲圍繞中心絲絞合，稱為外圍絲，一般中心絲比外圍絲直徑大。組成多股復合焊絲的中心絲與外圍絲類型或相同或不同。張正棟[2]通過改進焊材的方式將纜式焊絲應用于窄間隙焊接中，研究表明纜式焊絲窄間隙焊接接頭成形優良，側壁熔深大，相比同直徑的實心單絲更高效節能。楊志東[3]研究纜式焊絲氣保焊電弧旋轉與熔滴過渡行為，發現電弧旋轉對熔池具有攪拌作用，不僅起到細化晶粒的作用，提高焊接接頭的強度和沖擊韌性，還促使焊縫金屬與母材坡口側壁熔合良好。可見，纜式焊絲是一種優質、高效和節能的焊接材料，且能解決厚板窄間隙焊接焊縫金屬與坡口側壁母材熔合不良的問題。

圖1 多股焊絲結構設計示例

圖2 多股焊絲組合示意圖

本文主要針對一種直徑為1.6 mm的纜式實心焊絲，分別進行熔敷金屬試驗、對接焊試驗和焊縫成形對比試驗，研究纜式實心焊絲熔敷特性與工藝性能特點。

1 試驗材料

試驗母材選用低合金高強度結構鋼ASTM A709-50-2，化學成分和力學性能如表1、表2所示，熔敷金屬試驗試板規格為20 mm×200 mm×400 mm，鋼襯墊規格為10 mm×50 mm×500 mm，工藝評定試驗試板規格為20 mm×200 mm×600 mm。

表1 A709-50-2低合金高強度結構鋼的化學成分 %

表2 A709-50-2低合金高強度結構鋼力學性能

試驗焊材選用碳鋼無鍍銅多股復合焊絲，牌號TPWER70S-6，直徑為1.6 mm，適用標準為GB/T 8110—2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》[4]，焊材型號為ER50-6。焊絲的化學成分和力學性能分別如表3、表4所示。此纜式實心焊絲由3根細絲絞合制成。

表3 焊接材料化學成分 wt%

表4 焊接材料力學性能

2 試驗方法

試驗采用的焊接方法為自動化焊接小車+熔化極氣體保護焊，保護氣體為混合氣80% Ar+20% CO2。按照GB/T 8110—2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》要求進行焊接材料熔敷金屬力學性能試件制備、檢測和分析，熔敷金屬力學性能試件坡口形式如圖3所示。其中，坡口角度α＝45°，根部間隙δ＝13 mm。按照AWS D1.1M—2015《美國鋼結構焊接規范》[5]要求進行平位置對接焊工藝評定試驗試件制備、檢測和分析，工藝評定試件坡口形式如圖4所示，坡口角度α＝60°，根部間隙R＝0～1 mm，鈍邊尺寸f＝1～2 mm。焊前對坡口附近30～50 mm區域打磨去除鐵銹、毛刺和油污等。試板焊前裝配時需施加反變形或拘束，采用碳弧氣刨清根并用角磨機打磨刨槽，刨槽寬度12～14 mm深度6～8 mm。焊接試驗工藝參數如表5所示。

圖3 熔敷金屬試驗坡口形式

圖4 對接焊試驗坡口形式

表5 焊接工藝試驗參數

3 試驗結果與分析

3.1 電弧行為

如圖5所示，纜式焊絲電弧上下截面尺寸相差較小，近似為束狀形態，有收縮的趨勢。方臣富等[6]研究發現，與鐘罩狀電弧相比，束狀電弧散熱面積小，熱對流損失少，弧柱內熱量不易散失，熱流密度分布更集中，對伸出導電嘴的焊絲具有更好的預熱作用，提高了電弧的穩定性和焊絲熔化速度。在焊接過程中，組成纜式焊絲的3根細絲螺旋式送進，使焊接電弧具有自旋轉的特征。由于電弧在焊接過程中具有旋轉的特征，熔滴在下落過渡到熔池的過程中也會保持一定的旋轉速度，促進了熔滴過渡，有利于焊縫成形。同時，減少熔滴在焊絲端部停留時間，從而減小熔滴過熱。焊接過程中觀察到熔池呈現漩渦狀，說明旋轉電弧對熔池有攪拌作用，有利于焊接過程中熔池內氣體的逸出和液態金屬向坡口兩側鋪展，有助于焊縫金屬與坡口側壁母材熔合。

圖5 纜式實心焊混合氣體保護焊電弧與熔池形態

3.2 熔敷金屬試驗

試件焊接結束后對焊縫進行外觀檢查，焊縫成形良好，如圖6所示。焊接接頭截面宏觀腐蝕形貌如圖7所示，焊層與焊道清晰，焊接接頭各區域未發現焊接缺陷，焊縫金屬與坡口側壁的母材熔合良好。

圖6 焊縫外觀形貌

圖7 焊縫截面宏觀腐蝕形貌

按照標準GB/T 2652－2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》[7]和GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》[8]要求，分別進行拉伸試驗和沖擊試驗。試驗結果如表6所示，各項力學性能測試都達到標準要求。-40℃低溫條件下，其中一個試樣沖擊吸收功為30 J，明顯低于同組其余兩個試樣，可能是由焊縫內部存在微觀缺陷所致。

表6 焊材熔敷金屬力學性能

3.3 焊接工藝評定試驗

1）焊縫成形與無損檢測

焊接工藝評定試板焊接結束48 h后，按照AWS D1.1/D1.1M－2020《鋼結構焊接規范》[9]要求對焊接接頭進行超聲波探傷和射線探傷檢測，檢測結果顯示焊縫未見內部缺陷。經4%硝酸酒精溶液腐蝕得到焊接接頭宏觀金相如圖8所示，焊接接頭各區域熔合良好。

圖8 焊接接頭宏觀金相

2）焊接接頭力學性能

參照標準AWS D1.1/1.1M－2020《鋼結構焊接規范》對焊接接頭進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度試驗等力學性能檢測。焊接接頭橫向拉伸試驗結果如表7所示，焊接接頭抗拉強度平均值為556 MPa，符合焊接接頭橫向拉伸大于490 MPa的要求。通常斷裂發生在塑性變形大而強度較低的地方，橫向拉伸結果顯示斷裂在母材上，說明焊接接頭抗拉強度大于母材。

表7 焊接接頭橫向拉伸試驗結果

側向彎曲試驗采用60.3 mm壓頭彎曲180°，試驗結果顯示焊縫無缺陷，焊接接頭具有良好的塑性。

在-30℃和-40℃低溫環境條件下通過夏比V形缺口沖擊試驗分別測試焊接接頭的焊縫中心、熔合線+1 mm和熔合線+5 mm等3個區域的沖擊吸收功。沖擊試驗結果如表8所示，隨著沖擊試驗溫度下降，焊接接頭各區域沖擊吸收功均減小。焊縫熱影響區沖擊吸收功最低，是整個焊接接頭沖擊力學性能最薄弱的區域。

表8 焊材熔敷金屬力學性能

3）焊接接頭硬度試驗

采用維氏硬度測試方法對焊接接頭各區域進行宏觀硬度試驗。在試樣近焊縫表面和近焊縫根部各取11個硬度測試點，硬度測試點位置示意圖如圖9所示。

圖9 硬度測試點位置示意圖

試驗結果表明各區域的硬度值均滿足最大允許硬度350 HV的要求。根據硬度試驗結果繪制焊接接頭的硬度分布曲線如圖10所示，由圖可知熱影響區靠近焊縫側是整個焊接接頭硬度最高的區域，達到274 HV；母材是最低的，最小值為177 HV。熱影響區的硬度明顯高于母材，最大相差97 HV，焊接接頭出現熱影響區硬化現象。結合焊接接頭沖擊力學性能試驗結果分析，熱影響區硬度最高，沖擊吸收功最低，是整個焊接接頭最薄弱的區域。其原因是在熔合線附近的過熱區溫度較高（1 300℃～1 350℃），晶粒發生嚴重長大導致的[10]。

圖10 焊接接頭硬度分布曲線

3.4 焊縫形狀尺寸對比試驗

針對直徑均為1.6 mm的纜式實心焊絲和普通實心焊絲，采用單道堆焊的方法對比焊縫形狀和尺寸等方面的差異。共設置3組試驗，除焊接電流和電壓外，其余參數保持一致，如焊接速度、焊槍角度和干伸長等，焊接工藝試驗參數如表9所示。

表9 焊接工藝試驗參數

焊接試驗結束后，截取焊縫宏觀金相試樣，使用4%硝酸酒精溶液對焊縫截面進行腐蝕，通過金相顯微鏡觀察和記錄焊縫截面形貌。纜式焊絲與實心焊絲焊縫截面形貌對比如圖11所示。

圖11 纜式焊絲（左）與實心焊絲（右）焊縫截面形貌對比

焊縫尺寸測量與統計如表10所示。在相同的焊絲直徑和焊接工藝參數條件下，纜式實心焊絲相較普通實心焊絲具有更大的熔深，焊接電流為400 A時，纜式焊絲焊縫熔深達到8.45 mm，主要與纜式焊絲電弧熱流密度分布更集中有關，但焊縫余高相對較大，焊縫與母材之間過渡不平滑。纜式實心焊絲相較普通實心焊絲焊縫截面積更大，說明其熔敷效率更高。纜式實心焊絲焊縫截面形貌類似蘑菇形，與激光電弧復合焊焊縫形貌類似。

表10 焊縫尺寸測量與統計 mm

4 總結

1）纜式實心焊絲混合氣體保護焊電弧形態近似為束狀，電弧具有自旋轉特征。熔池呈漩渦狀，說明電弧對熔池具有攪拌作用，有利于熔池內部氣體逸出和液態金屬向坡口兩側鋪展，有助于焊縫金屬與坡口側壁母材熔合。

2）纜式實心焊絲熔敷金屬試驗結果表明其焊縫成形較好，表面幾乎無飛濺。焊縫熔敷金屬拉伸和沖擊力學性能符合標準要求。

3）纜式實心焊絲焊接工藝評定試驗結果表明焊縫成形良好，焊接接頭各項力學性能均達到使用要求。焊接接頭中焊縫熱影響區硬度最高，沖擊吸收功最低，是整個焊接接頭最薄弱的區域。

4）纜式實心焊絲相較普通實心焊絲具有焊縫熔深大、熔敷效率高的優勢，但是焊縫余高相對較大，焊縫與母材過渡不平滑。纜式焊絲焊縫截面形貌類似蘑菇，與激光電弧復合焊焊縫截面形貌類似。

目前纜式焊絲主要應用于鋼結構制造、海洋工程、石油工程、船舶重工和工程機械等領域，在港口機械制造中尚未見使用。試驗結果顯示纜式實心焊絲相較普通實心焊絲具有熔深大的特點，故后續可將纜式實心焊絲應用于港口機械箱形梁I形坡口拼板不清根全熔透焊接工藝技術研究。