自動(dòng)小車多層多道熔敷金屬試驗(yàn)及分析

吳磊磊，馬金軍，江澤新，曾志斌

廣船國(guó)際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

碳素鋼藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊在國(guó)內(nèi)船廠已得到了普遍應(yīng)用。由于制造工藝特點(diǎn)，藥芯焊絲在性能上會(huì)存在不穩(wěn)定的情況，因此船廠一般都會(huì)對(duì)焊絲進(jìn)行入廠熔敷金屬?gòu)?fù)驗(yàn)。各焊接材料標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范都會(huì)對(duì)熔敷金屬試驗(yàn)的方法進(jìn)行界定，但在細(xì)節(jié)上有所區(qū)別，如焊接層道數(shù)，按GB/T 10045—2018《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼藥芯焊絲》要求φ1.2mm焊絲為6～9層，中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》要求為4～6層。不同的層道數(shù)會(huì)引起每種試驗(yàn)方法的熱輸入量有差別，這種差別會(huì)導(dǎo)致得到不同的力學(xué)性能，如彭麗紅等[1]研究了焊接熱輸入對(duì)E501T1型藥芯焊絲熔敷金屬性能的影響。以上表明，隨著熱輸入量增加，強(qiáng)度和沖擊韌度都發(fā)生不同程度下降；郭棲利等[2]對(duì)核電用碳素鋼藥芯焊絲CHT711MHR2的熔敷金屬?zèng)_擊性能進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在15kJ/cm熱輸入量情況下，沖擊性能最佳。為了對(duì)熔敷金屬試驗(yàn)的層道數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)性了解，本文對(duì)3種品牌焊絲進(jìn)行了不同層道數(shù)試驗(yàn)，形成了有效的性能數(shù)據(jù)規(guī)律，可供船廠和藥芯焊絲制造廠參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

選取目前市場(chǎng)上在船舶行業(yè)使用穩(wěn)定的3種等級(jí)為G B/T 10045—2018的E501T-1焊絲進(jìn)行試驗(yàn)。試板選用船用高強(qiáng)鋼A H36，試板尺寸為400mm×125mm×20mm。

表1 選用的藥芯焊絲說(shuō)明

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》進(jìn)行熔敷金屬試驗(yàn)。采用唐山松下YD-500EL1焊機(jī)，使用高創(chuàng)HTI-10M自動(dòng)小車，可以依據(jù)焊道情況進(jìn)行擺動(dòng)。試板根部為鋼襯墊，設(shè)置反變形，具體裝配形式如圖1所示。每種焊絲進(jìn)行3次焊接試驗(yàn)，分別為焊接5層10道、7層14道、9層18道，具體焊道布置如圖2所示，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。每焊完一道，清渣后將試板置于靜止的空氣中，待焊縫冷卻至（150±15）℃（溫度在距坡口邊緣25mm處的鋼板上測(cè)量）時(shí)，再焊接下一道。

表2 焊接參數(shù)

圖1 試板裝配形式

圖2 焊道布置

2.3 理化試驗(yàn)取樣要求

針對(duì)熔敷金屬區(qū)域取縱向圓棒拉伸試樣一個(gè)、沖擊試樣一組3個(gè)，試樣中心位于焊縫厚度及寬度中心線相交處。拉伸和沖擊試驗(yàn)分別執(zhí)行GB/T 2652—2008和GB/T 2650—2008標(biāo)準(zhǔn)，拉伸設(shè)備電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為WA-1000B，沖擊設(shè)備為金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為ZBC 2302-3。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸性能

對(duì)9組試驗(yàn)的焊縫取焊縫中心圓棒拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率以及強(qiáng)屈比與層道數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著層道數(shù)增多，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了一定程度上升的情況，斷后伸長(zhǎng)率和強(qiáng)屈比呈下降趨勢(shì)。將每種焊材5層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度各自作為基準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)每種焊材的5、7、9層以上抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的提升比例不同，抗拉強(qiáng)度的上升比例較小，屈服強(qiáng)度的上升比例較大，從而導(dǎo)致了強(qiáng)屈比的數(shù)值出現(xiàn)了下降的情況。

圖3 拉伸性能與層道數(shù)相應(yīng)變化關(guān)系

表3 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 沖擊性能

對(duì)3種焊材9組試驗(yàn)的熔敷金屬中心進(jìn)行－20℃的低溫沖擊性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4，沖擊吸收能量平均值與層道數(shù)的相應(yīng)變化關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果顯示，3種焊材均呈現(xiàn)出隨著層道數(shù)增加，沖擊吸收能量值有所提升的情況，其中H和G焊材變化明顯，T焊材增加幅度較小。值得關(guān)注的是，不同層道數(shù)對(duì)于沖擊值離散系數(shù)的影響，H和G焊材的5層焊道離散系數(shù)超過(guò)1，遠(yuǎn)高于7層和9層焊道，且表4中H和G焊材分別出現(xiàn)了27J、29J的最低值，已經(jīng)不滿足70%標(biāo)準(zhǔn)值（47J）的要求，按規(guī)定還需要重新復(fù)試。

圖4 沖擊吸收能量與層道數(shù)對(duì)應(yīng)變化關(guān)系

表4 －20℃熔敷金屬焊縫中心沖擊性能對(duì)比

3.3 微觀組織分析

采用線切割方法截取H焊材熔敷金屬橫截面，打磨拋光處理后，經(jīng)4%硝酸酒精溶液將其腐蝕后，在Ziss光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，其中未受熱影響焊道組織如圖5所示。由圖5可知，多層焊道焊縫顯微組織均由先共析鐵素體、晶內(nèi)針狀鐵素體、塊狀鐵素體組成，其中5層焊縫中心先共析鐵素體呈片狀，其晶粒較為粗大；7層焊縫中心先共析鐵素體由片狀分解成塊狀，晶粒較5層焊縫中心組織晶粒更細(xì)；9層焊縫中心先共析鐵素體呈塊狀，但其鐵素體分布較為均勻，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，針狀鐵素體含量增多，保證了其綜合性能更為優(yōu)良。

圖5 H焊材熔敷金屬的微觀組織

4 分析與討論

隨著層道數(shù)增多，每道熱輸入量降低，每層焊道厚度減小，后層焊縫對(duì)前層焊縫具有的正火處理作用更加頻繁，不僅細(xì)化了前一道焊縫組織的晶粒，同時(shí)也減少了原始焊縫組織的存有量，有利于提高沖擊性能。同時(shí)焊縫金屬中被后續(xù)道次加熱的峰值溫度隨距離的增加而降低，熱影響區(qū)中形成的組織由粗大晶粒向細(xì)小晶粒發(fā)生規(guī)律性變化[3]。相對(duì)于低合金鋼、高強(qiáng)度鋼針狀鐵素體而言，先共析鐵素對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗力差，其數(shù)量及形態(tài)均會(huì)影響焊縫金屬的韌性。當(dāng)焊縫中針狀鐵素體AF含量較多、尺寸較細(xì)，而其他形態(tài)的鐵素體所占比例較小時(shí)，焊縫的強(qiáng)度較低，但韌性良好。

3種層道數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率方面都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有一定的富余量，而沖擊性能受到層道數(shù)的影響較大，當(dāng)焊接層道數(shù)減少到5層10道時(shí)，沖擊值離散度大，單個(gè)最低值會(huì)存在不合格的情況，且不同品牌藥芯焊絲對(duì)于層道數(shù)的敏感程度也不同。強(qiáng)屈比并非焊材的驗(yàn)收指標(biāo)，但受到抗震鋼、管線鋼等部分材料的強(qiáng)屈比要求的影響，一度在船舶企業(yè)焊絲來(lái)貨驗(yàn)收中得到推廣應(yīng)用。從本次試驗(yàn)看，強(qiáng)屈比與伸長(zhǎng)率存在正向?qū)?yīng)關(guān)系，但與沖擊值存在反向關(guān)系，即可以通過(guò)減少層道數(shù)來(lái)提高強(qiáng)屈比。但層道數(shù)減少，必然引起大電流及大熱輸入量方式的應(yīng)用，所產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題更多。

船舶制造企業(yè)可以根據(jù)自己的產(chǎn)品特點(diǎn)及施工要求選擇合適的焊材復(fù)驗(yàn)方法?？傮w上應(yīng)以WPS所界定的最高值作為參考，選擇較少的層道數(shù)作為熔敷金屬檢測(cè)方式，既可以容許現(xiàn)場(chǎng)施工減少層道數(shù)，提高焊接效率，又能最大程度地保證焊接質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）在5～9層范圍內(nèi)的多層多道焊，隨著層道數(shù)增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均會(huì)提升，但抗拉強(qiáng)度的提升比例較屈服強(qiáng)度低，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)屈比下降，同時(shí)伸長(zhǎng)率逐漸降低。

2）沖擊值隨著層道數(shù)的減少而降低，且當(dāng)降低到5層10道時(shí)，沖擊平均值雖然可以滿足要求，但離散系數(shù)高，出現(xiàn)不符合要求的最低單個(gè)值，且不同品牌焊絲受層道數(shù)的影響程度不同。

3）船廠應(yīng)選擇合適的焊材復(fù)驗(yàn)方式，既能提高現(xiàn)場(chǎng)焊接施工效率，又能最大程度地保證焊接質(zhì)量。