不同襯墊下雙絲氣電立焊的微觀組織與性能分析

陳華 溫濤 江澤新 王浩 陳慶城

摘? ? 要：通過采用60mm厚的大線能量鋼板E40-W600進行雙絲氣電立焊試驗，焊接過程采用陶瓷襯墊和水冷銅襯墊兩種襯墊方式，分析兩者在焊接接頭、力學性能及微觀組織之間的區別。結果表明：采用水冷銅襯墊進行雙絲氣電立焊，其焊接接頭背面成型的寬度和余高比陶瓷襯墊的偏小；通過對兩種襯墊下焊接接頭根部微觀組織的分析，水冷銅襯墊下的焊接接頭FL+2mm處為相互交織的針狀鐵素體和少量鐵素體束間碳化物、塊狀鐵素體組成，針狀鐵素體的面積達到90%，塊狀鐵素體的尺寸為20-40μm；陶瓷襯墊下的焊接接頭根部FL+2mm處，由粗大的鐵素體和少量細小珠光體組成，晶粒尺寸30μm以上的面積超過40%；兩種襯墊下抗拉強度和彎曲性能相近，但根部的沖擊性能水冷銅襯墊的焊接接頭明顯優于陶瓷襯墊的焊接接頭。通過以上試驗及分析，豐富了雙絲氣電立焊的焊接工藝，為雙絲氣電立焊工藝及配套鋼板、焊材的研究及在后續船舶、鋼結構的推廣應用，提供了數據參考。

關鍵詞：大線能量；雙絲氣電立焊；水冷銅襯墊；大厚板

中圖分類號：U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Microstructures and Performance Analysis of Tandem Gas Metal Arc Welding and Weld Joints at Different Backings

CHEN Hua，? WEN Tao，? Jiang Zexin，? WANG Hao，? CHEN Qingcheng

（ Guangzhou Shipyard International Co.， Ltd.，? ?Guangzhou 511462 ）

Abstract： In this article， tandem gas metal arc welding experiments were conducted by using 60mm thick high-energy steel plate E40-W600. Two different methods of using ceramic backing and water-cooled copper backing were employed during the welding process. The objective was to analyze the differences in weld joints， mechanical properties， and microstructure between the two backing methods. The results indicated that the width and reinforcement of the back of the welded joint formed by using double wire gas electric vertical welding at water-cooled copper backing are smaller than those under the ceramic backing. Microstructural analysis of the root weld joint revealed that under the water-cooled copper backing， the weld joint at FL+2mm exhibited intertwined acicular ferrite， a small amount of ferrite interbeam carbides， and blocky ferrite. The percentage of acicular ferrite area reached 90%， and the size of blocky ferrite ranged from 20～40μm. On the other hand， under the ceramic backing， the weld joint root at FL+2mm consisted of coarse ferrite and a small amount of fine pearlite， with over 40% of the area having grain sizes exceeding 30μm. The two backing methods showed similar tensile strength and bending properties， but the impact toughness of the weld joint with water-cooled copper backing was significantly superior to that of the weld joint with ceramic backing. Through these experiments and analysis， the welding process of tandem gas metal arc welding has been enriched， providing valuable data for further research and application of the process， as well as the promotion of suitable steel plates and welding materials in shipbuilding and steel structures in the future.

Key words： high wire energy; tandem gas metal arc welding; water-cooled copper backing; thick plate

1? ? ?前言

在集裝箱船的設計及建造過程中，抗扭箱分段存在厚板的焊接，其中在外板舷頂列板和內殼頂板采用了60 mm厚EH40的高強度鋼結構，且抗扭箱在總組及搭載過程中均采用了正組方式，因此存在大量的60 mm厚板立對接焊縫，焊接工作量較大。

常規的立對接焊工藝一般有兩種：一種是采用CO2手工半自動焊（FCAW）進行多層多道焊焊接，焊接效率低且焊接質量不好控制；另一種是采用高效的自動化單絲垂直氣電焊，此工藝一般只能焊接45 mm以下的板材，進行45 mm以上板材的焊接易出現背面未焊透的情況。在最新的立對接焊接工藝中，采用雙絲垂直氣電焊進行焊接，可進行45～85 mm厚板的焊接，實現一道焊接完成，焊接效率高且質量容易保證，但焊接熱輸入量比較大，通常會達到300 kJ/cm以上，焊接接頭的沖擊韌性隨著線能量的增大而急劇降低，特別是根部FL+2位置難于滿足規范的39 J的要求。對此，采用了陶瓷襯墊和水冷銅襯墊進行雙絲垂直氣電焊的焊接試驗，分析對比兩者在焊接性及焊接接頭力學性能方面的數據，為厚板雙絲氣電立焊的工藝研究及應用提供數據參考。

2? ? 試驗材料及方法

2.1? ?試驗材料

試驗鋼板選用厚度為60 mm的大線能量鋼板E40-W600，交貨狀態為TMCP，其顯微組織為鐵素體+珠光體，化學成分見表1，力學性能測試結果見表2，滿足船級社規范對E40高強鋼的要求。

2.2? ?試驗方法

采用60 mm的大線能量鋼板E40-W600，規格為230 mmx500 mm，安裝兩對試板，接頭開設V型坡口，坡口角度為20°，間隙8 mm左右，如圖1所示。

焊接材料采用神戶制鋼的雙絲氣電立焊焊絲DW-S50GTF（前絲）、DW-S50GTR（后絲）；襯墊采用兩種；一種為與焊絲相配套的陶瓷襯墊KL-4，一種為水冷銅襯墊（紫銅）；保護氣體采用純度大于99.5%的CO2氣體。焊絲的化學成分見表3，力學性能見表4。

兩根焊絲的干伸長控制在25～35 mm（以30 mm為準），焊槍角度控制在8～12°（以10°為準），后絲離根部的間隙控制在20～30 mm左右，兩根焊絲之間的距離控制15～20 mm左右，前絲擺動寬度控制在15～20 mm，見圖2所示。

兩對試板坡口背面，分別貼上陶瓷襯墊KL-4和水冷銅襯墊，采用相近的焊接參數（見表5）進行焊接，實現一道焊雙面成型。

焊接和無損檢測完成后，檢測母材的力學性能。焊接接頭試樣經10%硝酸酒精浸蝕、磨制、拋光后，用Zeiss光學顯微鏡觀察顯微組織。

3? ? ?試驗結果與分析

3.1? ? 理化試驗

（1）拉伸、彎曲試驗

對兩塊試板參照國家標準進行拉伸、沖擊、彎曲試驗：拉伸試驗為對焊接接頭進行橫向拉伸；彎曲試驗為對焊接接頭進行側向彎曲，試樣厚度為10 mm、彎頭直徑為4 t。相應的拉伸、彎曲試驗結果見表6。通過對試樣結果的分析，兩種不同的襯墊進行雙絲氣電立焊，對焊接性能影響不大，均滿足規范的要求。

（2）沖擊試驗

沖擊試驗主要進行溫度-40 ℃的沖擊，沖擊位置為母材正反面表面下2 mm和中間板厚t/2位置。同時為充分驗證不同襯墊對背面沖擊的影響，增補了-20 ℃下根部FL+2的沖擊，其試驗結果見圖3和表7。通過試驗數據的分析：雙絲氣電立焊由于其較大的熱輸入量，在兩個焊接接頭熱影響區位置的沖擊值，存在單個值或平均值低于標準規定的39 J的情況，因此對于鋼板性能的要求較高；在相同的沖擊溫度及沖擊位置，水冷銅襯墊下的焊接接頭，在根部位置的沖擊值要優于陶瓷襯墊下的沖擊值，特別是在FL+2和FL+5位置平均值比規范要求的39 J明顯提高。

3.2? 金相分析

試樣焊縫表面的宏觀金相，因兩塊焊接接頭坡口開設一致，且表面均采用水冷滑塊，因此兩個焊接接頭表面的焊縫寬度相當，約為40 mm；對于焊縫反面，水冷銅襯墊下的根部由于水冷銅襯墊的冷卻作用，根部表面的寬度約為14～15 mm、余高0.5～1 mm；而陶瓷襯墊下的根部由于陶瓷散熱影響，在高溫停留時間較長，根部表面寬度較寬約為20～22 mm、余高1～2 mm。

試樣的微觀金相，如圖4、圖5所示：陶瓷襯墊和水冷銅襯墊下，根部焊縫中心的組織均為鐵素體+均勻分布的少量珠光體；而在熔合線偏向熱影響區處，兩個焊接接頭組織均為大塊狀鐵素體+少量的粒狀貝氏體；在焊接接頭根部熔合線+2 mm處，陶瓷襯墊下該處組織主要由粗大的鐵素體和少量細小珠光體組成；晶粒尺寸30μm以上的面積超過40%；水冷銅襯墊下，該處焊接接頭根部熔合線+2 mm處組織，主要由相互交織的針狀鐵素體和少量鐵素體束間碳化物、塊狀鐵素體組成。針狀鐵素體的面積達到90%，塊狀鐵素體的尺寸為20～40μm；在焊接接頭根部熔合線+5 mm處，兩個焊接接頭的組織均為塊狀鐵素體+少量珠光體，但陶瓷襯墊下的焊接接頭晶粒較為粗大。

3.3? ?結果分析

通過采用水冷銅襯墊進行雙絲氣電立焊焊接，借助水冷銅襯墊的冷卻效果，可有效降低焊接接頭背面的高溫停留時間，避免因根部接頭過熱或高溫停留時間延長引起的晶粒過于粗大，提升根部焊接接頭的沖擊性能。

4? ? ?結束語

采用E40-W600大線能量鋼進行超大熱輸入量的雙絲氣電立焊焊接試驗，并通過采用陶瓷襯墊和水冷銅襯墊兩種方式，分析兩者在焊接接頭、力學性能和微觀組織之間的區別，得出下列結論：

（1）采用水冷銅襯墊進行雙絲氣電立焊，通過水冷銅襯墊的有效冷卻作用，可降低根部焊縫和熱影響區的高溫停留時間，同時背面焊縫的寬度、余高會比陶瓷襯墊下的寬度、余高小;

（2）采用水冷銅襯墊和陶瓷襯墊，對焊接接頭的抗拉強度及彎曲性能影響不大;

（3）通過水冷銅襯墊下的焊接接頭，根部的沖擊性能有大幅提升，特別是在FL+2 mm和FL+5 mm處粗大晶粒區處影響較大，有效避免出現沖擊韌性低于規范的情況;

（4）雙絲氣電立焊可實現厚板的單道焊雙面成型，屬于超大線能量輸入的焊接方法，厚度60 mm焊縫線能量可達到400 kJ/cm，厚度80～85 mm的焊縫線能量可達到600 kJ/cm，因此會使焊接接頭的沖擊性能急劇下降，因此采用合適的焊接工藝的同時，鋼板和焊材也應具備大線能量焊接的性能。

參考文獻

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