EH40鋼擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊接頭粗晶區(qū)微觀組織與性能

付魁軍，倪志達(dá)，林三寶，蔡笑宇，胡奉雅

(1.鞍鋼集團(tuán)公司,海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 前言

隨國(guó)內(nèi)造船業(yè)的飛速發(fā)展，船體噸位逐漸上升，而逐漸增厚的船板對(duì)焊接工藝有了更高的要求。為了追求更高的效率，中厚板的焊接大多采用大熱輸入焊接方法施焊，如氣電立焊(EGW)與埋弧焊(SAW)。然而，早期的低合金高強(qiáng)鋼強(qiáng)化手段多為增碳調(diào)質(zhì)，大熱輸入焊接方法會(huì)使得船板鋼焊接接頭熱影響區(qū)晶粒嚴(yán)重粗化，并使原有的貝氏體或馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)化為形態(tài)不好的鐵素體，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能?chē)?yán)重惡化。若采用傳統(tǒng)的TIG焊對(duì)中厚板材料進(jìn)行多層多道焊接，雖然能緩解晶粒粗化的問(wèn)題，但額外增加的大量工時(shí)與焊材的消耗使制造成本大大增加。針對(duì)中厚板結(jié)構(gòu)件的焊接效率問(wèn)題，鋼材的成分設(shè)計(jì)和冶煉工藝被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。鋼材料在高溫區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)并且降溫過(guò)程中溫度梯度較低時(shí)熱影響區(qū)的晶粒不會(huì)發(fā)生過(guò)分粗化。當(dāng)前，大熱輸入鋼已被成熟開(kāi)發(fā)，開(kāi)始逐步應(yīng)用到船舶以及管道運(yùn)輸行業(yè)中[1-4]。

EH40鋼是一種超低碳微合金化的高強(qiáng)船板鋼，微合金鋼的基體中存在細(xì)小的夾雜顆粒。在高溫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)，夾雜顆粒會(huì)阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使室溫組織中原奧氏體晶粒不至于過(guò)分粗大。在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)間停留時(shí)，針狀鐵素體可圍繞夾雜粒子形核，使原奧氏體晶粒內(nèi)部的組織類(lèi)型與尺寸均能得到改善[5]。

大熱輸入鋼的出現(xiàn)無(wú)疑改善了中厚壁焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率。然而，EGW可焊板厚的上限并不理想，SAW對(duì)焊接位置的要求比較苛刻，這將在一定程度上限制船板制造業(yè)的發(fā)展。需要引入一種可以突破板厚上限又易于控制的高效焊接技術(shù)來(lái)改進(jìn)船板鋼的焊接工藝。

窄間隙焊接技術(shù)易于通過(guò)焊槍的改造來(lái)適應(yīng)焊接結(jié)構(gòu)件的壁厚，其對(duì)空間多位置焊接的良好適應(yīng)性也使其在厚板焊接結(jié)構(gòu)件的制造中極具競(jìng)爭(zhēng)力[6-7]。在適應(yīng)窄間隙的焊接方法中，窄間隙MAG熱輸入相對(duì)較小，側(cè)壁熔合不良的隱患也可以通過(guò)擺動(dòng)電弧來(lái)解決。

該文對(duì)38 mm厚的EH40鋼進(jìn)行窄間隙MAG焊接，對(duì)比2種焊接工藝參數(shù)參數(shù)下的焊縫成形、微觀組織及力學(xué)性能。探究了不同填充厚度條件下，熱影響區(qū)各亞區(qū)在厚度方向上的分布及變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)采用試驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊槍進(jìn)行焊接，坡口形式如圖1所示，坡口底部不留鈍邊，在背部使用鋼材料墊板作為替代，在窄間隙焊接過(guò)程結(jié)束后，采用等離子切割的方式將背部墊板去除。保護(hù)氣的成分為90%Ar-10%CO2，氣體流量為30 L/min，焊絲牌號(hào)為ER49-1。

圖1 坡口示意圖

焊接實(shí)景如圖2所示，試驗(yàn)中所用的2種焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。圖3、圖4分別給出了2種參數(shù)條件下的焊縫表面成形與焊后接頭宏觀形貌。圖3中的焊道表面有少量熔渣，簡(jiǎn)單的機(jī)械處理即可清除。圖4中2種焊接工藝參數(shù)獲得的接頭側(cè)壁熔合良好，2種焊接工藝參數(shù)均獲得良好接頭。

圖2 焊接實(shí)景

表1 焊接工藝參數(shù)

圖4 宏觀形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 填充厚度對(duì)接頭厚度方向上粗晶區(qū)亞區(qū)的影響

圖5給出了填充厚度對(duì)焊縫、熱影響區(qū)中的亞區(qū)及它們重疊區(qū)域的變化的影響。以圖5a中各亞區(qū)命名為例介紹該文對(duì)接頭厚度方向熱影響區(qū)粗晶區(qū)的各亞區(qū)的劃分方式。單道焊縫僅產(chǎn)生一次熱循環(huán)，其橫向分布的熱影響區(qū)為粗晶區(qū)(CG-HAZ)，細(xì)晶區(qū)(FG-HAZ)，臨界區(qū)(IC-HAZ)。臨界區(qū)指細(xì)晶區(qū)與升溫過(guò)程中未發(fā)生奧氏體相變區(qū)域之間的區(qū)域。隨填充道數(shù)逐漸增加，前道焊縫的粗晶區(qū)會(huì)受到后續(xù)焊道的熱影響。后焊焊道的粗晶區(qū)與前道焊縫粗晶區(qū)疊加，形成圖5a中的未變?cè)贌岽志^(qū)(UACG-HAZ)；后焊焊道的細(xì)晶區(qū)與前道焊縫的粗晶區(qū)疊加，形成圖5a中的過(guò)臨界再熱粗晶區(qū)(SCRCG-HAZ)；先焊焊道的臨界區(qū)與后焊焊道的粗晶區(qū)疊加，形成圖5a中的臨界再熱粗晶區(qū)(IRCG-HAZ)。當(dāng)填充厚度增加時(shí)，每道焊縫產(chǎn)生的熱影響區(qū)在高溫區(qū)間的停留時(shí)間變長(zhǎng)，這會(huì)使得單道焊縫產(chǎn)生的熱影響區(qū)亞區(qū)尺寸也相應(yīng)增加，導(dǎo)致UACG-HAZ,SCRCG-HAZ,以及IRCG-HAZ的輪廓逐漸增大。當(dāng)填充厚度增加到一定程度時(shí)，后焊焊道產(chǎn)生的相變熱循環(huán)不再能輻射兩道焊縫的范圍[8]，每一道焊縫的熱作用對(duì)先焊焊道的前一道焊縫產(chǎn)生的熱影響區(qū)處的組織影響變小，這時(shí)，原本二次奧氏體化峰值溫度在Ac1～Ac3區(qū)間內(nèi)的區(qū)域所經(jīng)歷的再熱峰值溫度可能低于奧氏體相變溫度，未受相變熱循環(huán)影響的CG-HAZ可能會(huì)重新出現(xiàn)。若填充厚度逐漸減小，單道焊縫產(chǎn)生的熱影響區(qū)亞區(qū)的尺寸沿橫向縮小，這會(huì)導(dǎo)致UACG-HAZ受到壓縮。所以在這個(gè)條件下，沿側(cè)壁方向主要為IRCG-HAZ和SCRCG-HAZ，UACG-HAZ與SCRCG-HAZ不易區(qū)分。

圖5 填充厚度對(duì)接頭各區(qū)域輪廓與重疊區(qū)域的影響

2.2 兩種工藝參數(shù)獲得接頭的微觀組織

圖6給出了接頭焊縫的微觀組織，其原奧氏體晶界處的組織為沿原奧氏體晶界生長(zhǎng)的先共析鐵素體、從先共析鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)的側(cè)板條鐵素體。原奧氏體晶粒內(nèi)部的組織為粒狀貝氏體組織，貝氏體鐵素體為針狀。

圖6 凝固區(qū)域的微觀組織

沿接頭厚度方向?qū)D5a與圖5b所示的各區(qū)域在顯微鏡下觀察，得到圖7和圖8中所示的組織形態(tài)，分別對(duì)應(yīng)大填充厚度與小填充厚度獲得的微觀組織。其中，CG-HAZ主要為從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)的細(xì)板條狀無(wú)碳化物貝氏體；UACG-HAZ中主要為粗板條狀貝氏體與少量粒狀貝氏體；SCRCG-HAZ中主要是以針狀和塊狀的鐵素體為貝氏體鐵素體的粒狀貝氏體；IRCG-HAZ中主要是以準(zhǔn)多邊形狀鐵素體為貝氏體鐵素體的粒狀貝氏體組織。A參數(shù)下接頭的組織見(jiàn)圖7。其中，圖7c、圖7d、圖7e為不同二次奧氏體化峰值溫度下的IRCG-HAZ，二次奧氏體化峰值溫度依次降低。在填充厚度較大的條件下，由于每道填充厚度的增加，熱輸入增量引起的IC-HAZ區(qū)域增加未能完全覆蓋上一道焊縫產(chǎn)生的CG-HAZ，使得接頭粗晶區(qū)亞區(qū)中的CG-HAZ重新出現(xiàn)在IRCG-HAZ和UACG-HAZ之間，如圖7f所示。

圖7 A參數(shù)條件下接頭粗晶區(qū)微觀組織

B參數(shù)條件下接頭粗晶區(qū)組織形態(tài)如圖8所示，填充厚度較小時(shí)，熱影響區(qū)的亞區(qū)沿厚度方向的變化體現(xiàn)為 UACGHAZ-SCRCGHAZ-IRCGHAZ-UACGHAZ-SCRCGHAZ。其中，圖8a和圖7b給出視場(chǎng)中的組織已比較接近，UACG-HAZ與SCRCG-HAZ的原奧氏體晶界輪廓尺寸差別已不大，晶內(nèi)組織類(lèi)型也大致相同。原奧氏體晶粒內(nèi)部板條鐵素體板條尺寸變小，逐漸出現(xiàn)塊狀鐵素體與針狀鐵素體，UACG-HAZ與SCRCG-HAZ的原奧氏體晶界與晶內(nèi)組織在此填充條件下不易區(qū)分。

圖8 B參數(shù)條件下接頭粗晶區(qū)微觀組織

2.3 EH40船用試板焊接接頭力學(xué)性能

分別對(duì)2種參數(shù)條件下獲得的接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)。其中，拉伸試樣厚度為30 mm，沖擊試樣按Sharpy V形缺口室溫沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加工。獲得接頭拉伸性能見(jiàn)表2，用于對(duì)比的母材與填充材料的拉伸性能見(jiàn)表3。拉伸件斷裂位置均為母材，熱影響區(qū)組織分布的變化并未對(duì)此厚度條件下的拉伸性能產(chǎn)生影響。從表4中數(shù)據(jù)可以看出，由于每一道焊縫與其產(chǎn)生的熱影響區(qū)都會(huì)經(jīng)歷多次熱循環(huán)，接頭各處的沖擊韌性存在一定程度上的損失，但表中所得沖擊吸收能量均值高于41 J，仍符合中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》對(duì)于鋼材沖擊吸收能量的使用要求

由于窄間隙焊接熱循環(huán)過(guò)程比較復(fù)雜，如前文所述，接頭熱影響區(qū)亞區(qū)的分布也存在近周期性的變化，為簡(jiǎn)單直觀地反映厚度方向熱影響區(qū)性能的分布，對(duì)2種焊接工藝條件下焊接接頭進(jìn)行硬度分析。硬度分析沿接頭厚度方向采樣，粗晶區(qū)采樣點(diǎn)的中心選在距離熔合線(xiàn)0.2 mm的位置，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

表2 2種參數(shù)獲得焊接接頭的拉伸性能

表3 母材與填充材料的拉伸性能

表4 焊接接頭的沖擊韌性 J

圖9 2種參數(shù)條件下焊接接頭的顯微硬度

A和B焊接工藝參數(shù)條件下粗晶區(qū)的硬度分布見(jiàn)圖9a和圖9b，熔合線(xiàn)附近的硬度值在厚度方向上呈現(xiàn)出與前文所述熱影響區(qū)亞區(qū)類(lèi)似的近周期性變化，硬度波動(dòng)的幅值約為40 HV1。A參數(shù)條件下硬度由峰值到谷值再到峰值的區(qū)間長(zhǎng)度為5 mm左右，B參數(shù)條件下由峰值到谷值再到峰值的區(qū)間長(zhǎng)度約為2.5 mm。A參數(shù)條件下粗晶區(qū)硬度每?jī)蓚€(gè)極值點(diǎn)之間的尺寸比B參數(shù)條件下接頭粗晶區(qū)硬度峰值和谷值區(qū)域的尺寸大。這與2.1節(jié)中描述的大填充量條件下UACG-HAZ,SCRCG-HAZ,IRCG-HAZ區(qū)域尺寸高于小填充量上述亞區(qū)尺寸的現(xiàn)象相吻合。

3 結(jié)論

(1)采用擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊對(duì)EH40鋼進(jìn)行窄間隙焊接能夠獲得成形良好的焊接接頭。

(2)窄間隙MAG焊每道的填充厚度會(huì)對(duì)熱影響區(qū)各亞區(qū)的尺寸及分布規(guī)律產(chǎn)生影響，熱影響區(qū)各亞區(qū)在厚度方向上呈現(xiàn)近周期性的變化。填充厚度較大時(shí)，粗晶區(qū)各亞區(qū)交疊區(qū)域的尺寸變寬，在板厚方向上從UACG-HAZ到SCRCG-HAZ再到IRCG-HAZ再到重新產(chǎn)生的CG-HAZ；填充厚度較小時(shí)，熱影響區(qū)各亞區(qū)的變化規(guī)律主要體現(xiàn)為SCRCG-HAZ到IRCG-HAZ。

(3)采用窄間隙MAG焊獲得的EH40鋼焊接接頭拉伸性能并未發(fā)生損失；AKV值低于母材與填充材料；接頭粗晶區(qū)的顯微硬度在厚度方向上呈現(xiàn)近周期性的波動(dòng)。