環(huán)境濕度對(duì)藥芯焊絲焊接質(zhì)量的影響與管控

劉云海，曾宇烜

應(yīng)用研究

環(huán)境濕度對(duì)藥芯焊絲焊接質(zhì)量的影響與管控

劉云海，曾宇烜

（海軍裝備部，武漢 430060）

本文對(duì)高濕度下的藥芯焊絲角焊縫質(zhì)量進(jìn)行研究，首先介紹在高濕度狀態(tài)下模擬艙壁板與球扁鋼角焊縫藥芯焊絲焊接試驗(yàn)情況。然后分析焊縫質(zhì)量及擴(kuò)散氫含量檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在高濕度情況下，焊縫表面出現(xiàn)大量氣孔，降低了焊縫質(zhì)量；藥芯焊絲在高空氣濕度下暴露24小時(shí)候，焊縫中擴(kuò)散氫大量增加，增加了氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。最后經(jīng)過試驗(yàn)研究與分析，得出結(jié)論，制定防護(hù)措施。

氫致裂紋 藥芯焊絲 EH36鋼 高環(huán)境濕度

0 引言

焊接是造船業(yè)必要的材料連接方式，焊接接頭質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量。藥芯焊絲焊接具有飛濺小，焊縫成形美觀，熔覆速度高，可進(jìn)行全位置焊接等特點(diǎn)，有助于在保證焊接接頭質(zhì)量的同時(shí)提高焊接效率。藥芯焊絲在國(guó)內(nèi)外船用鋼材焊接上應(yīng)用廣泛。但是藥芯焊絲內(nèi)部的藥粉在高空氣濕度下，容易吸收空氣中的水分子，導(dǎo)致焊縫區(qū)域氫元素增加。氫元素增加又會(huì)促成氫致裂紋的產(chǎn)生[1]。氫致裂紋是一種常見的、極具破壞性的裂紋形式，不限制其產(chǎn)生，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。焊接時(shí)，氫元素若以擴(kuò)散氫的形式存在于焊縫及熱影響區(qū)處，將會(huì)促進(jìn)氫致裂紋的產(chǎn)生。焊接區(qū)域水分子含量越多，則焊接接頭處的氫含量可能越高。為此，在焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制空氣濕度和焊接區(qū)域的清潔與干燥程度。目前，船用EH36鋼板焊接規(guī)范中空氣濕度大于90 %不允許施焊?，F(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，空氣濕度較難控制，特別是遇到空氣濕度逐漸增加的情況時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)焊接操作管理不便。本文對(duì)高濕度下的藥芯焊絲角焊縫質(zhì)量進(jìn)行研究，以便制定詳實(shí)的焊接工藝要求與管理措施，保障焊接接頭的質(zhì)量。

1 試驗(yàn)及檢測(cè)

1.1 過濕環(huán)境的焊接試驗(yàn)

選定模擬艙壁板與球扁鋼的角焊縫結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，采用的鋼板為船用EH36鋼板，采用的藥芯焊絲為E501T-1，鋼板的成分如表1所示，焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分如表2所示。鋼板的長(zhǎng)度為500 mm。其他板材參數(shù)和角接頭的參數(shù)如表1所示。

表1 EH36鋼的化學(xué)成分(wt.%)

注：細(xì)化晶粒元素Al、Nb、V、Ti可單獨(dú)或以任一組合形式加入鋼中。當(dāng)單獨(dú)加入時(shí)，其含量應(yīng)符合本表規(guī)定；若混合加入時(shí)，細(xì)晶元素含量下限不適用，同時(shí)要求Nb+V+Ti≤0.12%。

表2 E501T-1藥芯焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分(wt.%)

按照GB712-2011《船舶與海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》中的要求，TMCP工藝生產(chǎn)的板厚小于等于50 mm的EH36鋼的碳當(dāng)量不超過0.38。

根據(jù)空氣濕度、母材和焊絲的濕度制定焊接規(guī)范對(duì)角焊縫進(jìn)行焊接，空氣濕度為87 %~88 %，具體的焊接數(shù)據(jù)記錄如表3所示。焊接結(jié)束后對(duì)焊縫進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)。檢測(cè)后在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)后再次進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)。

表3 焊接參數(shù)

1.2 過濕環(huán)境對(duì)焊縫中擴(kuò)散氫的影響

將拆封后在露天放置24小時(shí)的藥芯焊絲和未拆封的藥芯焊絲進(jìn)行擴(kuò)散氫檢測(cè)。擴(kuò)散氫測(cè)試參照GB/T3965-2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》進(jìn)行，采用B型試塊，水銀法測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在焊接后，磁粉檢測(cè)顯示1、2、3、4 號(hào)試樣中沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但1、3、4號(hào)過濕件的焊縫表面存在大量的表面氣孔。由于1、3、4號(hào)試樣焊接時(shí)使用的氣體、電壓、電流等參數(shù)與2號(hào)試樣相近，只是母材或焊材過濕。因此，該氣孔應(yīng)為水蒸氣或氫氣等形成的氣孔，而隨著焊接區(qū)域水分子含量的增加，無疑會(huì)使焊縫中氫元素增加。在受力的過程中，焊縫中的氣孔會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，該處的應(yīng)力更容易達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

焊縫經(jīng)彎曲試驗(yàn)后，均未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，焊縫內(nèi)部物未焊透和裂紋現(xiàn)象。

擴(kuò)散氫測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未拆封藥芯焊絲的擴(kuò)散氫測(cè)試量為7.45（ml/100g），開封24小時(shí)后，藥芯焊絲的擴(kuò)散氫測(cè)試量為15.63（ml/100g）。

由此可見，僅僅在高空氣濕度下，角焊縫并不會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷。當(dāng)母材或焊材處于過濕焊狀態(tài)時(shí)，焊縫出現(xiàn)氣孔，質(zhì)量下降，增加了氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。焊后機(jī)械矯正不會(huì)使焊縫產(chǎn)生裂紋。

鋼中氫主要分為殘余氫和擴(kuò)散氫，殘余氫在鋼種的含量很少，在低溫階段沒有變化。氣體分子可在熔池中逸出，而熔池凝固后，尚未逸出的氣體分子就會(huì)以氣孔的形式保留在焊縫中。試樣表面的氣孔就是由于氣體分子殘留在焊縫中產(chǎn)生的。擴(kuò)散氫主要以氫原子或離子狀態(tài)存在于焊縫中，形成間隙固溶體，擴(kuò)散至晶格缺陷、裂紋等間隙處形成氫分子，促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在高溫時(shí)，擴(kuò)散氫大部分逸出焊縫金屬，只有在低溫時(shí)，才會(huì)促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)濕度較大時(shí)，水中的氫原子或離子會(huì)進(jìn)入焊縫以擴(kuò)散氫的形式存在。

氫致裂紋的產(chǎn)生是應(yīng)力、缺陷、組織狀態(tài)、散氫含量等多種因素相互促進(jìn)的結(jié)果[2]。根據(jù)氫致裂紋產(chǎn)生的機(jī)理[3]，在焊縫冷卻過程中，由于焊縫含碳量低于母材，焊縫金屬較母材熱影響區(qū)先發(fā)生γ→α相變。在發(fā)生此轉(zhuǎn)變時(shí)，焊縫中氫的溶解度急劇下降，而氫在α相中的擴(kuò)散速度較γ相中快，因此氫快速擴(kuò)散至熔合線和粗晶區(qū)，并聚集在此形成富集地帶。氫富集區(qū)發(fā)生馬氏體相變時(shí)，氫便以飽和狀態(tài)保存下來，并導(dǎo)致該區(qū)域的脆化。當(dāng)存在大的拘束應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力超過了該區(qū)域組織的斷裂強(qiáng)度就會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。另外當(dāng)存在缺口效應(yīng)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致氫致裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論與預(yù)防措施

經(jīng)過試驗(yàn)研究與分析，得到的主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)環(huán)境濕度過大時(shí)，將在焊縫中產(chǎn)生大量的氫氣孔，降低了焊縫質(zhì)量。

2）藥芯焊絲暴露在潮濕的環(huán)境中將導(dǎo)致焊絲受潮，增加焊絲中的含氫量，增加焊接接頭產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

3）EH36鋼使用E501T-1焊絲焊接，且焊絲與母材都干燥時(shí)，在88 %空氣濕度中短時(shí)間施焊不會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

根據(jù)結(jié)論制定了藥芯焊絲氫致裂紋的防護(hù)措施如下：

1) 施焊環(huán)境濕度大于85 %時(shí)，焊材庫(kù)不得發(fā)放藥芯焊絲，施工單位不得使用藥芯焊絲施工，須領(lǐng)用實(shí)心焊絲ER50-6施工。對(duì)先期已領(lǐng)用且未用完的藥芯焊絲須退回焊材庫(kù)。若藥芯焊絲已開封，須作烘干處理。

2）施焊環(huán)境濕度在60 %~85 %時(shí)，藥芯焊絲再開封后當(dāng)天未使用完，施工單位須將未使用完的藥芯焊絲退回焊材庫(kù)并做保溫處理。

3）對(duì)已拆開包裝、二次使用的藥芯焊絲再使用前，先將表面的一層去掉，然后再使用。

4）采用5 Kg/包、10 kg/包的小包裝藥芯焊絲，焊工按施工量合理領(lǐng)用。

[1] 譚長(zhǎng)瑛, 張顯輝, 陳佩寅, 等.焊接氫致裂紋的模擬與 預(yù)測(cè)[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2002.23(5): 1-4.

[2] 魏金山, 張?zhí)锖? 方洪淵. 10CrNi3MoV鋼氣體保護(hù)焊 氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2002.23(1): 53-56.

[3] 張文鉞. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005

The Influence of Environment Humidity on Flux Cored Wire Welding and Welding Quality Control

Liu Yunhai, Zeng Yuxuan

(The Naval Equipment Department in Wuhan, Wuhan 430060)

TG422

A

1003-4862（2021）04-0012-03

2020-11-09

劉云海(1982-)，男，工程師。研究方向：艦船總體與結(jié)構(gòu) E-mail: 56595515@qq.com