EH40鋼擺動電弧窄間隙MAG焊接頭粗晶區微觀組織與性能

付魁軍，倪志達，林三寶，蔡笑宇，胡奉雅

(1.鞍鋼集團公司,海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114001；2.哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 前言

隨國內造船業的飛速發展，船體噸位逐漸上升，而逐漸增厚的船板對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，早期的低合金高強鋼強化手段多為增碳調質，大熱輸入焊接方法會使得船板鋼焊接接頭熱影響區晶粒嚴重粗化，并使原有的貝氏體或馬氏體組織逐漸轉化為形態不好的鐵素體，導致接頭力學性能嚴重惡化。若采用傳統的TIG焊對中厚板材料進行多層多道焊接，雖然能緩解晶粒粗化的問題，但額外增加的大量工時與焊材的消耗使制造成本大大增加。針對中厚板結構件的焊接效率問題，鋼材的成分設計和冶煉工藝被國內外學者廣泛研究。鋼材料在高溫區停留時間較長并且降溫過程中溫度梯度較低時熱影響區的晶粒不會發生過分粗化。當前，大熱輸入鋼已被成熟開發，開始逐步應用到船舶以及管道運輸行業中[1-4]。

EH40鋼是一種超低碳微合金化的高強船板鋼，微合金鋼的基體中存在細小的夾雜顆粒。在高溫區長時間停留時，夾雜顆粒會阻礙奧氏體晶粒長大，使室溫組織中原奧氏體晶粒不至于過分粗大。在中溫轉變區間停留時，針狀鐵素體可圍繞夾雜粒子形核，使原奧氏體晶粒內部的組織類型與尺寸均能得到改善[5]。

大熱輸入鋼的出現無疑改善了中厚壁焊接結構的生產效率。然而，EGW可焊板厚的上限并不理想，SAW對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的發展。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來改進船板鋼的焊接工藝。

窄間隙焊接技術易于通過焊槍的改造來適應焊接結構件的壁厚，其對空間多位置焊接的良好適應性也使其在厚板焊接結構件的制造中極具競爭力[6-7]。在適應窄間隙的焊接方法中，窄間隙MAG熱輸入相對較小，側壁熔合不良的隱患也可以通過擺動電弧來解決。

該文對38 mm厚的EH40鋼進行窄間隙MAG焊接，對比2種焊接工藝參數參數下的焊縫成形、微觀組織及力學性能。探究了不同填充厚度條件下，熱影響區各亞區在厚度方向上的分布及變化規律。

1 試驗方法

該試驗采用試驗室自主開發的擺動電弧窄間隙MAG焊槍進行焊接，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，在窄間隙焊接過程結束后，采用等離子切割的方式將背部墊板去除。保護氣的成分為90%Ar-10%CO2，氣體流量為30 L/min，焊絲牌號為ER49-1。

圖1 坡口示意圖

焊接實景如圖2所示，試驗中所用的2種焊接工藝參數見表1。圖3、圖4分別給出了2種參數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，簡單的機械處理即可清除。圖4中2種焊接工藝參數獲得的接頭側壁熔合良好，2種焊接工藝參數均獲得良好接頭。

圖2 焊接實景

表1 焊接工藝參數

圖4 宏觀形貌

2 試驗結果及分析

2.1 填充厚度對接頭厚度方向上粗晶區亞區的影響

圖5給出了填充厚度對焊縫、熱影響區中的亞區及它們重疊區域的變化的影響。以圖5a中各亞區命名為例介紹該文對接頭厚度方向熱影響區粗晶區的各亞區的劃分方式。單道焊縫僅產生一次熱循環，其橫向分布的熱影響區為粗晶區(CG-HAZ)，細晶區(FG-HAZ)，臨界區(IC-HAZ)。臨界區指細晶區與升溫過程中未發生奧氏體相變區域之間的區域。隨填充道數逐漸增加，前道焊縫的粗晶區會受到后續焊道的熱影響。后焊焊道的粗晶區與前道焊縫粗晶區疊加，形成圖5a中的未變再熱粗晶區(UACG-HAZ)；后焊焊道的細晶區與前道焊縫的粗晶區疊加，形成圖5a中的過臨界再熱粗晶區(SCRCG-HAZ)；先焊焊道的臨界區與后焊焊道的粗晶區疊加，形成圖5a中的臨界再熱粗晶區(IRCG-HAZ)。當填充厚度增加時，每道焊縫產生的熱影響區在高溫區間的停留時間變長，這會使得單道焊縫產生的熱影響區亞區尺寸也相應增加，導致UACG-HAZ,SCRCG-HAZ,以及IRCG-HAZ的輪廓逐漸增大。當填充厚度增加到一定程度時，后焊焊道產生的相變熱循環不再能輻射兩道焊縫的范圍[8]，每一道焊縫的熱作用對先焊焊道的前一道焊縫產生的熱影響區處的組織影響變小，這時，原本二次奧氏體化峰值溫度在Ac1～Ac3區間內的區域所經歷的再熱峰值溫度可能低于奧氏體相變溫度，未受相變熱循環影響的CG-HAZ可能會重新出現。若填充厚度逐漸減小，單道焊縫產生的熱影響區亞區的尺寸沿橫向縮小，這會導致UACG-HAZ受到壓縮。所以在這個條件下，沿側壁方向主要為IRCG-HAZ和SCRCG-HAZ，UACG-HAZ與SCRCG-HAZ不易區分。

圖5 填充厚度對接頭各區域輪廓與重疊區域的影響

2.2 兩種工藝參數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的先共析鐵素體、從先共析鐵素體向晶內生長的側板條鐵素體。原奧氏體晶粒內部的組織為粒狀貝氏體組織，貝氏體鐵素體為針狀。

圖6 凝固區域的微觀組織

沿接頭厚度方向對圖5a與圖5b所示的各區域在顯微鏡下觀察，得到圖7和圖8中所示的組織形態，分別對應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生長的細板條狀無碳化物貝氏體；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參數下接頭的組織見圖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區域增加未能完全覆蓋上一道焊縫產生的CG-HAZ，使得接頭粗晶區亞區中的CG-HAZ重新出現在IRCG-HAZ和UACG-HAZ之間，如圖7f所示。

圖7 A參數條件下接頭粗晶區微觀組織

B參數條件下接頭粗晶區組織形態如圖8所示，填充厚度較小時，熱影響區的亞區沿厚度方向的變化體現為 UACGHAZ-SCRCGHAZ-IRCGHAZ-UACGHAZ-SCRCGHAZ。其中，圖8a和圖7b給出視場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，晶內組織類型也大致相同。原奧氏體晶粒內部板條鐵素體板條尺寸變小，逐漸出現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組織在此填充條件下不易區分。

圖8 B參數條件下接頭粗晶區微觀組織

2.3 EH40船用試板焊接接頭力學性能

分別對2種參數條件下獲得的接頭進行拉伸試驗與沖擊試驗。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標準加工。獲得接頭拉伸性能見表2，用于對比的母材與填充材料的拉伸性能見表3。拉伸件斷裂位置均為母材，熱影響區組織分布的變化并未對此厚度條件下的拉伸性能產生影響。從表4中數據可以看出，由于每一道焊縫與其產生的熱影響區都會經歷多次熱循環，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，仍符合中國船級社《材料與焊接規范》對于鋼材沖擊吸收能量的使用要求

由于窄間隙焊接熱循環過程比較復雜，如前文所述，接頭熱影響區亞區的分布也存在近周期性的變化，為簡單直觀地反映厚度方向熱影響區性能的分布，對2種焊接工藝條件下焊接接頭進行硬度分析。硬度分析沿接頭厚度方向采樣，粗晶區采樣點的中心選在距離熔合線0.2 mm的位置，測量結果如圖9所示。

表2 2種參數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種參數條件下焊接接頭的顯微硬度

A和B焊接工藝參數條件下粗晶區的硬度分布見圖9a和圖9b，熔合線附近的硬度值在厚度方向上呈現出與前文所述熱影響區亞區類似的近周期性變化，硬度波動的幅值約為40 HV1。A參數條件下硬度由峰值到谷值再到峰值的區間長度為5 mm左右，B參數條件下由峰值到谷值再到峰值的區間長度約為2.5 mm。A參數條件下粗晶區硬度每兩個極值點之間的尺寸比B參數條件下接頭粗晶區硬度峰值和谷值區域的尺寸大。這與2.1節中描述的大填充量條件下UACG-HAZ,SCRCG-HAZ,IRCG-HAZ區域尺寸高于小填充量上述亞區尺寸的現象相吻合。

3 結論

(1)采用擺動電弧窄間隙MAG焊對EH40鋼進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對熱影響區各亞區的尺寸及分布規律產生影響，熱影響區各亞區在厚度方向上呈現近周期性的變化。填充厚度較大時，粗晶區各亞區交疊區域的尺寸變寬，在板厚方向上從UACG-HAZ到SCRCG-HAZ再到IRCG-HAZ再到重新產生的CG-HAZ；填充厚度較小時，熱影響區各亞區的變化規律主要體現為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生損失；AKV值低于母材與填充材料；接頭粗晶區的顯微硬度在厚度方向上呈現近周期性的波動。