環(huán)境濕度對藥芯焊絲焊接質量的影響與管控

劉云海，曾宇烜

應用研究

環(huán)境濕度對藥芯焊絲焊接質量的影響與管控

劉云海，曾宇烜

（海軍裝備部，武漢 430060）

本文對高濕度下的藥芯焊絲角焊縫質量進行研究，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情況。然后分析焊縫質量及擴散氫含量檢測結果。試驗結果顯示：在高濕度情況下，焊縫表面出現(xiàn)大量氣孔，降低了焊縫質量；藥芯焊絲在高空氣濕度下暴露24小時候，焊縫中擴散氫大量增加，增加了氫致裂紋的風險。最后經(jīng)過試驗研究與分析，得出結論，制定防護措施。

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，焊接接頭質量直接決定了產(chǎn)品質量。藥芯焊絲焊接具有飛濺小，焊縫成形美觀，熔覆速度高，可進行全位置焊接等特點，有助于在保證焊接接頭質量的同時提高焊接效率。藥芯焊絲在國內外船用鋼材焊接上應用廣泛。但是藥芯焊絲內部的藥粉在高空氣濕度下，容易吸收空氣中的水分子，導致焊縫區(qū)域氫元素增加。氫元素增加又會促成氫致裂紋的產(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，有可能導致嚴重的后果。焊接時，氫元素若以擴散氫的形式存在于焊縫及熱影響區(qū)處，將會促進氫致裂紋的產(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，在焊接時應嚴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。現(xiàn)場焊接時，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，現(xiàn)場焊接操作管理不便。本文對高濕度下的藥芯焊絲角焊縫質量進行研究，以便制定詳實的焊接工藝要求與管理措施，保障焊接接頭的質量。

1 試驗及檢測

1.1 過濕環(huán)境的焊接試驗

選定模擬艙壁板與球扁鋼的角焊縫結構為試驗對象，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成分如表2所示。鋼板的長度為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鋼的化學成分(wt.%)

注：細化晶粒元素Al、Nb、V、Ti可單獨或以任一組合形式加入鋼中。當單獨加入時，其含量應符合本表規(guī)定；若混合加入時，細晶元素含量下限不適用，同時要求Nb+V+Ti≤0.12%。

表2 E501T-1藥芯焊絲熔敷金屬的化學成分(wt.%)

按照GB712-2011《船舶與海洋工程用結構鋼》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)范對角焊縫進行焊接，空氣濕度為87 %~88 %，具體的焊接數(shù)據(jù)記錄如表3所示。焊接結束后對焊縫進行熒光磁粉檢測。檢測后在萬能拉伸試驗機上進行三點背彎試驗，試驗后再次進行熒光磁粉檢測。

表3 焊接參數(shù)

1.2 過濕環(huán)境對焊縫中擴散氫的影響

將拆封后在露天放置24小時的藥芯焊絲和未拆封的藥芯焊絲進行擴散氫檢測。擴散氫測試參照GB/T3965-2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》進行，采用B型試塊，水銀法測試。

2 試驗結果及討論

在焊接后，磁粉檢測顯示1、2、3、4 號試樣中沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但1、3、4號過濕件的焊縫表面存在大量的表面氣孔。由于1、3、4號試樣焊接時使用的氣體、電壓、電流等參數(shù)與2號試樣相近，只是母材或焊材過濕。因此，該氣孔應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，無疑會使焊縫中氫元素增加。在受力的過程中，焊縫中的氣孔會導致應力集中，該處的應力更容易達到材料的斷裂強度而導致裂紋的產(chǎn)生。

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

擴散氫測試實驗發(fā)現(xiàn)，未拆封藥芯焊絲的擴散氫測試量為7.45（ml/100g），開封24小時后，藥芯焊絲的擴散氫測試量為15.63（ml/100g）。

由此可見，僅僅在高空氣濕度下，角焊縫并不會產(chǎn)生裂紋缺陷。當母材或焊材處于過濕焊狀態(tài)時，焊縫出現(xiàn)氣孔，質量下降，增加了氫致裂紋的風險。焊后機械矯正不會使焊縫產(chǎn)生裂紋。

鋼中氫主要分為殘余氫和擴散氫，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，擴散至晶格缺陷、裂紋等間隙處形成氫分子，促進裂紋的產(chǎn)生和擴展。在高溫時，擴散氫大部分逸出焊縫金屬，只有在低溫時，才會促進裂紋的產(chǎn)生。當濕度較大時，水中的氫原子或離子會進入焊縫以擴散氫的形式存在。

氫致裂紋的產(chǎn)生是應力、缺陷、組織狀態(tài)、散氫含量等多種因素相互促進的結果[2]。根據(jù)氫致裂紋產(chǎn)生的機理[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)生此轉變時，焊縫中氫的溶解度急劇下降，而氫在α相中的擴散速度較γ相中快，因此氫快速擴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，氫便以飽和狀態(tài)保存下來，并導致該區(qū)域的脆化。當存在大的拘束應力時，應力超過了該區(qū)域組織的斷裂強度就會導致裂紋的產(chǎn)生。另外當存在缺口效應時，也會導致氫致裂紋的產(chǎn)生。

3 結論與預防措施

經(jīng)過試驗研究與分析，得到的主要結論如下：

1）當環(huán)境濕度過大時，將在焊縫中產(chǎn)生大量的氫氣孔，降低了焊縫質量。

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

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

根據(jù)結論制定了藥芯焊絲氫致裂紋的防護措施如下：

1) 施焊環(huán)境濕度大于85 %時，焊材庫不得發(fā)放藥芯焊絲，施工單位不得使用藥芯焊絲施工，須領用實心焊絲ER50-6施工。對先期已領用且未用完的藥芯焊絲須退回焊材庫。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，藥芯焊絲再開封后當天未使用完，施工單位須將未使用完的藥芯焊絲退回焊材庫并做保溫處理。

3）對已拆開包裝、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用。

[1] 譚長瑛, 張顯輝, 陳佩寅, 等.焊接氫致裂紋的模擬與 預測[J]. 焊接學報, 2002.23(5): 1-4.

[2] 魏金山, 張?zhí)锖? 方洪淵. 10CrNi3MoV鋼氣體保護焊 氫致裂紋的萌生和擴展[J]. 焊接學報, 2002.23(1): 53-56.

[3] 張文鉞. 焊接冶金學[M]. 北京: 機械工業(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：艦船總體與結構 E-mail: 56595515@qq.com