CO2氣體保護向下立焊修補工藝試驗

劉亞偉，黃瓊，徐攀，羅雄，張松

廣船國際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

向下立焊技術在造船領域的應用已有較長的歷史。20世紀末以來，日本各大船廠基本實現了主船體結構（除水密結構和局部加強結構外）的立向填角下行焊技術[1]，然而國內船廠在船舶建造過程中立角焊主要采用CO2氣體保護上行焊，因其成本低、效率高、操作簡便，已成為造船企業的首選。20世紀未，國內船廠已開始CO2氣體保護向下立焊技術的研究與應用[2]，特別是對于CO2氣體保護實芯焊絲向下立角焊的應用已有較深入的研究與應用[3]。

由于CO2氣體保護向下立焊熔深有限，所以通常只適于角焊而不適于承受應力較大的深熔角焊縫。在國內船廠CO2氣體保護向下立焊主要應用于船舶的上層建筑薄板圍壁板之間的立角焊、對接縫或圍壁板與其加強構件之間的立角焊接[3，4]。

船舶建造，特別是客滾船、郵輪等船舶上基本都是薄板建造，存在大量的母材表面損傷需要焊接修補的情況。由于向下立焊具有焊接速度快、焊接變形小、焊縫余高小等特點，因此焊工會經常采用下行焊對損傷的母材或有缺欠的焊縫進行表面補焊。但在國內，大部分船東和船檢都認為向下立焊熔深能力有限，焊接熱輸入量低，焊工很難具備向下立焊操作技能，且向下立焊修補焊縫易產生夾渣、未熔合等缺欠，嚴重影響修補質量，因此向下立焊修補在大部分船廠是絕對禁止使用的。為驗證CO2氣體保護向下立焊在薄板修補上的操作與工藝可行性，對CO2氣體保護向下立焊修補工藝進行相關試驗研究。

2 試驗方案

2.1 試驗材料和設備

結合實芯焊絲和藥芯焊絲CO2氣體保護向下立角焊縫的試驗結果和應用經驗，發現實芯焊絲向下立焊在焊縫內部質量控制和熔深能力方面優勢明顯，而藥芯焊絲在操作性方面更具優勢[3，4]。為保證CO2氣體保護向下立焊的修補質量，選擇實芯焊絲作為主要的試驗焊絲，藥芯焊絲作為對比試驗焊絲，試驗用焊絲信息見表1。

表1 試驗用焊絲信息

焊接設備選用唐山松下YD-500EL1數字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源。選用TMCP狀態交貨的6mm厚船用AH36級高強度鋼作為試驗待修補板材，待修補母材信息見表2。使用碳弧氣刨在板材表面刨出多組長度10～300mm、寬度6～10mm、深度1～4mm不等的待修補坡口來模擬母材表面損傷位置，如圖1所示。然后分別使用實芯焊絲和藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊進行補焊。

圖1 待修補母材表面損傷示意

表2 待修補母材船用高強度鋼信息

2.2 焊接參數選擇

CO2氣體保護焊熔滴過渡方式主要是短路過渡和滴狀過渡[5-7]，一般認為，適合于較小厚度母材焊接的熔滴過渡方式是短路過渡[8]。根據已有藥芯焊絲、實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊角焊縫試驗焊接參數作為實芯焊絲和藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補試驗的焊接參數，并根據實際焊接情況進行微調。

2.3 焊后檢測項目

修補完成后對所有修補焊縫進行表面無損檢測，并根據修補焊縫長度進行拉伸、彎曲、宏觀、微觀、硬度等一系列力學性能試驗研究，最后綜合以上試驗結果驗證CO2氣體保護向下立焊修補的可行性。

3 試驗結果

3.1 焊接參數

焊接參數以向下立焊角焊縫焊接參數為依據，并根據實際情況適當調節來保證焊縫成形，試驗所用焊接參數見表3。

表3 焊接參數

3.2 試驗項目與結果

對修補焊縫進行MT檢測，未發現焊縫表面或近表面存在氣孔、裂紋、未熔合等缺欠，并根據試驗方案進行了一系列力學性能試驗。

（1）拉伸試驗 橫向拉伸試驗結果顯示，抗拉強度結果均合格，抗拉強度和試樣斷裂位置見表4。

表4 拉伸試驗

（2）沖擊試驗 沖擊試驗結果均合格，實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫的沖擊值稍高于藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫，試驗數據見表5。

表5 沖擊試驗

（3）彎曲試驗 實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫彎曲試驗結果均合格，藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫彎曲試驗結果均不合格，試驗數據見表6。

表6 彎曲試驗

（4）宏觀金相試驗 宏觀金相顯示，實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補的焊縫熔深達到1～1.5mm，焊縫未發現氣孔、裂紋、夾渣、未熔合等缺欠；藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補的焊縫熔深只有0.5～1mm，焊縫與母材表面過渡平緩，焊縫未發現氣孔、裂紋缺欠，但部分焊縫存在夾渣、未熔合缺欠，特別是多層多道焊修補的焊縫夾渣和未熔合缺欠更為明顯。修補焊縫缺欠類型和位置如圖2所示。

圖2 修補焊縫缺欠類型和位置

（5）硬度試驗 實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補接頭硬度值均滿足要求，藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補接頭除2-1#接頭熱影響區和焊縫硬度值偏高，其余修補接頭硬度值滿足要求。硬度試驗數據如圖3所示。

圖3 向下立焊修補接頭硬度

（6）微觀金相試驗 針對藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補接頭硬度值超標的情況，進行了接頭熱影響區和焊縫微觀金相試驗。

待修補母材的顯微組織為鐵素體和珠光體，2-3#修補焊縫與母材間發現夾渣缺欠，具體如圖4所示。2-1#修補接頭熱影響區顯微組織為板條狀馬氏體和塊狀鐵素體，馬氏體力學性能的顯著特點是具有高強度和硬度，且硬度主要取決于其碳含量[9]，焊縫顯微組織為針狀鐵素體和少量的珠光體，具體如圖5所示。2-2#修補接頭熱影響區顯微組織為粒狀貝氏體和少量的鐵素體，焊縫顯微組織為無碳貝氏體沿晶分布，晶內為細小鐵素體，具體如圖6所示。2-3#修補接頭熱影響區顯微組織為受熱變形的鐵素體和細珠光體，焊縫顯微組織為針狀鐵素體和少量的細珠光體，具體如圖7所示。2-4#修補接頭熱影響區顯微組織為針狀鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體，焊縫顯微組織為塊狀初生鐵素體和細珠光體，具體如圖8所示。

圖4 2-3#母材顯微組織和修補焊縫與母材間夾渣缺欠

圖5 2-1#修補接頭熱影響區和焊縫顯微組織

圖6 2-2#修補接頭熱影響區和焊縫顯微組織

圖7 2-3#修補接頭熱影響區和焊縫顯微組織

圖8 2-4#修補接頭熱影響區和焊縫顯微組織

4 分析與討論

4.1 試驗結果分析

1）拉伸試驗中2-4#接頭抗拉強度滿足要求，但斷裂位置在焊縫上，在試樣加工滿足要求的情況下，可判斷是焊縫中可能存在焊接缺欠。

2）試驗中實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補接頭焊縫中心沖擊值高于藥芯焊絲，具有更好的抗沖擊性能。

3）試驗中實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫彎曲試驗結果均合格，藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫彎曲試驗結果均不合格，彎曲結果不合格主要是修補焊縫存在夾渣、未熔合等缺欠導致的。

4）宏觀試驗結果顯示，實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補焊縫較藥芯焊絲有更大的熔深，且更不易產生夾渣和未熔合缺欠。

5）硬度試驗結果顯示，CO2氣體保護向下立焊修補接頭熱影響區和焊縫的硬度值不僅與焊接熱輸入有關，還與修補的焊縫長度、層道數等有關。使用較小熱輸入、短焊縫修補的接頭，會使接頭的冷卻速度加快，母材尺寸增加時冷卻速度將進一步加快[10]，接頭組織中就可能產生馬氏體，從而導致熱影響區和焊縫硬度超標的情況。

4.2 向下立焊修補工藝討論

1）結合實芯焊絲熔深大、不易產生夾渣缺欠和焊接熔池金屬更易控制等特點，宜使用實芯焊絲進行向下立焊修補。

2）待修補的損傷位置應打磨成形狀和尺寸均勻的坡口，坡口寬度應不超過單道焊縫的寬度，長度應≥10mm，且坡口有稍好的直線度。

3）修補應盡可能采用稍大熱輸入單道連續焊接，避免同一焊縫分多段修補，同時可適當擺動來增加電弧與待修補坡口的熔合性。

4）焊后應對修補焊縫表面進行打磨處理，并使用PT或MT等無損檢測方式檢測修補焊縫的質量。

5 結束語

通過對實芯焊絲、藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補工藝的對比試驗，得出以下結論。

1）雖然藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊相對于實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊有更好的操作性，但較快的速度焊接，也更易產生夾渣、未熔合等缺欠。

2）實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補在焊縫內部質量和熔深方面比藥芯焊絲CO2氣體保護向下立焊更具優勢，修補接頭的各項力學性能也更好、更穩定。

3）在有效控制各項工藝細節的前提下，對于TMCP工藝生產的高強度船體結構用鋼薄板母材損傷，采用實芯焊絲CO2氣體保護向下立焊修補工藝修補是可行的。