2016, Vol. 24
双面双弧焊接是一种高效的焊接方法，具有效率高、设备要求简单、可以显著提高焊接熔深及深宽比的特点，能够减少焊接缺陷与变形[1].双面双弧焊接分为单电源型与双电源型2种，焊接时的工艺方式可以分为对称焊接与非对称焊接[2-7].目前双电源型具有较大的优越性，为双面双弧焊接的主要研究发展方向.
590 MPa级高强钢广泛应用于各种船体的薄壁结构中，曾有研究人员对14 mm厚、590 MPa级高强钢进行了焊接试验，采用正面堆焊，背面清根并再焊一道的方式进行焊接，性能满足技术指标要求，但清根工序较为复杂[8-10].
本文针对590 MPa级高强钢在实际中的焊接需求，采用手工双面双弧非对称立焊进行施焊.针对8 mm薄板在室温下进行焊接工艺研究，对焊接接头的显微组织形态进行研究，测试了焊接接头的硬度与拉伸、弯曲性能，并分析了断口形态.
1 试验试验材料为8 mm厚、590 MPa级高强钢，试件规格为500 mm×150 mm×8 mm，坡口形式为X型坡口，坡口角度为90°，如图 1所示，坡口间隙分别为2和5 mm.试板化学成分见表 1.填充焊丝直径为3.2 mm.牌号为JS590, 其化学成分见表 2.
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图 1 坡口示意图 Figure 1 Diagram of groove |
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表 1 试验钢化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical component of trial steel(mass fraction/%) |
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表 2 焊丝化学成分(质量分数/%) Table 2 Chemical component of welding wire(mass fraction/%) |
焊接试验采用松下YC-300BP焊机，试验原理如图 2所示.打底焊时，2把焊枪分别在工件的两侧，正面与背面同时进行焊接，焊枪之间保持50 mm左右的弧间距.这样可以保证正面与背面熔池均在气体保护之下，不会产生氧化夹杂等缺陷.盖面焊接为正反面各焊一道.打底焊接与盖面焊接工艺参数如表 3、表 4所示.双面双弧焊接试验后，切取焊接接头横向剖面试样.由于试板为8 mm厚的薄板，所以制作5 mm×10 mm×55 mm的冲击试样.焊接接头横截面经磨抛后用体积分数为3%的硝酸酒精进行腐蚀.采用LeicaMEF4-M型金相光学显微镜及S43000扫描电子显微镜进行金相显微组织及冲击断口形貌分析.利用日本AKASHI的MVK-E型维氏硬度仪进行硬度测试.
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图 2 焊接示意图 Figure 2 Diagram of welding |
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表 3 TIG焊接工艺参数 Table 3 Parameters of TIG welding |
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表 4 MAG焊接工艺参数 Table 4 Parameters of MAG welding |
图 3为590 MPa级高强钢双面双弧焊接接头的宏观形貌.通过最终的焊接工艺焊接完成后可以观察到，根部打底焊缝与盖面焊缝熔合良好，立焊接头无裂纹、未融合和气孔等宏观缺陷，焊缝成形良好.由不同坡口间隙的宏观照片可以看出，2 mm与5 mm坡口间隙打底焊道的宽度有明显差别，5 mm坡口间隙宽度较大，宏观盖面焊缝柱状晶组织明显.2 mm坡口间隙打底焊缝组织较细，由于5 mm坡口间隙焊接过程中速度较慢，热量积累，致使冷速降低打底焊缝组织柱状晶较大.
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图 3 焊接接头宏观形貌 Figure 3 Macroscopic pattern of welded joint |
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图 4 MAG盖面焊缝金相照片及扫描照片 Figure 4 Metallograph and SEM photo of MAG cap weld |
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图 5 TIG打底焊缝金相照片及扫描照片 Figure 5 Metallograph and SEM photo of TIG priming weld seam |
可以看到，不同坡口间隙盖面焊缝组织为典型的柱状晶组织，主要由贝氏体与针状铁素体组成.粗晶区组织主要为粗大的板条贝氏体与粒状贝氏体，TIG打底焊缝组织主要为贝氏体与针状铁素体的混合组织.立焊5 mm坡口间隙由于在焊接过程中坡口间隙增大，需要填充金属增多，在实际焊接时焊接速度较慢致使实际热输入数值增加，因此，焊缝冷却过程中冷速较慢，中温转变产物增多，板条长大.
从图 5可以观察到，5 mm坡口间隙焊缝组织M-A组元明显增多，在铁素体基体上均匀分布.同时，在盖面焊接时，双面双弧的再热作用对打底焊缝的组织具有较大影响，由于后热作用，板条组织回复作用增强，由位错堆积等构成的亚晶界通过迁移或对消而减少，板条形态组织变大[11-12].
2.2 维氏硬度与拉伸弯曲性能在板面下1 mm与板厚中心处分别进行维氏硬度测试，分别对应为盖面焊缝与打底焊缝及热影响区的硬度，测试结果如图 6所示.从图 6可以得出，2 mm坡口间隙盖面焊接热影响区最高硬度为360 HV，TIG打底焊接最高硬度为330 HV.盖面与打底焊缝硬度值十分相近，为260 HV.5 mm坡口间隙盖面焊接热影响区最高硬度为330 HV.TIG打底焊接热影响区最高硬度为285 HV.打底与盖面焊缝硬度与母材硬度较为接近，为250 HV.热影响区出现局部硬化现象，主要由于焊接过程中，受热循环的作用晶粒粗化，在快速冷却过程中形成针状铁素体与贝氏体导致.
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图 6 硬度实验结果 Figure 6 The result of hardness |
拉伸试验及弯曲试验沿焊接接头试样厚度方向取样，拉伸与弯曲试样厚度为8 mm.从表 5与图 7可以看到，接头抗拉强度为726~739 MPa.2 mm坡口间隙拉伸断在母材，5 mm坡口间隙拉伸断在焊缝.2种坡口间隙焊接接头抗拉强度较高，与母材抗拉强度值相匹配.说明焊丝的合金化作用对焊缝的组织及性能具有明显改善，断在焊缝的抗拉强度与母材强度相当，皆满足指标要求.由图 7可以看到，接头弯曲试样在弯至180°时试样表面均完好，无裂纹产生，表明焊接接头性能良好.焊接接头弯曲试验结果表明，2与5 mm坡口间隙接头试样正弯与反弯均弯至180°试样表面完好，试样受拉面变形均匀，与母材表面熔合良好，无缺陷产生.
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表 5 拉伸与弯曲试验数据 Table 5 Experimental data of stretch and curve |
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图 7 拉伸与弯曲试样图 Figure 7 Diagram of stretch and curve |
以板厚中心处为基准取冲击试样.由于板厚为8 mm，所以取5 mm×10 mm×55 mm的小尺寸试样，缺口位于焊缝中心、熔合线、熔合线外1 mm.由表 6冲击试验结果可以得到：-50 ℃冲击吸收功2 mm坡口间隙均大于70 J，为标准值的2倍左右.储备韧性较高；而5 mm坡口间隙焊缝冲击吸收功大于36 J，熔合线及熔合线外1 mm均大于51 J.焊缝冲击功值明显偏低，原因可能由于5 mm坡口间隙焊缝宽度较大，焊接时热输入值大，焊缝熔合时部分组织粗大，导致性能降低.
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表 6 焊接接头冲击试验结果 Table 6 Impulse test data of welded joint |
图 8为冲击断口的放射区形貌特征，可以看出：2 mm坡口间隙焊缝断口形貌为细小的韧窝并存在撕裂棱，为细小的韧窝聚集断裂，韧窝内存在第二相粒子为起裂源，为典型的韧断形貌，所以其冲击吸收功较高；而5 mm坡口间隙断口存断口出现部分解理形貌，撕裂棱较为密集，存在稀少的大而浅的韧窝.宏观断口形貌平整，基本不存在塑性变形，冲击断口呈现出“冰糖状”，出现明显扇形解理花样，从图 8(a)~8(d)可见，随着坡口间隙的增大呈现出韧性断裂再到解理断裂的转变.从冲击断口形貌反映出冲击吸收能量随坡口的变化趋势，5 mm坡口间隙性能较2 mm有明显的降低.
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图 8 打底焊缝断口形貌 Figure 8 Priming weld seam morphology |
图 9为焊缝金属EBSD分析结果，图中黑色粗实线表示晶粒取向差大于15°的大角度晶界，灰黑色细线为小于15°的小角度晶界.利用EBSD自带的分析软件分别对间隙为2和5 mm TIG打底和MIG盖面的焊缝金属中心部位大小角度晶界分别进行统计，结果见表 7.
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图 9 焊缝金属晶界取向差图 Figure 9 Orientation maps of grain boundary of welding metal |
由图 9和表 7可知：间隙2 mm情况下，TIG打底焊焊缝金属中心部位的小角度晶界和大角度晶界的比例分别为49.4%和50.6%，MIG盖面焊时为29.1%和70.9%；间隙5 mm情况下，TIG打底焊焊缝金属中心部位的小角度晶界和大角度晶界的比例分别为64.4%和35.6%，MIG盖面焊时为34.1%和65.9%.
在晶界取向中，大角度晶界(取向差≥15°)能够有效地改变裂纹的扩展方向，使裂纹路径复杂曲折，使裂纹在扩展过程中吸收更多的能量，进而能有效地抑制裂纹的扩展，提高冲击韧性.从表 7可以发现，2和5 mm间隙情况下，TIG打底焊缝金属中心部位大角度晶界的比例分别为50.6%和35.6%，而MIG盖面焊缝金属中心部位大角度晶界的比例分别为70.9%和65.9%.冲击试样几乎取在全部TIG打底焊的焊缝位置处，故2 mm间隙时TIG打底焊缝的大角度晶界比例明显高于5 mm间隙情况下的，这可能与5 mm间隙时TIG打底焊焊缝金属中存在较多的粒状贝氏体组织有关.缪成亮认为，粒状贝氏体组织中的贝氏体铁素体大多数情况下成同一取向，表现为小角度晶界[13].由于间隙为5 mm时，间隙较大使得焊丝填充量大，从而焊缝金属高温停留时间长，冷速慢，导致较多粒状贝氏体组织生成；而间隙为2 mm时，间隙较小，焊丝填充量小，高温停留时间短，冷速快.Tomio认为，在无变形的情况下增加冷速，相变驱动力的提高可以增加变体的选择，提高大角度晶界密度，从而获得较好的冲击韧性[14-15].从大角度晶界分布图可以看到，随着坡口间隙的增大，板条组织长大合并，单位面积的大角度境界比例明显降低.这是因为，随着坡口间隙的增大，焊接速度减缓，热输入升高，板条组织粗化和块状形态组织增多，有效晶粒尺寸增大，阻止裂纹扩展时需要的大角晶界减少，使得焊缝韧性较差.
3 结论1) 采用双面双弧TIG打底、MAG盖面的方式可以实现8 mm厚度薄板的双面双弧焊接.2 mm与5 mm坡口间隙焊缝成形性能良好，焊接质量可靠，符合性能指标要求.
2) 坡口间隙不同根部TIG打底焊缝宽度明显不同，5 mm坡口间隙组织出现较2 mm坡口间隙贝氏体组织明显增加.
3) 590 MPa级钢TIG打底薄板双面双弧焊接2 mm坡口间隙立焊相较5 mm坡口间隙冲击性能有较大提高，但拉伸性能较为接近.
4) 5 mm坡口间隙组织大角度晶界角比例较低，对裂纹扩展阻碍较小，韧性较低，5 mm坡口间隙焊接接头焊缝为薄弱环节，实际焊接过程中应采用2 mm坡口间隙焊接较为合适.
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