馮 靜 ，薛 龍 ，黃繼強(qiáng) ，黃軍芬 ，劉 宏 ，譚誼誠 ，2

（1.北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102617；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

建筑鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、建設(shè)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、外形豐富、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍廣泛。自20世紀(jì)80年代以來，中國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)得到空前的發(fā)展，高層鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)等如雨后春筍，已延伸到水下領(lǐng)域。水下焊接作為構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)的一種主要連接方法，在建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用[1-3]，焊接接頭良好的力學(xué)性能是保證建筑鋼結(jié)構(gòu)安全工作的重要條件。

在水下焊接技術(shù)中，高壓干式GMAW（gas metal arc welding，簡(jiǎn)稱GMAW）由于具有焊接效率高，可進(jìn)行全位置焊接，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化，焊接穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。這種方法在焊接時(shí)雖然已將施焊部位的水排開，但仍存在很大的空氣濕度，這會(huì)影響焊接接頭的力學(xué)性能，并最終影響著焊接質(zhì)量。因此開展環(huán)境濕度對(duì)接頭力學(xué)性能的研究具有重要的意義。

目前，在國(guó)內(nèi)外對(duì)水下高壓干式GMAW焊接接頭力學(xué)性能的研究中，大部分圍繞環(huán)境壓力、電弧形態(tài)、焊接極性、保護(hù)氣體成分等方面[4-13]展開，涉及到環(huán)境濕度的研究很少，所以模擬水下高壓環(huán)境開展?jié)穸葘?duì)GMAW焊接接頭力學(xué)性能的影響研究是非常有必要的。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為Q235C低碳鋼，具有良好的焊接性，選用JM56焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分和部分力學(xué)性能如表1、表2所示。采用60°V型坡口，如圖1所示，通過打底焊及蓋面焊完成坡口焊接。利用高壓試驗(yàn)艙（見圖2）模擬高壓環(huán)境，艙內(nèi)濕度信號(hào)由濕度檢測(cè)系統(tǒng)（見圖3）采集，該系統(tǒng)由耐壓濕度傳感器（見圖4）及安裝在電腦上的溫、濕度數(shù)據(jù)處理軟件組成，濕度傳感器通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。由于高壓艙內(nèi)加壓后，艙內(nèi)氣體密度增加，分子間隔變小，導(dǎo)致一定體積的空氣里的水汽增加，即濕度增加，甚至達(dá)到90%RH以上。利用硅膠干燥劑可以調(diào)節(jié)艙內(nèi)濕度，將艙內(nèi)濕度分別調(diào)至20%～30%RH、50%～60%RH及80%～90%RH三檔范圍，然后進(jìn)行高壓干式焊接，焊后截取試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和夏比沖擊測(cè)試，確定濕度變化對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。

表1 高壓干式焊接試驗(yàn)?zāi)覆呐c焊絲化學(xué)成分Table 1 Components of base metal and welding wireused in hyperbaric dry welding experiments %

表2 高壓干式焊接試驗(yàn)?zāi)覆呐c焊絲力學(xué)性能Table 2 Performances of base metal and welding wire used in hyperbaric dry welding experiments

圖1 V型坡口尺寸Fig.1 Thesizeof V-groove

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別在0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa三個(gè)不同壓力環(huán)境下進(jìn)行了研究，鑒于篇幅有限，僅以0.7 MPa環(huán)境下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

圖2 焊接試驗(yàn)艙Fig.2 Welding experiment cabin

圖3 濕度檢測(cè)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of humidity detection system

圖4 濕度檢測(cè)元件Fig.4 The humidity detecting element

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸測(cè)試

按GB/T2651-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，將焊后的接頭沿垂直焊縫方向?qū)ΨQ截取拉伸試樣，如圖5所示。由于焊接試件為板狀試件，且厚度小，所以選用板形試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6、表3所示。

圖5 試樣截取位置Fig.5 Interception location of samples

圖6 拉伸曲線Fig.6 Curves of tensile

由圖6可以看出，三條拉伸曲線雖然沒有完全重合，但相差不大，且曲線走勢(shì)大體相同。這說明不同的環(huán)境濕度對(duì)焊接接頭的拉伸性能是有影響的，但影響很小。

拉伸測(cè)試后，整理得到的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著環(huán)境濕度的增加，焊接試件的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化不大。對(duì)比母材的力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境濕度下的焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，但延展性略低于母材。說明焊后的接頭強(qiáng)度提高，因此斷裂部位發(fā)生在母材（關(guān)于濕度增加，抗拉強(qiáng)度逐漸提高的原因在顯微組織觀察部分有說明）。

表3 拉伸結(jié)果Table 3 Results of tensile test

2.2 彎曲測(cè)試

按GB/T2653-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)焊后的焊接接頭進(jìn)行取樣，分別進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)，彎曲角度為180°，測(cè)試后的彎曲曲線如圖7所示。

圖7 彎曲曲線Fig.7 Curves of bendtest

由圖7可知，不同濕度下的焊接試件在面彎和背彎測(cè)試中，彎曲性能的變化很小。說明焊接環(huán)境中濕度的變化對(duì)接頭的彎曲塑性影響不明顯。

測(cè)試后的試樣如圖8所示，圖中面彎試樣用字母F表示，背彎試樣用字母B表示，測(cè)試后觀察試樣彎曲部位，在試樣的受彎處均未發(fā)現(xiàn)裂紋，彎曲塑性滿足要求。

圖8 彎曲后的試樣Fig.8 Samples after bending test

2.3 沖擊測(cè)試

按GB/T2650-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，采用尺寸55mm×10mm×10mm的V形缺口試樣，分別在焊縫區(qū)和HAZ（熱影響區(qū)）取樣，在室溫下進(jìn)行夏比沖擊測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，在高壓環(huán)境下，隨著環(huán)境濕度的增加，焊接接頭的沖擊吸收功數(shù)值降低，即沖擊韌性下降，且焊縫區(qū)的沖擊韌性優(yōu)于HAZ（熱影響區(qū)）。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table.4 Results of impact test

為了進(jìn)一步探究環(huán)境濕度對(duì)接頭力學(xué)性能產(chǎn)生影響的原因，對(duì)不同濕度下的焊接接頭取樣，觀察顯微組織，得到不同環(huán)境濕度下焊縫及HAZ（熱影響區(qū)）的組織，圖9、圖10分別為打底焊縫和HAZ的微觀組織。

由圖9可知，隨著環(huán)境濕度增加，打底焊縫的微觀組織沒有太大變化，蓋面焊縫的微觀組織同樣受濕度影響不大，文中不再贅述。由圖10可以看出，隨著環(huán)境濕度的增加，HAZ（熱影響區(qū)）的組織變得粗大，且出現(xiàn)了脆硬組織，如魏氏組織，影響接頭組織的力學(xué)性能，導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度提高，沖擊韌性下降。

此外，又分別在0.3 MPa和0.5 MPa進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了與0.7 MPa一致的試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 打底焊縫顯微組織（350×）Fig.9 Microstructure of backing weld

3 結(jié)論

綜合0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa三組試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：

圖10 HAZ（熱影響區(qū)）顯微組織（350×）Fig.10 Microstructure of HAZ

（1）在高壓環(huán)境下，隨環(huán)境濕度增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有所增加，表明環(huán)境濕度的變化對(duì)焊接接頭的拉伸性能有一定影響；不同環(huán)境濕度下的彎曲數(shù)據(jù)較為接近，表明環(huán)境濕度的變化對(duì)焊接接頭的彎曲性能影響較小。

（2）在高壓環(huán)境下，不同環(huán)境濕度下的沖擊吸收功數(shù)據(jù)差異較大，且隨著濕度的增加，數(shù)值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明濕度的變化對(duì)接頭沖擊韌性影響較大，環(huán)境濕度的增加會(huì)降低接頭韌性。

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