文/安錦 上官健 魏笑科 吳巧榮 湯林

0 引言

船舶的海水管系作為船舶主推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)等機電設備的重要組成部分，擔負著冷卻設備、消防、壓載、沖洗等的重要任務。船舶海水管系多使用鍍鋅鋼管，因此鍍鋅鋼管的耐腐蝕性，尤其是鍍鋅鋼管連接處的耐腐蝕性，決定了海水管系的使用壽命。為避免焊接時鍍鋅層的破壞，本研究通過降低焊接熱輸入，采用二氧化碳氣體保護焊對鍍鋅板實施等厚搭接焊，測試分析了搭接接頭的金相組織、顯微硬度，并對搭接板和母材進行了拉伸試驗，為鍍鋅鋼的可靠焊接提供理論參考。

1 材料和方法

采用滬通的高送絲性能逆變通用CO2焊機（型號為上海滬通M-320F）對200×60×5mm3的 Q235鍍鋅鋼板進行等厚搭接焊接，焊絲采用直徑為1.2mm的ER49-1焊絲。

首先將鍍鋅鋼板切割成長為200mm、寬為60mm、厚為5mm的試樣進行兩兩搭接的焊接實驗，待焊接后觀察其背面鍍鋅層。在施焊之前，要將切割好的鍍鋅鋼板試樣先用脫脂棉蘸取無水乙醇或者丙酮，仔細清洗除去覆蓋在其表面上的灰塵、污垢及油脂等直接會影響焊接試件搭接面光潔的污漬。

本次焊接采用80A、82A和90A的電流進行搭接焊接，焊接工藝參數及不同試樣焊接參數分別如表1、表2所示。焊后對接頭進行磨制拋光，在AE2000 WET金相顯微鏡下對組織進行觀察。搭接接頭的拉伸試驗根據GB/T 26957－2011《金屬材料焊縫破壞性試驗十字接頭和搭接接頭拉伸試驗方法》來進行，試驗的條件為室溫20℃，以6mm/min的拉伸速率在萬能試驗機上進行拉伸實驗。采用HVS-1000A型數顯顯微硬度計，使用時采用載荷皆為0.5kgf(4.9N)，且載荷持續(xù)時間為10s，通過測量菱形壓痕對角線長度來測量出各點的硬度值。

表1 焊接工藝參數

表2 不同試樣焊接參數

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭顯微組織測試及分析

2.1.1 熱影響區(qū)的顯微組織及成分分析

在施焊的過程中，生成焊縫的時候，在其組織周圍的母材會或多或少地受到焊接過程中的熱循環(huán)影響，這樣母材就受到了一次假性熱處理，這樣一來將會產生組織和性能與母材和焊縫都不相同的焊接熱循環(huán)區(qū)域，該區(qū)域就是熱影響區(qū)。其中，組織和性能改變的區(qū)域一般都會變成整個焊接接頭質量最差的部分，對焊接接頭的質量有決定性影響。很多焊接結構的失效都與其焊接熱影響區(qū)的性能惡化密不可分，因此，對試樣的接頭熱影響區(qū)的微觀組織進行觀察與分析是預防失效的最為有效的方法。典型的低碳鋼熱影響區(qū)包括：過熱區(qū)、相變重結晶區(qū)、不完全重結晶區(qū)。

（1）不完全重結晶區(qū)的微觀組織及成分分析

在不同的焊接電流下，不完全重結晶區(qū)均為鐵素體和珠光體，其中鐵素體的晶粒大小不一，珠光體晶粒較細小，如圖1所示。這是由于Ac1～Ac3范圍內只有一部分組織發(fā)生了相變重結晶（即鐵素和珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體）過程，成為細小的鐵素體和珠光體，而另一部分是始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體，因此該區(qū)晶粒大小不一、分布不均勻。對比三個焊接電流下在不完全重結晶區(qū)，可以發(fā)現，隨著電流增大，不完全重結晶區(qū)范圍變大，鐵素體的大小愈加不均勻。

圖1 不完全重結晶區(qū)與母材交界處

（2）相變重結晶區(qū)的顯微組織及成分分析

相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）組織都是細小而均勻的鐵素體和珠光體，見圖2。對比三種電流下的重結晶區(qū)組織，不難發(fā)現，隨著電流的增大，重結晶后形成的晶粒尺寸也增大，當電流達到90A時，重結晶后形成的鐵素體已經開始沿原奧氏體晶界呈網狀結晶出現；而電流較小時，鐵素體多以小塊狀出現。

圖2 不完全重結晶區(qū)與相變結晶區(qū)交界處

（3）過熱區(qū)的顯微組織及成分分析

過熱區(qū)的組織中珠光體和鐵素體都粗大，見圖3。由于此區(qū)距離焊縫近，金屬處于過熱的狀態(tài)，焊接時奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現象，冷卻之后便得到粗大的組織。隨著電流的增大，晶粒的長大越明顯,當電流較小時（80A、82A時）,未發(fā)現粗大的魏氏組織，先共析鐵素體量也較少；而當電流達到90A時，出現魏氏組織，對焊接接頭性能產生嚴重影響。魏氏組織不僅晶粒粗大，而且由于大量鐵素體針片形成的脆弱面使金屬的柔韌性急速下降，這是焊接接頭變脆的一個主要原因。

圖3 過熱區(qū)與焊縫區(qū)交界處

2.1.2 焊縫的顯微組織及成分分析

在焊縫區(qū)，晶粒主要以柱狀晶的形式長大，隨電流增大，柱狀晶越發(fā)粗大（見圖4）,其組織均由鐵素體和少量珠光體構成，部分成魏氏組織形態(tài)。通過微觀顯微鏡可以發(fā)現，在整個焊縫中心區(qū)域，都有先共析鐵素體（PF）和側板條鐵素體（FSP），組織晶粒沿著晶界分布在熔池中。PF呈條帶狀沿晶界分布，低屈服點的脆性相使焊縫金屬韌性降低。而FSP從先共析鐵素體側面以板條狀向原奧氏體晶內生長,形如鎬牙，內部位錯密度高，使焊縫金屬的韌性顯著降低。因為PF與FSP的存在,大大降低了焊縫區(qū)組織的力學性能。

圖4 焊縫的顯微組織

2.2 焊接接頭的力學性能

2.2.1 焊接接頭的抗拉強度

拉伸實驗發(fā)生斷裂的位置均在母材區(qū)，并且拉斷面都存在著明顯的縮頸現象，在拉斷面上可以看到很明顯的剪切唇。其中得到的數據如表3所示。根據表1計算得到拉斷時的屈服強度都在275MP以上，因為本次試驗的母材為Q235，所以試驗用的母材質量是合格的，拉斷時的屈服強度就是母材本身的屈服強度。從中不難分析得到，本次試驗的焊縫區(qū)域的質量明顯要優(yōu)于母材本身的質量,從側面說明了本次的焊接結果是比較成功的，焊縫的性能比較良好。

2.2.2 焊接接頭顯微硬度分析

對三組電流參數下的金相試樣進行觀察之后，進行顯微硬度的測試，進一步研究搭接接頭的組織性能。所測結果如圖5所示。

圖5 不同焊接電流的硬度變化

從圖5可見，三條曲線變化趨勢大致相同，都是從母材到焊縫硬度遞增，其中工藝在I=80A和I=90A的曲線到熱影響區(qū)的過熱區(qū)硬度值達到最高峰，繼焊縫處后硬度降低，然后稍做波動變化；工藝I=82A到達焊縫處仍遞增，這是由于熱影響區(qū)發(fā)生重結晶，在不完全結晶區(qū)和重結晶區(qū)組織得到相應細化，力學性能均高于母材。對比三種工藝參數下的硬度分布，其中I=90A的焊縫硬度最低。經查閱文獻知，鐵素體塑性高、強度低、抵抗塑性變形的能力差，而導致硬度降低。在前面的顯微組織分析中已提出工藝編號I=90A的焊接熱輸入最高，導致高溫停留較長、冷卻較慢，先共析鐵素體就較多、珠光體較少，因此I=90A的焊縫硬度最低。

根據各工藝下焊接接頭硬度分布情況，I=80A時，硬度變化由緩慢遞增至焊接接頭處達到平穩(wěn)，無硬度突變情況出現，對接頭承載能力有很大的幫助。

3 結論

本研究主要采用理論與試驗相結合的方法，對船舶用鍍鋅鋼進行了CO2氣體保護焊接工藝研究，通過研究不同的焊接電流參數對焊接接頭的質量及搭接接頭背面鍍鋅層的影響，從而選擇給定條件下的最優(yōu)電流參數。

經過對鍍鋅鋼板CO2氣體保護焊接的接頭試樣進行試驗分析，通過分析金相觀察焊接接頭橫截面的顯微組織，測試接頭拉伸力學性能和硬度，得到了如下結論：一是從金相組織觀察分析可以得出，隨焊接電流的增大，焊接熱影響區(qū)范圍變大，組織不均勻，過熱區(qū)出現魏氏組織，焊縫區(qū)柱狀晶更茁壯。二是在力學性能測試的拉伸試驗中，拉斷面均發(fā)生在母材區(qū)，焊縫的抗拉強度要高于母材的抗拉強度，證明本次焊接接頭的質量是合格的。三是在顯微硬度實驗中，焊接電流為82A時，從母材到熱影響區(qū)再到焊縫區(qū)的硬度均勻增大，反映了母材區(qū)到熱影響區(qū)到焊縫區(qū)的組織分布均勻性能良好。