倪志達(dá)，董博倫，蔡笑宇，林三寶

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150006）

近年來(lái)， 隨著我國(guó)材料加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，艦船制造、管道運(yùn)輸、壓力容器以及海洋平臺(tái)建設(shè)等行業(yè)也在不斷地進(jìn)行突破， 焊接結(jié)構(gòu)逐漸向著大型化的方向發(fā)展， 用于制造的鋼材也日趨增厚[1]。增厚高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的制造對(duì)焊接行業(yè)的工作者來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

早期用于船板、齒條、管道以及容器制造的高強(qiáng)鋼的強(qiáng)化手段多為增碳調(diào)質(zhì)， 一般采用小熱輸入焊接方法焊接。但在實(shí)際的焊接生產(chǎn)過(guò)程中，為保證生產(chǎn)效率， 一般會(huì)采用大熱輸入焊接方法進(jìn)行焊接， 目前針對(duì)上述制造過(guò)程應(yīng)用較為成熟的大熱輸入焊接方法主要為埋弧焊（SAW）與氣電立焊（EGW）。 然而，在大熱輸入焊接熱過(guò)程中，調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)在高溫區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)， 降溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中的溫度梯度較小，在經(jīng)歷多次熱循環(huán)后，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的強(qiáng)度與韌性均會(huì)嚴(yán)重惡化。 為兼顧厚壁焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率與接頭性能， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼鐵材料的設(shè)計(jì)與制備工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索， 試圖通過(guò)對(duì)鋼鐵材料本身的優(yōu)化來(lái)解決焊接熱過(guò)程帶來(lái)的性能惡化問(wèn)題， 主流的手段為降低鋼中的碳含量，添加多種微合金元素，結(jié)合熱加工工藝得到具有良好尺寸分布的化合物與細(xì)小的晶粒和板條束， 阻止升溫過(guò)程中奧氏體晶粒過(guò)分粗化。從微觀組織的角度考慮，導(dǎo)致熱影響區(qū)性能惡化的主要因素是原奧氏體晶粒尺寸過(guò)分粗化、晶界處形成上貝氏體或魏氏體鐵素體組織、 晶內(nèi)存在分布狀態(tài)和尺寸均不理想的M-A 組元。大線能量用微合金化鋼的設(shè)計(jì)思路主要是控制原奧氏體晶粒度，晶內(nèi)鐵素體的類(lèi)型、尺寸和形態(tài)，M-A 島分布[2]。 一般采用氮化物或氧化物冶金的方式，在鋼的熔煉過(guò)程中添加Ti、Nb、V 等氮化物冶金元素或Mg、Zr、Ce 等氧化物冶金元素， 通過(guò)合理的控軋控冷工藝（TMCP），使它們生成的細(xì)小夾雜顆粒釘扎在晶界和晶內(nèi)， 焊接熱循環(huán)高溫區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，原奧氏體晶粒不至于過(guò)分粗化，并能在晶內(nèi)夾雜處增加鐵素體的形核， 使得晶內(nèi)相尺寸更加細(xì)小[3-4]。

1 大線能量鋼在典型焊接熱循環(huán)下的組織特征

1.1 大線能量鋼中微觀組織的轉(zhuǎn)變慣序

大熱輸入焊接船用鋼原始供貨態(tài)多為正火或控軋控冷， 含碳量較低的合金系中原始組織主要為貝氏體或鐵素體。在降溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中，接頭熱影響區(qū)部分的組織轉(zhuǎn)變主要體現(xiàn)為貝氏體鐵素體形態(tài)上的轉(zhuǎn)變以及M-A 組元形態(tài)與分布的改變。

李靜等[5]采用熱模擬的手段研究了焊接熱循環(huán)參數(shù)對(duì)EH40 級(jí)船用高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織和性能的影響，隨著焊接熱循環(huán)峰值溫度增加，熱模擬試樣的微觀組織類(lèi)型從準(zhǔn)多邊形鐵素體/珠光體（QF/P） 過(guò)渡至準(zhǔn)多邊形鐵素體/貝氏體鐵素體（QF/BF）， 且貝氏體鐵素體條塊的尺寸逐漸增大，M-A 組元數(shù)量、尺寸增加，由細(xì)塊狀向條狀過(guò)渡；隨t8/5增加，微觀組織類(lèi)型由貝氏體鐵素體（BF）向鐵素體/珠光體（F/P）過(guò)渡，鐵素體條塊的尺寸也隨之增加，細(xì)塊狀M-A 島數(shù)量增多。

李小寶等人[6]對(duì)EH40 鋼進(jìn)行了大熱輸入焊接熱模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明隨t8/5增加，熱模擬試樣的微觀組織由粒狀貝氏體 （GB） 向晶界鐵素體（GBF）、晶內(nèi)針狀鐵素體（IAF）或GBF、上貝氏體（Bu）的混合組織過(guò)渡。

1.2 大線能量鋼典型焊接熱影響區(qū)特征

大線能量鋼可能經(jīng)歷的典型熱循環(huán)取決于使用的坡口形式、 構(gòu)件試板的厚度以及所使用的焊接方法， 主要有單次大熱輸入熱循環(huán)以及多次小熱輸入熱循環(huán)。 兩種模式下焊接接頭熱影響區(qū)的構(gòu)成有著顯著的差別。

基于單次大熱輸入熱循環(huán)的焊接接頭熱影響區(qū)分布與典型單道熱循環(huán)產(chǎn)生的熱影響區(qū)分布相同，大致分為粗晶區(qū)（CGHAZ）、細(xì)晶區(qū)（FGHAZ）、臨界區(qū)（ICHAZ）。 而基于多層單道的厚板焊接技術(shù)，如窄間隙MAG 焊，在相鄰的焊縫間會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)重疊的現(xiàn)象。 產(chǎn)生組織性能惡化傾向最大的粗晶區(qū)的重疊特征如圖1[7]所示。 其中紫色曲線代表當(dāng)前焊道產(chǎn)生的熱影響區(qū)邊界，綠色曲線代表先焊焊道產(chǎn)生的熱影響區(qū)邊界。 黃色曲線代表先焊焊道的未變?cè)贌岽志^(qū)中可能受到后焊焊道未完全奧氏體化再熱作用的臨界區(qū)邊界。

圖1 EH40 級(jí)剛強(qiáng)鋼多層單道窄間隙MAG 焊接頭熱影響區(qū)重疊特征[7]Fig. 1 Overlapping Characteristics for Heat Affected Zones of Welded Joints of EH40 Grade High Strength Steel by Multi-layer Single-pass Narrow Gap MAG[7]

先焊焊道產(chǎn)生的粗晶區(qū)由于后焊焊道的熱影響區(qū)的重疊被劃分為未變?cè)贌岽志^(qū)（UACGHAZ）、過(guò)臨界再熱粗晶區(qū)（SCRCGHAZ）、臨界再熱粗晶區(qū)（IRCGHAZ）與未發(fā)生二次奧氏體化的先焊焊道粗晶區(qū)。受窄間隙MAG 焊單道填充尺寸影響，熱影響區(qū)重疊行為也會(huì)有所變化。單道填充尺寸較大時(shí)， 僅相鄰焊道產(chǎn)生的兩個(gè)熱影響區(qū)發(fā)生重疊；填充尺寸較小時(shí)，先焊焊道產(chǎn)生的粗晶區(qū)有受到其后的第二道焊縫產(chǎn)生的二次奧氏體化熱影響的傾向。

2 大線能量鋼焊接技術(shù)

2.1 大熱輸入焊接技術(shù)

目前常用的厚壁船體結(jié)構(gòu)用鋼大熱輸入焊接技術(shù)主要為埋弧焊與氣電立焊， 焊接與其熱輸入特征適配的大線能量鋼焊接結(jié)構(gòu)時(shí)能夠極大程度地發(fā)揮其高效率生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

武會(huì)賓、梁國(guó)俐等[8-9]對(duì)40～50 kJ/cm 熱輸入量級(jí)EH36 船板鋼埋弧焊接頭組織及性能進(jìn)行了研究。 在給定熱輸入條件下，接頭焊縫組織由晶界鐵素體、塊狀鐵素體以及少量的針狀鐵素體組成，未觀察到側(cè)板條鐵素體； 粗晶區(qū)原奧氏體晶內(nèi)組織為板條貝氏體、針狀鐵素體、塊狀鐵素體以及少量粒狀鐵素體。 埋弧焊接頭力學(xué)性能（-20 ℃）如表1所示。 所有斷裂均發(fā)生在拉伸試樣的母材區(qū)，EH36 船板鋼在大焊接熱輸入條件下，焊縫和焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度優(yōu)于母材， 沒(méi)有出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。隨著遠(yuǎn)離熔合線距離的增加，沖擊吸收功有增加的趨勢(shì)。

表1 埋弧焊接頭力學(xué)性能（-20 ℃）Table 1 Mechanical Properties of Joints by Submerged Arc Welding （-20 ℃）

孫占等[10]以60 kJ/cm 的熱輸入量對(duì)EH40 船板鋼進(jìn)行埋弧焊， 其接頭拉伸試樣斷裂位置距離接頭較遠(yuǎn)，接頭熱影響區(qū)并未發(fā)生顯著軟化。焊縫和熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性低于母材， 其中焊縫沖擊吸收功最低，為70.5 J；從距熔合線4 mm 處至近焊縫的粗晶區(qū)，沖擊韌性呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，粗晶區(qū)沖擊吸收功為85.2 J， 遠(yuǎn)低于母材沖擊吸收功。 在此熱輸入條件下，Ti、Nb 等微合金元素的碳氮化合物仍能在一定程度上起到阻止粗晶區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大以及促進(jìn)針狀鐵素體析出的作用，改善沖擊韌性。

肖云明等[11]以103 kJ/cm 的熱輸入對(duì)EH40船板鋼埋弧焊接頭組織性能進(jìn)行了研究。 焊接接頭同樣沒(méi)有出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象。 熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織主要由板條貝氏體、先共析鐵素體以及針狀鐵素體組成。 高熔點(diǎn)析出粒子能夠促進(jìn)針狀鐵素體的形成，其有效晶粒尺寸小、大角度晶界比例高，改善了粗晶區(qū)的沖擊韌性。

許志祥等[12]針對(duì)68 mm 厚不同供貨態(tài)的EH36級(jí)船用高強(qiáng)鋼在300～400 kJ/cm 量級(jí)熱輸入的條件下進(jìn)行雙絲氣電立焊，接頭靜載性能、沖擊韌性分別如表2、3 所示。 在此條件下，大線能量鋼的接頭靜載性能以及沖擊韌度均能滿足使用要求，而正火鋼接頭僅靜載性能滿足規(guī)范要求。

表2 雙絲氣電立焊接頭靜載性能Table 2 Static Load Performance of Joints by Tandem Wire Electro-gas Welding

表3 雙絲氣電立焊接頭沖擊韌性Table 3 Impact Toughness of Joints by Tandem Wire Electro-gas Welding

王納等[13]采用700 kJ/cm 的熱輸入進(jìn)行了80 mm 厚EH36 級(jí)高強(qiáng)鋼板的雙絲氣電立焊，接頭抗拉強(qiáng)度為542 MPa，于母材處斷裂，沖擊吸收功如表4 所示，接頭最薄弱位置為根部粗晶區(qū)，最低沖擊吸收功為59 J， 但尚能夠滿足E 級(jí)鋼的規(guī)范性能要求。

表4 80 mm 厚EH36 級(jí)高強(qiáng)鋼板雙絲氣電立焊接頭低溫沖擊吸收功Table 4 Low Temperature Impact Absorbing Energy of Joints by Tandem Wire Electro-gas Welding of 80 mm Thick EH36 Grade High-Strength Steel Plate J

2.2 窄間隙焊接技術(shù)

大線能量鋼的開(kāi)發(fā)使得傳統(tǒng)大熱輸入焊接方法在生產(chǎn)中得以充分發(fā)揮其高效生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，然而埋弧焊與氣電立焊在制造工況上均存在一些限制。比如，埋弧焊對(duì)平焊以及橫焊位以外的工況適應(yīng)性不好， 氣電立焊單次成形使得焊接構(gòu)件試板厚度受限。窄間隙焊接技術(shù)是一種高效焊接技術(shù)，其中窄間隙MAG 焊具有較小的熱輸入，多為多層單道焊，且易于實(shí)現(xiàn)熔池調(diào)控，能適應(yīng)空間多位置焊接。近年來(lái)，亦有學(xué)者對(duì)大線能量用鋼的窄間隙焊接技術(shù)進(jìn)行研究。

付魁軍、胡奉雅等[14-15]采用擺動(dòng)電弧窄間隙MAG 焊以及雙絲窄間隙MAG 焊對(duì)EH40 微合金化鋼進(jìn)行接頭組織性能的研究。 EH40 級(jí)大熱輸入鋼粗晶區(qū)的組織主要為板條貝氏體、粒狀貝氏體以及針狀鐵素體。 采用雙絲窄間隙MAG 焊方法對(duì)84 mm 厚EH40 級(jí)高強(qiáng)鋼進(jìn)行窄間隙焊接，得到了成形良好的焊接接頭。 接頭抗拉強(qiáng)度為520 MPa，接近母材抗拉強(qiáng)度，且接頭180°彎曲試樣表面未見(jiàn)裂紋。 說(shuō)明采用雙絲窄間隙MAG 焊方法焊接EH40 級(jí)高強(qiáng)鋼能夠獲得未軟化且靜載性能良好的接頭。 采用擺動(dòng)電弧窄間隙MAG 焊對(duì)38 mm 厚EH40 級(jí)船板鋼進(jìn)行焊接，亦獲得良好靜載性能的接頭，接頭抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收功分別如表5、6 所示。但粗晶區(qū)由于熱影響區(qū)重疊的影響在硬度分布上呈現(xiàn)出沿厚度方向波動(dòng)的現(xiàn)象，熱影響區(qū)沖擊韌性有所損失，焊縫沖擊吸收功最低，為61.9 J，低于填充材料理論沖擊吸收功。

表5 38 mm 厚EH40 級(jí)船板鋼窄間隙MAG 焊接頭抗拉強(qiáng)度Table 5 Tensile Strength of Joints by Narrow Gap GMA Welding of 38 mm Thick EH40 Grade Steel Plate for Ship-building

表6 38 mm 厚EH40 級(jí)船板鋼窄間隙MAG 焊接頭沖擊吸收功（-40 ℃）Table 6 Impact Absorbing Energy of Joints by Narrow Gap MAG Welding of 38 mm Thick EH40 Grade Steel Plate for Ship-building（-40 ℃）

倪志達(dá)、蔡笑宇等[16]采用雙絲窄間隙MAG 焊以及擺動(dòng)電弧窄間隙MAG 焊對(duì)Q690 級(jí)微合金化鋼進(jìn)行窄間隙焊接接頭組織性能研究。 采用雙絲窄間隙MAG 焊對(duì)68 mm 厚Q690E 鋼板進(jìn)行焊接， 在無(wú)需預(yù)熱的條件下獲得了成形良好的無(wú)缺陷接頭，并研究了焊接速度對(duì)抗拉強(qiáng)度以及-40 ℃沖擊吸收功的影響。焊接速度從350 mm/min 降至250 mm/min 時(shí)， 接頭抗拉強(qiáng)度從795.3 MPa 降至718.3 MPa，沖擊吸收功最小的區(qū)域?yàn)楹缚p，由76～81 J 降至55～69 J。采用擺動(dòng)電弧窄間隙MAG 焊對(duì)155 mm 厚Q690E 鋼板進(jìn)行雙面焊接，由于其熱輸入小于雙絲電弧，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到853.4 MPa，接頭試樣-40 ℃沖擊吸收功約為69～87 J。 兩種窄間隙MAG 焊接方法均能通過(guò)工藝調(diào)整使接頭抗拉強(qiáng)度高于770 MPa 且-40 ℃沖擊吸收功高于69 J， 因此能夠滿足690 MPa 級(jí)別微合金化鋼的海洋裝備制造需求。

3 結(jié)語(yǔ)

390～690 MPa 級(jí)別大線能量鋼的成熟開(kāi)發(fā)極大程度上促進(jìn)了傳統(tǒng)大熱輸入焊接方法如埋弧焊、氣電立焊在厚壁海洋工程用鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用，能夠增加造船、海洋平臺(tái)等行業(yè)的生產(chǎn)效率。 此強(qiáng)度級(jí)別微合金化鋼的窄間隙焊接也頗有前景，窄間隙MAG 焊更加靈活且熱輸入與變形均較小，目前已有研究表明窄間隙接頭能夠滿足厚壁海洋用鋼的使用要求。且780 MPa 級(jí)別高強(qiáng)鋼供貨態(tài)仍以調(diào)質(zhì)為主，在此強(qiáng)度級(jí)別以上超高強(qiáng)鋼的大線能量鋼系列開(kāi)發(fā)成熟前，窄間隙MAG 焊接技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)大熱輸入焊接方法仍有很大優(yōu)勢(shì)。