文/安锦 上官健 魏笑科 吴巧荣 汤林

0 引言

船舶的海水管系作为船舶主推进系统、电力系统、辅机系统等机电设备的重要组成部分，担负着冷却设备、消防、压载、冲洗等的重要任务。船舶海水管系多使用镀锌钢管，因此镀锌钢管的耐腐蚀性，尤其是镀锌钢管连接处的耐腐蚀性，决定了海水管系的使用寿命。为避免焊接时镀锌层的破坏，本研究通过降低焊接热输入，采用二氧化碳气体保护焊对镀锌板实施等厚搭接焊，测试分析了搭接接头的金相组织、显微硬度，并对搭接板和母材进行了拉伸试验，为镀锌钢的可靠焊接提供理论参考。

1 材料和方法

采用沪通的高送丝性能逆变通用CO2焊机（型号为上海沪通M-320F）对200×60×5mm3的 Q235镀锌钢板进行等厚搭接焊接，焊丝采用直径为1.2mm的ER49-1焊丝。

首先将镀锌钢板切割成长为200mm、宽为60mm、厚为5mm的试样进行两两搭接的焊接实验，待焊接后观察其背面镀锌层。在施焊之前，要将切割好的镀锌钢板试样先用脱脂棉蘸取无水乙醇或者丙酮，仔细清洗除去覆盖在其表面上的灰尘、污垢及油脂等直接会影响焊接试件搭接面光洁的污渍。

本次焊接采用80A、82A和90A的电流进行搭接焊接，焊接工艺参数及不同试样焊接参数分别如表1、表2所示。焊后对接头进行磨制抛光，在AE2000 WET金相显微镜下对组织进行观察。搭接接头的拉伸试验根据GB/T 26957－2011《金属材料焊缝破坏性试验十字接头和搭接接头拉伸试验方法》来进行，试验的条件为室温20℃，以6mm/min的拉伸速率在万能试验机上进行拉伸实验。采用HVS-1000A型数显显微硬度计，使用时采用载荷皆为0.5kgf(4.9N)，且载荷持续时间为10s，通过测量菱形压痕对角线长度来测量出各点的硬度值。

表1 焊接工艺参数

表2 不同试样焊接参数

2 试验结果及分析

2.1 焊接接头显微组织测试及分析

2.1.1 热影响区的显微组织及成分分析

在施焊的过程中，生成焊缝的时候，在其组织周围的母材会或多或少地受到焊接过程中的热循环影响，这样母材就受到了一次假性热处理，这样一来将会产生组织和性能与母材和焊缝都不相同的焊接热循环区域，该区域就是热影响区。其中，组织和性能改变的区域一般都会变成整个焊接接头质量最差的部分，对焊接接头的质量有决定性影响。很多焊接结构的失效都与其焊接热影响区的性能恶化密不可分，因此，对试样的接头热影响区的微观组织进行观察与分析是预防失效的最为有效的方法。典型的低碳钢热影响区包括：过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。

（1）不完全重结晶区的微观组织及成分分析

在不同的焊接电流下，不完全重结晶区均为铁素体和珠光体，其中铁素体的晶粒大小不一，珠光体晶粒较细小，如图1所示。这是由于Ac1～Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶（即铁素和珠光体全部转变为奥氏体）过程，成为细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体，因此该区晶粒大小不一、分布不均匀。对比三个焊接电流下在不完全重结晶区，可以发现，随着电流增大，不完全重结晶区范围变大，铁素体的大小愈加不均匀。

图1 不完全重结晶区与母材交界处

（2）相变重结晶区的显微组织及成分分析

相变重结晶区（正火区）组织都是细小而均匀的铁素体和珠光体，见图2。对比三种电流下的重结晶区组织，不难发现，随着电流的增大，重结晶后形成的晶粒尺寸也增大，当电流达到90A时，重结晶后形成的铁素体已经开始沿原奥氏体晶界呈网状结晶出现；而电流较小时，铁素体多以小块状出现。

图2 不完全重结晶区与相变结晶区交界处

（3）过热区的显微组织及成分分析

过热区的组织中珠光体和铁素体都粗大，见图3。由于此区距离焊缝近，金属处于过热的状态，焊接时奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大的组织。随着电流的增大，晶粒的长大越明显,当电流较小时（80A、82A时）,未发现粗大的魏氏组织，先共析铁素体量也较少；而当电流达到90A时，出现魏氏组织，对焊接接头性能产生严重影响。魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面使金属的柔韧性急速下降，这是焊接接头变脆的一个主要原因。

图3 过热区与焊缝区交界处

2.1.2 焊缝的显微组织及成分分析

在焊缝区，晶粒主要以柱状晶的形式长大，随电流增大，柱状晶越发粗大（见图4）,其组织均由铁素体和少量珠光体构成，部分成魏氏组织形态。通过微观显微镜可以发现，在整个焊缝中心区域，都有先共析铁素体（PF）和侧板条铁素体（FSP），组织晶粒沿着晶界分布在熔池中。PF呈条带状沿晶界分布，低屈服点的脆性相使焊缝金属韧性降低。而FSP从先共析铁素体侧面以板条状向原奥氏体晶内生长,形如镐牙，内部位错密度高，使焊缝金属的韧性显著降低。因为PF与FSP的存在,大大降低了焊缝区组织的力学性能。

图4 焊缝的显微组织

2.2 焊接接头的力学性能

2.2.1 焊接接头的抗拉强度

拉伸实验发生断裂的位置均在母材区，并且拉断面都存在着明显的缩颈现象，在拉断面上可以看到很明显的剪切唇。其中得到的数据如表3所示。根据表1计算得到拉断时的屈服强度都在275MP以上，因为本次试验的母材为Q235，所以试验用的母材质量是合格的，拉断时的屈服强度就是母材本身的屈服强度。从中不难分析得到，本次试验的焊缝区域的质量明显要优于母材本身的质量,从侧面说明了本次的焊接结果是比较成功的，焊缝的性能比较良好。

2.2.2 焊接接头显微硬度分析

对三组电流参数下的金相试样进行观察之后，进行显微硬度的测试，进一步研究搭接接头的组织性能。所测结果如图5所示。

图5 不同焊接电流的硬度变化

从图5可见，三条曲线变化趋势大致相同，都是从母材到焊缝硬度递增，其中工艺在I=80A和I=90A的曲线到热影响区的过热区硬度值达到最高峰，继焊缝处后硬度降低，然后稍做波动变化；工艺I=82A到达焊缝处仍递增，这是由于热影响区发生重结晶，在不完全结晶区和重结晶区组织得到相应细化，力学性能均高于母材。对比三种工艺参数下的硬度分布，其中I=90A的焊缝硬度最低。经查阅文献知，铁素体塑性高、强度低、抵抗塑性变形的能力差，而导致硬度降低。在前面的显微组织分析中已提出工艺编号I=90A的焊接热输入最高，导致高温停留较长、冷却较慢，先共析铁素体就较多、珠光体较少，因此I=90A的焊缝硬度最低。

根据各工艺下焊接接头硬度分布情况，I=80A时，硬度变化由缓慢递增至焊接接头处达到平稳，无硬度突变情况出现，对接头承载能力有很大的帮助。

3 结论

本研究主要采用理论与试验相结合的方法，对船舶用镀锌钢进行了CO2气体保护焊接工艺研究，通过研究不同的焊接电流参数对焊接接头的质量及搭接接头背面镀锌层的影响，从而选择给定条件下的最优电流参数。

经过对镀锌钢板CO2气体保护焊接的接头试样进行试验分析，通过分析金相观察焊接接头横截面的显微组织，测试接头拉伸力学性能和硬度，得到了如下结论：一是从金相组织观察分析可以得出，随焊接电流的增大，焊接热影响区范围变大，组织不均匀，过热区出现魏氏组织，焊缝区柱状晶更茁壮。二是在力学性能测试的拉伸试验中，拉断面均发生在母材区，焊缝的抗拉强度要高于母材的抗拉强度，证明本次焊接接头的质量是合格的。三是在显微硬度实验中，焊接电流为82A时，从母材到热影响区再到焊缝区的硬度均匀增大，反映了母材区到热影响区到焊缝区的组织分布均匀性能良好。