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摘要：本文针对10CrNi3MoV钢双面双弧GMAW工艺展开研究，通过10mm的10CrNi3MoV钢进行横、立位置双面双弧GMAW试验，获得了质量可靠的焊接接头，掌握了10CrNi3MoV钢双面双弧GMAW操作要点，确定了10CrNi3MoV 钢双面双弧GMAW焊接参数。 一、前言 10CrNi3MoV 钢作为主船体用钢，具有较高的强度、良好的韧性和耐海水腐蚀能力，其不足主要表现在焊接后热影响区存在软化、脆化和冷裂纹倾向。目前，10CrNi3MoV钢在实际生产中，以埋弧自动焊和焊条电弧焊为主，辅以少量气体保护焊方法。 对接焊缝在设计和施工上一般采用Y型坡口,施焊过程严格按照下列顺序执行，焊前预热→焊缝正面坡口焊接→焊缝背面扣槽清根→背面坡口打磨→焊件预热→背面焊缝焊接，由于工序多，所以容易产生未焊透、裂纹等焊接缺陷，焊后焊缝残余应力大，结构易变形， 因此，现有产品焊接时，造成焊工劳动强度加大，焊件反复加热，产品质量稳定性控制难以保证。双面双弧GMAW采用焊缝坡口正反两面同时焊接的方法，简化了焊接施工工艺，与传统焊接方法相比，具有如下优点； (1)提高焊接效率，减少能耗，免去反面碳弧气刨清根、预热打磨等工序，并节约相应的能耗； (2)减小焊后残余应力和变形； (3)改善焊缝组织，降低接头的淬硬倾向，稳定焊接质量； (4)有利于自动焊技术推广应用。 二、工艺分析 10CrNi3MoV钢为低碳调质钢，通过调质热处理获得强化。影响冷裂纹和热影响区脆化产生的关键因素是10CrNi3MoV钢焊接时冷却速度的控制，冷却速度主要受到预热及焊件散热条件的影响。 10CrNi3MoV钢焊接前需预热，预热温度80℃——120℃，且不宜采用过大热输入，通常采用多层多道焊。层间温度不大于150℃，对于后道焊道而言，层间温度相当于预热温度，对上一道而言相当于后热温度。层间温度控制过高，使得接头抗拉强度降低，产生软化。 10CrNi3MoV钢采用双面双弧焊接，坡口型式和接头装配精度是主要工艺影响因素，通过多次试焊和坡口改进优化，最终确定双面对称的X型坡口，见图1。同时，根据不同焊接位置留出足够坡口根部间隙，消除焊缝横向收缩余量过大对根部焊道成形的影响。 双面双弧GMAW两个电弧同时作用在焊缝正反两面，在焊接过程中，温度场呈双峰结构，双面热源往复加热，前电弧对后焊道有预热作用，可降低焊接接头残余应力，而后电弧对前焊道有后热作用，可适当降低焊缝冷却速度，有效防止冷裂纹，还可减轻热影响区脆化倾向。 结合10CrNi3MoV钢自身焊接特性，经过大量试焊和工艺改进，初步形成了双面双弧GMAW的基本工艺要点： (1) 控制两个电弧适当间距。电弧间距太近，两者相互作用过大，同时易使焊缝产生过热，降低焊缝韧性，并且会出现焊穿、咬口、焊瘤、熔池下淌等现象。电弧间距太远，首道焊缝背面根部金属处于完全凝固状态，不利于焊缝重熔，直接导致气孔、未熔合等焊接缺陷产生。 (2) 合适的装配间隙。横向（2G）位置试板装配间隙在1——2mm，立焊（3G）位置试板装配间隙在3——4mm最为合适。若装配间隙过大，焊缝易焊穿，而且会相应增加热输入，降低接头性能，过小的装配间隙，不利于根部焊缝金属从背面透出，容易产生未熔合。 (3) 降低总热输入，合理分配两个电弧的电弧功率和焊接参数。双面双弧GMAW采用后电弧比前电弧略低的电弧功率时可减小应力积累叠加，在热输入总量不变和较小的弧间距下可减少焊接应力和角变形，此外背面后电弧采用小于正面前电弧焊接参数，可有效控制后弧侧焊缝余高，特别是立焊（3G）位置的表面成形效果改善尤为明显。 三、工艺试验 试验以10mm板厚的10CrNi3MoV钢为对象，在大量试板焊接基础上，经焊缝无损探伤、理化性能测试等手段摸索出合理的焊接规范，并通过完整工艺试验进行了验证。 3.1 试验材料 本试验使用的10CrNi3MoV钢的化学成分见表1，机械性能见表2。试验选用φ1.2mm的焊丝，其化学成分见表3，机械性能见表4。保护气体采用80%Ar+20%CO2混合气。 3.2 试验设备 试验采用奥地利 Fronius 公司生产的 TIME 5000 Digital 全数字化焊机。 3.3 焊接试验 10CrNi3MoV 钢双面双弧 GMAW 横、立位置对接焊工艺试验见图 2。选用 10mm 厚度板材，其中横对接采用自动焊，立对接采用半自动焊，焊缝坡口型式按图 1 所示，焊接参数见表 5。焊接过程中，两侧电弧十分稳定，焊缝与母材圆滑过渡，焊缝表面成型美观，参见图 3。 图2 双面双弧 GMAW 试验现场照片
3.4 焊接接头力学性能及金相检验结果 依据船体规范有关检验标准，对工艺试板的焊接接头进行了拉伸、冷弯、冲击等常规力学性能测试和金相检验，力学性能测试结果见表 6，宏观金相检测照片见图 4 所示，硬度测试轨迹如图 5 所示，硬度测试结果见表 7，其硬度最大值 335，远低于规范限定的 HV410。
3.5 结果分析 从表 6、表 7 可以看出，所有接头的力学性能和金相检验结果均能满足规范设计要求。S1 与 S2 相比，在冲击韧性方面有较大下降。这是由于 S1 在焊接过程中两侧焊枪前后电弧间距较近，相当于焊缝热输入增大，降低了焊缝韧性。 同理，L2 试板由于增大两电弧间距，冲击韧性较 L1 明显提高。焊接接头的最高硬度在热影响区，与传统单弧焊接工艺相比,其硬度值明显下降。主要原因是由于双面双弧 GMAW 的温度场呈双峰结构，双面热源往复加热，相互热作用减缓了焊缝冷却速度，从而降低了硬度值。 四、结论 1.双面双弧 GMAW 适用于 10CrNi3MoV 钢的焊接，可以保证其接头性能指标符合设计规范要求。 2.焊枪电弧间距直接影响焊缝成型和接头性能，10CrNi3MoV 钢双面双弧横焊时，相距范围 10——40mm，立焊时，相距 40——60mm 较为适宜。 3、与传统的 10CrNi3MoV 钢焊接工艺相比，双面双弧 GMAW 可以降低 HAZ 的硬度，从而降低焊缝的冷裂和淬硬倾向。 4、双面双弧 GMAW 免去焊缝碳刨清根、坡口打磨及中间预热工序，简化了施焊工序，提高了焊接效率。 来源：设计院 |
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