湿度对高压环境下GMAW 接头力学性能的影响规律

冯 静 ，薛 龙 ，黄继强 ，黄军芬 ，刘 宏 ，谭谊诚 ，2

（1.北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室，北京102617；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）

0 前言

建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用范围广泛。自20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到空前的发展，高层钢结构、空间钢结构、桥梁钢结构等如雨后春笋，已延伸到水下领域。水下焊接作为构建钢结构的一种主要连接方法，在建筑钢结构建设中发挥着重要的作用[1-3]，焊接接头良好的力学性能是保证建筑钢结构安全工作的重要条件。

在水下焊接技术中，高压干式GMAW（gas metal arc welding，简称GMAW）由于具有焊接效率高，可进行全位置焊接，易于实现自动化、机械化，焊接稳定性好等优点而被广泛使用。这种方法在焊接时虽然已将施焊部位的水排开，但仍存在很大的空气湿度，这会影响焊接接头的力学性能，并最终影响着焊接质量。因此开展环境湿度对接头力学性能的研究具有重要的意义。

目前，在国内外对水下高压干式GMAW焊接接头力学性能的研究中，大部分围绕环境压力、电弧形态、焊接极性、保护气体成分等方面[4-13]展开，涉及到环境湿度的研究很少，所以模拟水下高压环境开展湿度对GMAW焊接接头力学性能的影响研究是非常有必要的。

1 试验材料和方法

试验用母材为Q235C低碳钢，具有良好的焊接性，选用JM56焊丝，母材和焊丝的化学成分和部分力学性能如表1、表2所示。采用60°V型坡口，如图1所示，通过打底焊及盖面焊完成坡口焊接。利用高压试验舱（见图2）模拟高压环境，舱内湿度信号由湿度检测系统（见图3）采集，该系统由耐压湿度传感器（见图4）及安装在电脑上的温、湿度数据处理软件组成，湿度传感器通过USB接口与计算机进行通信。由于高压舱内加压后，舱内气体密度增加，分子间隔变小，导致一定体积的空气里的水汽增加，即湿度增加，甚至达到90%RH以上。利用硅胶干燥剂可以调节舱内湿度，将舱内湿度分别调至20%～30%RH、50%～60%RH及80%～90%RH三档范围，然后进行高压干式焊接，焊后截取试样进行拉伸、弯曲和夏比冲击测试，确定湿度变化对焊接接头力学性能的影响规律。

表1 高压干式焊接试验母材与焊丝化学成分Table 1 Components of base metal and welding wireused in hyperbaric dry welding experiments %

表2 高压干式焊接试验母材与焊丝力学性能Table 2 Performances of base metal and welding wire used in hyperbaric dry welding experiments

图1 V型坡口尺寸Fig.1 Thesizeof V-groove

为保证试验结果的准确性，分别在0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa三个不同压力环境下进行了研究，鉴于篇幅有限，仅以0.7 MPa环境下得到的试验数据进行说明。

图2 焊接试验舱Fig.2 Welding experiment cabin

图3 湿度检测系统示意Fig.3 Schematic diagram of humidity detection system

图4 湿度检测元件Fig.4 The humidity detecting element

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸测试

按GB/T2651-2008标准要求，将焊后的接头沿垂直焊缝方向对称截取拉伸试样，如图5所示。由于焊接试件为板状试件，且厚度小，所以选用板形试样进行拉伸试验。试验结果如图6、表3所示。

图5 试样截取位置Fig.5 Interception location of samples

图6 拉伸曲线Fig.6 Curves of tensile

由图6可以看出，三条拉伸曲线虽然没有完全重合，但相差不大，且曲线走势大体相同。这说明不同的环境湿度对焊接接头的拉伸性能是有影响的，但影响很小。

拉伸测试后，整理得到的数据，结果如表3所示。由表3可知，随着环境湿度的增加，焊接试件的抗拉强度和延伸率变化不大。对比母材的力学性能可以发现，不同环境湿度下的焊接接头抗拉强度高于母材，但延展性略低于母材。说明焊后的接头强度提高，因此断裂部位发生在母材（关于湿度增加，抗拉强度逐渐提高的原因在显微组织观察部分有说明）。

表3 拉伸结果Table 3 Results of tensile test

2.2 弯曲测试

按GB/T2653-2008标准要求，对焊后的焊接接头进行取样，分别进行面弯和背弯试验，弯曲角度为180°，测试后的弯曲曲线如图7所示。

图7 弯曲曲线Fig.7 Curves of bendtest

由图7可知，不同湿度下的焊接试件在面弯和背弯测试中，弯曲性能的变化很小。说明焊接环境中湿度的变化对接头的弯曲塑性影响不明显。

测试后的试样如图8所示，图中面弯试样用字母F表示，背弯试样用字母B表示，测试后观察试样弯曲部位，在试样的受弯处均未发现裂纹，弯曲塑性满足要求。

图8 弯曲后的试样Fig.8 Samples after bending test

2.3 冲击测试

按GB/T2650-2008标准要求，采用尺寸55mm×10mm×10mm的V形缺口试样，分别在焊缝区和HAZ（热影响区）取样，在室温下进行夏比冲击测试，测试结果如表4所示。由表4可知，在高压环境下，随着环境湿度的增加，焊接接头的冲击吸收功数值降低，即冲击韧性下降，且焊缝区的冲击韧性优于HAZ（热影响区）。

表4 冲击试验结果Table.4 Results of impact test

为了进一步探究环境湿度对接头力学性能产生影响的原因，对不同湿度下的焊接接头取样，观察显微组织，得到不同环境湿度下焊缝及HAZ（热影响区）的组织，图9、图10分别为打底焊缝和HAZ的微观组织。

由图9可知，随着环境湿度增加，打底焊缝的微观组织没有太大变化，盖面焊缝的微观组织同样受湿度影响不大，文中不再赘述。由图10可以看出，随着环境湿度的增加，HAZ（热影响区）的组织变得粗大，且出现了脆硬组织，如魏氏组织，影响接头组织的力学性能，导致接头抗拉强度提高，冲击韧性下降。

此外，又分别在0.3 MPa和0.5 MPa进行了试验研究，得到了与0.7 MPa一致的试验结果。

图9 打底焊缝显微组织（350×）Fig.9 Microstructure of backing weld

3 结论

综合0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa三组试验研究数据可以得出结论：

图10 HAZ（热影响区）显微组织（350×）Fig.10 Microstructure of HAZ

（1）在高压环境下，随环境湿度增加，焊接接头的抗拉强度有所增加，表明环境湿度的变化对焊接接头的拉伸性能有一定影响；不同环境湿度下的弯曲数据较为接近，表明环境湿度的变化对焊接接头的弯曲性能影响较小。

（2）在高压环境下，不同环境湿度下的冲击吸收功数据差异较大，且随着湿度的增加，数值出现下降趋势，表明湿度的变化对接头冲击韧性影响较大，环境湿度的增加会降低接头韧性。

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