張德遠(yuǎn)，屈金山，謝芋江，何 芬

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

雙絲埋弧焊接頭性能研究

張德遠(yuǎn)，屈金山，謝芋江，何 芬

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

在16Mn鋼板上進(jìn)行雙絲自動(dòng)埋弧焊工藝試驗(yàn)，得到了不同焊接速度下的焊件。對(duì)不同工藝參數(shù)下得到的焊接接頭試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試以及金屬顯微組織觀察，并計(jì)算了雙絲自動(dòng)埋弧焊時(shí)的熔敷率。結(jié)果表明：采用雙絲埋弧焊得到的焊縫外形美觀；金屬熔敷率與焊接速度成反比；隨著焊接速度的降低焊接線能量相應(yīng)的增大，較長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間會(huì)促使接頭金屬組織長(zhǎng)大；不同焊接速度下得到的接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有明顯區(qū)別。隨焊接速度增大，焊縫金屬硬度提高，接頭金屬韌性降低。

雙絲埋弧焊；熔敷率；焊接接頭；組織

0 前言

埋弧焊是焊接生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的工藝方法之一。其焊接熔深大、生產(chǎn)效率高、機(jī)械化程度高，因而特別適合中厚板長(zhǎng)焊縫的焊接。在造船、鍋爐、壓力容器、化工、橋梁、起重機(jī)械、工程機(jī)械、冶金機(jī)械以及海洋結(jié)構(gòu)、核電設(shè)備制造中埋弧焊都是主要的焊接生產(chǎn)工藝[1]。雙絲埋弧焊的引入，減少了焊接道次，焊接效率可以大幅度提高。通過(guò)前后絲焊接參數(shù)的合理調(diào)整，能夠在較寬的范圍內(nèi)控制焊接能量的輸入，滿足不同使用條件下的性能要求。在焊接過(guò)程中，根據(jù)板厚情況，選擇合適的焊接工藝，可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率[2]。對(duì)雙絲埋弧焊工藝方法及其特點(diǎn)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此采用了成都華遠(yuǎn)電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MZS－1250型通用雙絲埋弧焊設(shè)備，在16Mn鋼上進(jìn)行了雙絲埋弧焊工藝試驗(yàn)，結(jié)合具體試驗(yàn)條件，研究了焊縫金屬組織和接頭力學(xué)性能等，為提高雙絲埋弧焊接頭質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和焊前準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用δ＝20 mm厚的16Mn鋼板，其化學(xué)成分為 w(C)＝0.12～0.18，w(Si)＝0.20～0.60，w(Mn)＝0.80～1.20，w(P)≤0.050，w(S)≤0.045。焊絲采用生產(chǎn)中常用的 H08A，化學(xué)成分為 w(C)≤0.01，w(Si)≤0.03，w(Mn)＝0.30～0.55，w(Cr)≤0.02，w(Ni)≤0.30，w(S)≤0.040，w(P)≤0.040。前絲采用直流反接，后絲采用交流，前、后絲直徑4 mm。配用焊劑SJ101。將板材加工成規(guī)格為600 mm×150 mm的焊接試件。

雙絲埋弧焊，前后絲夾角10°，兩絲間距約70mm。采用V形坡口，坡口角度60°，鈍邊8 mm，裝配間隙小于等于1 mm，焊件背面點(diǎn)焊定位，清除坡口兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污和臟物等。

1.2 焊接參數(shù)

雙絲埋弧焊接過(guò)程中，前絲、后絲共同決定了熱輸入和最終的組織狀態(tài)和使用性能，前后絲的作用又不盡相同。一般前絲的電流較大而電壓較小，決定焊道的熔深；后絲電流較小電壓較大，可以保證一定的熔寬和焊縫成形[3]。本試驗(yàn)采用雙絲雙面焊，焊接時(shí)前絲電壓35V，電流700 A；后絲電壓40 V，電流500 A。具體工藝參數(shù)如表1所示。

表1 雙絲埋弧焊焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 熔敷率

熔敷率為單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊絲金屬過(guò)渡到焊縫中的質(zhì)量。由電極產(chǎn)熱計(jì)算公式可知，用于加熱和融化焊絲的總熱量Pm主要由兩部分組成：一為電弧的近電極區(qū)產(chǎn)的熱量，二為焊絲干伸長(zhǎng)的電阻熱量，可用下式表示[4]:

式中 I為焊接電流；Um為電弧熱熔化焊絲的等效電壓；R為干伸長(zhǎng)的等效電阻值。

焊絲的熔化量由電弧的熱輸入量和焊絲電阻產(chǎn)熱量?jī)蓚€(gè)主要因素所決定。熔敷率的大小受焊接電流、焊絲伸出長(zhǎng)度和焊絲直徑等因素影響。在相同電壓條件下，焊接電弧產(chǎn)生的熱量與焊接電流、焊絲電阻成比例。雙絲自動(dòng)埋弧焊的熱輸入高，熱量損失小，能量利用率高。試驗(yàn)中在焊接電流和電壓不變的情況下，改變了焊接速度，由圖1可以看出，焊接速度增大使焊接線能量降低，其熔敷率相應(yīng)降低。

圖1 雙絲埋弧焊不同速度熔敷率的比較

2.2 焊縫截面

不同焊接速度條件下的焊接接頭截面如圖2所示。圖2a、圖2b、圖2c三個(gè)試樣的熔深分別為12.5 mm、14.5mm、16mm；熔寬分別為 20mm、25.5mm、30.5 mm。經(jīng)檢驗(yàn)，焊接接頭金屬中未發(fā)現(xiàn)根部未熔合和凹坑等焊接缺陷。從圖2還可以看出，焊縫金屬枝晶的這種生長(zhǎng)方式有利于低熔點(diǎn)雜質(zhì)物凝固到焊渣中去。雙絲埋弧焊時(shí)焊接線能量較高，能量損失小，熱效率高。由于焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，雙絲埋弧焊在焊接時(shí)所形成的熔池體積大，熔池中金屬處于液態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，故其焊縫外形美觀，焊接質(zhì)量好。

圖2 焊縫截面比較

熱影響區(qū)寬度的大小對(duì)于間接判斷焊接接頭的質(zhì)量有很大意義。除了由于組織變化而引起的性能差別外，還在焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力與變形。一般來(lái)說(shuō)，熱影響區(qū)越窄，則焊接接頭中內(nèi)應(yīng)力越大，越容易出現(xiàn)裂紋；熱影響區(qū)越寬，則變形增大。因此在工藝上，應(yīng)在焊接接頭中內(nèi)應(yīng)力尚不足以產(chǎn)生裂紋的條件下，盡量減小熱影響區(qū)的寬度，這對(duì)整個(gè)焊接接頭的性能是有利的[5]。

為了精確計(jì)算熱影響區(qū)的寬度，必須用具體的峰值溫度明確熱影響區(qū)外端邊界，而峰值溫度Tp又和組織性能的某些特征變化相關(guān)聯(lián)[6]：

式中 Tp為距熔合線距離為y處的峰值溫度(單位：℃)；T0為母材的初始溫度(單位：℃)；cρ 為容積比熱容(ρ 為母材的密度，c為比熱容)；q/v焊接線能量(單位：kJ/cm)；y 為計(jì)算點(diǎn)離熔合區(qū)的距離(單位：mm)。

低碳鋼或低合金鋼焊接接頭區(qū)域有一個(gè)很清楚的浸蝕邊界，可經(jīng)過(guò)對(duì)試樣拋光和浸蝕后的焊縫截面觀察到：該浸蝕邊界一般相當(dāng)于730℃的峰值溫度。將此浸蝕邊界設(shè)定為熱影響區(qū)的外端邊界，便可計(jì)算熱影響區(qū)的寬度，也就是求出Tp＝730℃時(shí)的y值。

由圖2可知，隨著焊接速度從18 m/h增加到42 m/h，熱影響區(qū)寬度從 4.4 mm 減小到 3.2 mm。

2.3 焊縫金屬組織

使用4%硝酸酒精溶液(HNO34 ml，酒精96 ml)腐蝕焊接接頭，并用OLYMPUS－TOKYO型金相顯微鏡對(duì)焊縫金屬顯微組織進(jìn)行觀察分析。在上述工藝條件下，當(dāng)焊接速度改變時(shí)，從圖3a中可以看出，在焊速為42 m/h時(shí)，焊縫區(qū)金相組織為沿柱狀晶界析出的白色粗狀側(cè)板條鐵素體和塊狀鐵素體(白色)，黑色為珠光體組織；圖3b、圖3c為焊接速度在30 m/h和18 m/h的條件下的焊縫區(qū)金相組織，可以看出，與圖3a相比粗片狀的側(cè)板條鐵素體減少了，焊縫組織多為塊狀鐵素體和珠光體，晶內(nèi)有少量的粒狀貝氏體。特別指出的是：由于圖3c焊接速度小，相應(yīng)的增大了焊接熱輸入，所以熔池的冷卻速度較慢，熔池高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，致使焊縫金屬晶粒粗大。

圖3 焊縫金屬顯微組織(400×)

2.4 焊接熱影響區(qū)金屬組織

焊接熱影響區(qū)經(jīng)歷了不同的焊接熱循環(huán)，距熔合區(qū)越近，加熱的峰值溫度越高，加熱速度和冷卻速度也越大，焊后熱影響區(qū)的顯微組織性能變化也越大。而焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材16Mn焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。在熱影響區(qū)內(nèi)任何一處的組織與該處的合金成分、加熱速度、最高加熱溫度、高溫停留時(shí)間的長(zhǎng)短和冷卻速度等因素有關(guān)。

雙絲埋弧焊不同速度焊接熱影響區(qū)(HAZ)的金屬組織，如圖4所示。比較三種速度下焊接熱影響區(qū)組織可知，焊接速度42 m/h的熱影響區(qū)組織由于焊接線能量較小，冷卻速度快，焊接熱影響區(qū)尺寸相應(yīng)減小，合金元素?cái)U(kuò)散時(shí)間短，加劇成分偏析的程度。焊接速度18 m/h的焊接熱影響區(qū)由于焊接線能量較大，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒粗大，韌性下降。

由圖5可明顯看出，焊接速度對(duì)焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域晶粒大小的影響。焊接速度越慢，焊接線能量的輸入越大，則焊接接頭冷卻速度越慢，其晶粒越粗大，接頭金屬的塑性和韌性越差。增大焊接速度，相當(dāng)于增大過(guò)冷度，使自發(fā)晶核的數(shù)量增加，有利形核，可得到細(xì)小的結(jié)晶組織，但由于冷卻速度太快，焊縫中的一些合金元素來(lái)不及均勻擴(kuò)散，使焊縫中合金成份分布不均勻，在焊縫與母材的熔合區(qū)，這種情況最為嚴(yán)重。

2.5 顯微硬度

使用HVS－1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭金屬斷面的硬度，載荷0.98 N，接頭斷面金屬的硬度分布如圖6所示。從圖6可以看出，在上述工藝條件下，當(dāng)焊接速度改變時(shí)，埋弧焊焊接接頭的HAZ和焊縫金屬的硬度變化規(guī)律基本一致，但硬度的最高值出現(xiàn)在焊接速度最大的試樣中?？梢姾附与娏骱碗妷翰蛔儠r(shí)，焊接接頭的硬度隨著焊接速度的增大而有所上升。總體來(lái)看，熱影響區(qū)金屬的硬度值最高，母材金屬硬度最低。熱影響區(qū)金屬因受焊接熱循環(huán)的影響出現(xiàn)了淬硬現(xiàn)象，硬度值相應(yīng)提高。

圖4 焊接熱影響區(qū)顯微組織(200×)

圖5 焊接熱影響區(qū)顯微組織(400×)

2.6 焊接接頭力學(xué)性能

圖6 焊接接頭顯微硬度曲線

根據(jù)CB2652－89《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。母材16Mn鋼的斷裂伸長(zhǎng)率大于等于21%，屈服強(qiáng)度值大于等于325MPa，抗拉強(qiáng)度值大于等于490MPa。焊接速度為30 m/h的試樣接頭屈服強(qiáng)度比母材稍高，抗拉強(qiáng)度與母材基本相同，斷裂位置發(fā)生在焊接熱影響區(qū)；焊接速度為18 m/h的試樣接頭屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比母材低，斷裂位置在焊縫中心上，接頭強(qiáng)度低于母材。對(duì)于焊接速度為42 m/h的焊接試樣，由于焊接速度很高，熔池形狀為壓扁的橢球形，與母材的接觸面積較大。在冷卻時(shí)，晶粒先從與母材相連的半熔化區(qū)形核，并向液態(tài)金屬中生長(zhǎng)。焊接速度越快，晶粒生長(zhǎng)的方向與熔池移動(dòng)方向的夾角越接近90°，其結(jié)果造成晶粒以柱狀晶的方式向焊縫中心長(zhǎng)大，焊縫中心聚集了大量的低熔點(diǎn)的共晶體和雜質(zhì)，對(duì)焊接性能造成損害。

3 結(jié)論

在焊接電流、電壓不變的情況下，通過(guò)分析比較雙絲埋弧焊在不同焊接速度下的焊接接頭，得出以下結(jié)論：

(1)采用雙絲埋弧焊，得到的焊接接頭焊縫形狀合理，隨焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬都相應(yīng)減少。

(2)焊絲金屬的熔敷率隨著焊接速度的增加而降低。選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣瓤梢栽诒ＷC熔敷率的基礎(chǔ)上提高焊接接頭的性能，提高焊接工作效率。

(3)焊接速度為18 m/h時(shí)，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低，斷裂位置在焊縫中心處；焊接速度為30 m/h時(shí)，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比母材略高，斷裂出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

表2 焊接接頭性能試驗(yàn)結(jié)果

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)——焊接方法及設(shè)備(第二版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]付魁軍，及玉梅，翟曉莉.雙絲埋弧焊工藝參數(shù)對(duì)接頭組織與性能的影響[J].焊接，2004(7)：

[3]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備(第一版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]何德孚，華大龍，陳立功，等.單電源雙絲埋弧自動(dòng)焊及其應(yīng)用前景[J].焊管，2005，28(3)：30－34.

[5]曾光廷.材料成型加工工藝及設(shè)備(第一版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

[6]李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Research on joint property of twin wire submerged arc welding

ZHANG De-yuan，QU Jin-shan，XIE Yu-jiang，HE Fen
(School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The welding of 16Mn steel plate is conducted using twin wire submerged arc welding technology.The weldments are prepared under the condition of the different welding speeds.For the welded joints obtained by above-mentioned welding processes，the tensile tests of the welded joints are performed，the hardness of the joint metal is measured，and the welded joint microstructure is observed.Moreover，the metal deposition rate is calculated based on the basis of the experimental data.The results show that the excellent welding bead shape is easily obtained by twin wire submerged arc welding process.The metal deposition rate is inversely proportional to the welding travel speed.The decrease of welding speed results in the corresponding increase of the welding heat input,the longer existing time of welding pool at elevated temperature causes to the relatively coarse grain microstructure of both HAZ and weld metal.The tensile and the yield strength of the joints obtained by above-mentioned welding processes are distinctly different.The microhardness of weld metal is increased and the toughness of welded joints is decreased as the welding travel speed is increased.

twin wire submerged arc welding process；deposition rate；welded joint；microstructure

TG407

A

1001－2303(2011)03－0070－05

2010－05－31

西華大學(xué)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SZJJ 2009－019)

張德遠(yuǎn)(1980—)，男，河南洛陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事先進(jìn)材料連接方法和焊接接頭質(zhì)量控制工作。