楊秀芝,楊春杰,袁 斌,肖新華,江金魚

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石435003)

0 引言

相對(duì)手工焊而言，埋弧焊具有成形好、效率高等特點(diǎn)，特別是具有低溫韌性對(duì)大熱輸入比傳統(tǒng)用鋼適應(yīng)差的特點(diǎn)[1]。因此，研究提高這類艦船用鋼大熱輸入焊接性能是國(guó)內(nèi)推廣多絲埋弧焊焊接工藝在艦船生產(chǎn)中的關(guān)鍵所在。實(shí)際生產(chǎn)中，焊接過程中的諸多因素，如送絲度V、絲熔化速度、焊接電流電壓、焊接規(guī)范中的焊接速度和絲間距等應(yīng)相互配合，才能確保焊接過程的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性[2]。由于焊接是一個(gè)不均勻的熱過程，使得熱影響區(qū)更加復(fù)雜，在僅有幾毫米寬的區(qū)域上，分布著不同的區(qū)域和組織，要充分研究每一微區(qū)性能，通常采用熱模擬技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道了通過理論公式計(jì)算得到的單循環(huán)焊接熱模擬曲線對(duì)該鋼種的熱模擬實(shí)驗(yàn)并分析相關(guān)結(jié)論。本文首次采用實(shí)測(cè)雙絲熱模擬曲線系統(tǒng)對(duì)該鋼種熱影響區(qū)性能影響研究，所以，結(jié)論更可靠，更接近雙絲焊接實(shí)際生產(chǎn)。本研究可直接為船舶鋼的雙絲焊接生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

2 雙絲焊焊接規(guī)范確定和熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線的測(cè)量

本試驗(yàn)采用AUTO DSADW型Miller雙絲焊機(jī)的埋弧堆焊焊接工藝,前絲為直流電源，后絲為交流電源的DCRP+AC電源，實(shí)驗(yàn)鋼板921A尺寸為：500 mm×150 mm×16 mm。焊接規(guī)范的選取是借鑒相關(guān)焊接手冊(cè)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定的，熔池形狀與焊絲間距關(guān)系如圖1所示。雙弧間距L在35～55 mm時(shí)為共熔池和分離熔池的臨界狀態(tài)，此時(shí)焊件中有些點(diǎn)受1次熱循環(huán),有些點(diǎn)受兩絲熱循環(huán)作用；雙弧間距L大于55 mm時(shí)為分離熔池。當(dāng)然，形成的熔池狀態(tài)還與其他因素，如：焊接電流、電壓、焊絲直徑、電源極性等有關(guān),在這些因素都不變的情況下，絲間距是主要因素。因此，對(duì)于雙絲間距的選取充分反映了熔池從共熔池到分離熔池的變化，以便全面了解雙絲焊接規(guī)律，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接測(cè)溫是將K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶一端點(diǎn)焊置于焊接鋼板背面4 mm深的盲孔內(nèi)，熱電偶的另一端與自制測(cè)溫儀相接，當(dāng)焊接開始時(shí)，打開儀器電源和PC。隨焊接過程的進(jìn)行就可進(jìn)行測(cè)溫了。雙絲埋弧焊測(cè)溫示意圖 如圖2所示。測(cè)量所得熱循環(huán)曲線用于熱模擬曲線的制定。

圖2 雙絲埋弧焊測(cè)溫示意圖

3 熱模擬試樣及沖擊試樣制備

熱模擬試驗(yàn)的設(shè)備采用Gleeble-1500D,熱模擬試樣截取是在與鋼板軋制方向垂直制取12 mm×12 mm×120 mm。熱模擬試驗(yàn)熱電偶焊接位置取試樣的中部。熱模擬曲線是在上述實(shí)測(cè)的情況下根據(jù)設(shè)備試驗(yàn)?zāi)芰m當(dāng)修改取得。為了解試驗(yàn)鋼HAZ低溫沖擊韌性，對(duì)熱模擬試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，用于熱模擬低溫沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm，熱模擬試樣的-50 ℃沖擊功值如圖3所示，試驗(yàn)試樣位置關(guān)系如圖4所示。沖擊試驗(yàn)按照GB/T229-94《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)是在JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖3 熱模擬試樣的-50 ℃沖擊功值

圖4 試驗(yàn)試樣位置關(guān)系

4 試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

4.1 熱模擬曲線的確定

雙絲埋弧焊工藝隨著雙絲間距的變化，熔池狀態(tài)發(fā)生的變化如圖1所示。一般認(rèn)為對(duì)于雙絲埋弧焊來說，焊接前絲電流比后絲大以便獲得足夠的熔深和起預(yù)熱效果，后絲采用比前絲較高的電壓以提供和補(bǔ)充熱量，改善熔池金屬流動(dòng)和結(jié)晶條件，起后熱和熱處理作用[5]。在雙絲焊接過程中，前絲電弧起預(yù)熱作用，后絲電弧起熱處理作用，間距和焊速不同，兩絲熱作用的效果就不同。因此，為了研究?jī)山z電弧相互熱作用的機(jī)理以及對(duì)母材焊接接頭微小復(fù)雜不均勻區(qū)域性能的影響，采用焊接熱模擬技術(shù)重現(xiàn)和放大焊接接頭需要研究的HAZ中各微小區(qū)域，使試樣在較大的尺寸范圍內(nèi)重現(xiàn)兩絲焊接HAZ各區(qū)，研究其組織和力學(xué)性能特別是低溫韌性規(guī)律。熱模擬熱循環(huán)參數(shù)及編號(hào)如表3所示。表3給出了不同間距和焊接速度下，雙絲焊的熱模擬熱循環(huán)曲線各重要參數(shù)，同時(shí)還包含一條單絲焊接熱循環(huán)曲線參數(shù)。

表3 熱模擬熱循環(huán)參數(shù)及編號(hào)

續(xù)表

備注：①單絲是僅一電弧起弧即單絲焊；②對(duì)于共熔池雙絲焊就只有1個(gè)峰值。

4.2 熱模擬試樣沖擊韌性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析圖3、表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1)熱模擬后除16#號(hào)試樣低溫沖擊功與母材相當(dāng)外，其他試樣低溫沖擊韌性均大大降低且低于母材，原因是16#號(hào)熱模擬試樣經(jīng)歷的熱循環(huán)峰值溫度低，離焊縫中心遠(yuǎn)相當(dāng)于對(duì)母材起回火作用。

2)峰值溫度是影響沖擊性能的主要因素，熱模擬試樣只要受到1次高于1 300 ℃的峰值溫度的熱循環(huán)，低溫沖擊韌性就大大降低，且均低于單絲埋弧焊17#的沖擊值88 J，其原因是雙絲焊熱輸入大于單絲焊，其韌性降低更多，所以，在利用雙絲焊焊接效率高、節(jié)能和成形好的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，同時(shí)還要注意防止它對(duì)焊接接頭的脆化危害。

3)雙絲焊非共熔池焊接時(shí)，焊接受到后弧峰值溫度大于1 300 ℃的熱循環(huán)時(shí)，如9#，其沖擊功為29 J，與雙絲共熔池時(shí)受到峰值溫度高于1 300 ℃的熱循環(huán)的1#沖擊功相當(dāng)，所以，雙絲間距的變化不能改善試驗(yàn)鋼粗晶區(qū)的低溫脆化現(xiàn)象。

4)2#,4#,18#,20#號(hào)試樣的沖擊功很低，分別為22 J、26 J、25 J、24 J，基本達(dá)到對(duì)相關(guān)船舶類材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)21 J要求，所選雙絲焊工藝能滿足船舶焊接性能需要。其中2#,4#,18#受共熔池雙絲焊接熱循環(huán)的影響，所以試驗(yàn)鋼選擇雙絲焊工藝時(shí)盡量采用分離熔池焊接工藝。

5)對(duì)于雙絲兩電弧形成半共熔池的中間狀態(tài)間距為40 mm的6#，7#，8#，22#試樣，沖擊功的分布集中在41 J和51 J之間，焊接速度的變化以及后絲的峰值溫度對(duì)熱模擬試樣沖擊功的影響沒有共熔池和分離熔池顯著，所以，絲間距適中，接頭熱影響區(qū)的沖擊功變化平緩，對(duì)大熱輸入的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以采用較為規(guī)范的焊接工藝提高焊接效率。

5 熱模擬試樣沖擊斷口SEM分析和金相分析

5.1 掃描電鏡分析

2#試樣的低溫沖擊功為21 J，是熱模擬試樣中沖擊功最小的，為了深入研究?jī)?nèi)因，對(duì)該試樣沖擊斷口進(jìn)行了掃描電鏡分析，如圖5所示。2#斷口主要為少量纖維區(qū)、放射區(qū),細(xì)小韌窩特征纖維區(qū)形貌如圖6所示；解理特征放射區(qū)形貌如圖7所示，但試樣晶粒尺寸明顯較小。

圖5 2# 斷口SEM 25×

圖6 2#纖維區(qū)SEM 500×

圖7 2# 放射區(qū)SEM

5.2 金相組織分析和晶粒度評(píng)定及透射電鏡分析

根據(jù)GB/T 13320-1991《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，參照第3評(píng)級(jí)圖，對(duì)2#熱模擬試樣和基體金相組織評(píng)級(jí)，其結(jié)果如下：①2#金相組織：上貝氏體+粒狀貝氏體(M/A島沿晶界分布)+少量鐵素體，如圖8～10所示；②基體組織：回火索氏體，如圖11所示。根據(jù)GB/T 6394-2002 《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用系列圖片I(無孿晶晶粒)，進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，2#晶粒度級(jí)別：2.5級(jí)，如圖12所示。

圖8 2#晶粒度 100×

圖9 2#金相組織 500×

圖10 2#基體組織 500×

圖11 2# M-A島電子衍射花樣

圖12 2# 晶界分布的M/A BF 15k

6 結(jié)論

1)經(jīng)過雙絲焊接熱循環(huán)后，試驗(yàn)鋼組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，其中沖擊功最低的試樣組織由基體的回火索氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+粒狀貝氏體(M/A島沿晶界分布)+少量鐵素體，其沖擊試樣斷口主要呈解理特征，屬于脆性斷裂，所以采用雙絲焊接必須合理控制焊接工藝參數(shù)。

2)在選定的焊接規(guī)范下，試驗(yàn)鋼要得到合格低溫沖擊性能，盡量不采用共熔池焊接。

3)雙弧間距在雙弧形成共熔與分離熔池的臨界狀態(tài)時(shí)，接頭熱影響區(qū)的沖擊功變化平緩，可以采用較大的焊接規(guī)范焊接。

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