四川大西洋焊接材料股份有限公司 賈興旺 蘭志剛 蔣勇 佘應(yīng)堂

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蘇州熱工研究院有限公司 王淦剛 趙建倉 朱平

1.概述

埋弧焊是壓力容器等重要鋼結(jié)構(gòu)制作的主要焊接方法，但由于焊接熱輸入量較大，易造成熔敷金屬組織劣化、韌性較低，因此在埋弧焊焊絲、焊劑研究開發(fā)過程中需要研究不同焊接熱輸入條件下的熔敷金屬組織、性能狀態(tài)及變化趨勢，從而確定埋弧焊焊絲、焊劑適用的焊接參數(shù)范圍，以保證核電工程應(yīng)用條件下采用該焊材所得到的埋弧焊接頭的性能。

本文研究了4種焊接熱輸入條件下的埋弧焊焊絲、焊劑熔敷金屬的組織及性能狀態(tài)，分析了其變化趨勢，給出了合理的焊接熱輸入?yún)^(qū)間，為焊材的工程應(yīng)用提供支撐。該項目得到廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（20110905）專項資金資助。

2.試驗條件

（1）試驗材料 焊劑CHF701HR1粒度為10～60目（0.28～2.00mm），主要化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的堿度公式計算得出試驗中使用的焊劑堿度≈3.0。焊接前焊劑應(yīng)在350℃下烘焙2h。焊絲牌號為CHW—S2MoHR1，φ4.0mm，化學(xué)成分如表2所示。母材選用P295GH鋼，板厚30mm。

（2）試件制備條件 試板尺寸如圖1所示，焊道布置如圖2所示，焊接參數(shù)如表3所示。

3.試驗結(jié)果

（1）熔敷金屬拉伸性能 4種焊接熱輸入條件下的熔敷金屬室溫和高溫拉伸試驗結(jié)果如表4所示，根據(jù)試驗結(jié)果繪制的焊接熱輸入與強度的曲線如圖3所示。由表4中數(shù)據(jù)可以看出，室溫和高溫抗拉強度、屈服強度以及伸長率均能滿足設(shè)計要求，從圖3曲線可看出，抗拉強度及屈服強度變化趨勢不明顯。

圖1 試板尺寸

圖2 焊道布置

表1 焊劑的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表3 焊接參數(shù)

（2）熔敷金屬沖擊試驗 熔敷金屬0℃和－20℃下的沖擊試驗結(jié)果如表5所示，根據(jù)試驗結(jié)果繪制焊接熱輸入-沖擊吸收能量曲線如圖4所示。由表5數(shù)據(jù)可以看出，兩種溫度下的沖擊吸收能量均能滿足設(shè)計要求。從圖4可看出，焊接熱輸入量由21.6kJ/cm增加到29.95kJ/cm時，0℃和－20℃沖擊吸收能量均呈下降趨勢。當焊接熱輸入量從21.6kJ/cm增加到25.92kJ/cm時，下降趨勢相對平緩，當焊接熱輸入量增加到29.95kJ/cm時，0℃沖擊吸收能量下降趨勢平緩，－20℃沖擊吸收能量則出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，降幅超過40%。

（3）熔敷金屬金相組織 4種焊接熱輸入量的熔敷金屬金相組織如圖5～圖8所示。熔敷金屬組織為片狀、塊狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體與珠光體。從圖5～圖8可以，隨著焊接熱輸入量的增大，晶粒尺寸有所增大，但增大不明顯。

表4 不同焊接熱輸入下熔敷金屬拉伸試驗結(jié)果

表5 不同焊接熱輸入下熔敷金屬沖擊試驗結(jié)果

4.結(jié)果分析

從金相組織圖中可以看出，熔敷金屬組織為片狀、塊狀先共析鐵素體沿柱晶晶界分布，晶內(nèi)組織為鐵素體與珠光體。

圖3 焊接熱輸入-強度曲線

圖4 焊接熱輸入量-沖擊吸收能量曲線

圖5 焊接熱輸入量（21.6kJ/cm）

圖6 焊接熱輸入量（23.76kJ/cm）

圖7 焊接熱輸入量（25.92kJ/cm）

圖8 焊接熱輸入量（29.95kJ/cm）

當焊接熱輸入量為21.6kJ/cm時，熔敷金屬力學(xué)性能很好；當焊接熱輸入量從21.6kJ/cm增大到25.92kJ/cm時，晶粒長度、寬度略有增大，晶內(nèi)鐵素體由條狀變化為較寬的鐵素體，局部地方出現(xiàn)等軸晶，抗拉強度、屈服強度變化不明顯，沖擊韌性略有降低；當焊接熱輸入量繼續(xù)增大到29.95kJ/cm時，晶粒尺寸進一步增大，抗拉強度、屈服強度變化不明顯，而－20℃沖擊吸收能量比0℃降低的更快，說明低溫沖擊韌性對晶粒尺寸的敏感性更大。

對于P295GH鋼的埋弧焊，焊接熱輸入量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，如果熱輸入量過大，會使焊接接頭的組織晶粒粗化，對力學(xué)性能不利；如果焊接熱輸入量過小，效率明顯低下，增加生產(chǎn)成本。

適當?shù)暮附訜彷斎肓?，可以避免熔敷金屬因晶粒尺寸進一步增大引起的力學(xué)性能劣化。另外，適當?shù)暮附訜彷斎肓俊⒚恳坏篮缚p金屬填充量適中，以及多層多道焊接后焊道對前焊道的回火熱處理作用，都有利于提高焊接接頭的沖擊韌性。

對于同一種焊接方法來說，焊接熱輸入量越大，高溫停留時間越長，晶粒越粗大，得到的熔敷金屬的沖擊韌性就越低。

5.結(jié)語

（1）在4種焊接熱輸入量條件下得到的熔敷金屬力學(xué)性能，均能滿足設(shè)計要求。

（2）當焊接熱輸入量為21.6kJ/cm時，力學(xué)性能最好，但焊接效率低下，焊接成本較高，工程應(yīng)用中不推薦采用。

（3）當焊接熱輸入量為29.95kJ/cm時，熔敷金屬組織晶粒粗化，抗拉強度、屈服強度變化不明顯，－20℃沖擊韌性下降，沖擊吸收能量余量不大，工程應(yīng)用中也不推薦使用。

（4）當焊接熱輸入在25.92kJ/cm時，熔敷金屬組織晶粒粗化不嚴重，抗拉強度、屈服強度以及低溫沖擊吸收能量均有較大余量，在工程應(yīng)用中推薦使用，能夠有效提高焊接效率。