孫咸

(太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024)

0 前言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國藥芯焊絲產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，經(jīng)過長期持續(xù)改進(jìn)，取得了長足的進(jìn)步。國產(chǎn)藥芯焊絲的技術(shù)水平，與世界領(lǐng)先企業(yè)相比，差距不斷縮?。?］。但是，市售的E501T－1藥芯焊絲良莠不齊、質(zhì)量迥異。有的企業(yè)生產(chǎn)的焊絲雖然工藝性已經(jīng)接近名牌，可是內(nèi)在質(zhì)量方面，有的焊絲力學(xué)性能不穩(wěn)定，尤其是低溫韌性不穩(wěn)定，出現(xiàn)低值、波動現(xiàn)象。對焊接熱輸入很敏感，必須嚴(yán)格控制熱輸入不能太大［2－3］。在船檢、招投標(biāo)及現(xiàn)場工藝評定中遭遇的個別指標(biāo)不合格或不太滿意，重創(chuàng)了少數(shù)企業(yè)的信心和自尊。焊絲低溫韌性不穩(wěn)定一直困擾著部分生產(chǎn)企業(yè)和工程應(yīng)用，有的企業(yè)甚至不再以這類焊絲為主打產(chǎn)品，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)堿性或其它類型焊絲。另一方面，國外名牌諸如DW－100焊絲，不僅操作工藝性滿意，內(nèi)在質(zhì)量更過得硬。該焊絲力學(xué)性能穩(wěn)定、無低值，尤為難能可貴的是熔敷金屬韌性對焊接熱輸入不敏感，為工程應(yīng)用提供了寬松條件。國產(chǎn)焊絲低溫韌性不穩(wěn)定、對焊接熱輸入很敏感等問題的根源究竟在哪里?迄今為止，有關(guān)研究文獻(xiàn)甚少。為此，文中將鈦型氣保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬韌性與其顯微組織相聯(lián)系，探討焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入敏感機(jī)理及熔敷金屬韌性敏感性控制方法。該項(xiàng)研究對進(jìn)一步認(rèn)清該類焊絲熔敷金屬韌性與熱輸入間的關(guān)系，正確選用熱輸入，獲得預(yù)期焊接工藝質(zhì)量，改進(jìn)該類焊絲品質(zhì)特性，提升產(chǎn)品競爭力，具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。

1 熔敷金屬韌性對熱輸入的敏感性

采用φ1.2 mm的E501T-1焊絲，按照GB/T10045—2001規(guī)定，在不同熱輸入條件下對焊絲熔敷金屬力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果列于表1。熱輸入與熔敷金屬韌性關(guān)系分3種情況:①熱輸入較小(11.6 kJ/cm、11.5 kJ/cm)，熔敷金屬韌性(沖擊吸收能量)數(shù)值較低(平均值43 J);②熱輸入較高(19.7 kJ/cm、19.5 kJ/cm)，熔敷金屬韌性(沖擊吸收能量)數(shù)值不高(平均值僅67 J、36 J);③熱輸入居中(15.3 kJ/cm、17.5 kJ/cm)，熔敷金屬韌性(沖擊吸收能量)良好(平均值120 J、127 J)。熱輸入的3個檔次，只有第②種熱輸入居中時(shí)熔敷金屬韌性最滿意。表明該焊絲韌性對熱輸入有選擇性，只有中間區(qū)段熱輸入熔敷金屬韌性才有保證。這就是所說的對熱輸入敏感。所謂韌性對熱輸入的敏感性，是指熱輸入變化時(shí)，熔敷金屬韌性指標(biāo) KV2隨之變化現(xiàn)象。換言之，就是熔敷金屬韌性不穩(wěn)定問題，這是該類焊絲內(nèi)在質(zhì)量存在的普遍問題。

表1 熱輸入與熔敷金屬力學(xué)性能的關(guān)系(E501T－1型焊絲，保護(hù)氣體:100%CO2)

另有文獻(xiàn)按照 GB/T10045—2001規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)［4］，結(jié)果列于表2和表3?？梢钥闯?，隨焊接熱輸入增大(3個檔次)，熔敷金屬化學(xué)成分變化不大，而熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，以及沖擊吸收能量增大。熔敷金屬韌性不降反增，表明韌性不再受熱輸入的影響，也就是對熱輸入不敏感。該項(xiàng)結(jié)果與有關(guān)專著理論(焊接熱輸入偏高可能是藥芯焊絲熔敷金屬韌性不良的最普遍的起因［3］)相悖。

綜上可看出，焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入的敏感性，出現(xiàn)了2種不同的試驗(yàn)結(jié)果和觀點(diǎn):一種認(rèn)為韌性對熱輸入敏感，熱輸入偏高或偏低時(shí)，熔敷金屬韌性偏低;另一種認(rèn)為熔敷金屬韌性對熱輸入不敏感，熱輸入高點(diǎn)或低點(diǎn)，熔敷金屬韌性都很優(yōu)秀。焊縫組織決定性能。熔敷金屬韌性對焊接熱輸入敏感，即其顯微組織對焊接熱輸入敏感。這就涉及到焊絲熔敷金屬的顯微組織特性。

表2 焊接參數(shù)

表3 熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 熔敷金屬組織特性及其影響因素

2.1 組織特性

這類氣保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬組織的主體結(jié)構(gòu)是針狀鐵素體AF，在多數(shù)情況下，是由晶界鐵素體PF、側(cè)板條鐵素體FSP以及其它形態(tài)鐵素體組成的混合組織，而且多種鐵素體間數(shù)量比又常常是多變的。在一些情況下，當(dāng)針狀鐵素體AF的數(shù)量不再是焊縫組織主體優(yōu)勢時(shí)，針狀鐵素體AF原有的強(qiáng)韌化機(jī)制特性將被改變。這就是該類藥芯焊絲熔敷金屬韌性對焊接條件比較敏感的主要原因。

2.2 影響因素

雖然說鈦型氣保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬組織的主體結(jié)構(gòu)是針狀鐵素體AF，但針狀鐵素體AF組織含量是易變的，主要受下列因素影響。

2.2.1 合金元素的影響

C是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素。有文獻(xiàn)報(bào)道，含C量在一定范圍內(nèi)適量增加，使奧氏體晶界析出的先共析鐵素體PF尺寸變小、數(shù)量減少，晶內(nèi)針狀鐵素體AF數(shù)量增多。

Mn也是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素。有研究發(fā)現(xiàn)，焊縫中Mn從0.6%增到0.8%時(shí)，可使針狀鐵素體AF含量增加，側(cè)板條鐵素體FSP含量減少;同時(shí)，Mn含量較高時(shí)，可以細(xì)化針狀鐵素體AF晶粒。但Mn含量過高，鐵素體被強(qiáng)化，對焊縫韌性不利。

Si是縮小奧氏體相區(qū)元素。Si對焊縫中鐵素體形態(tài)的影響看法不一。有的認(rèn)為，Si含量的增加會促進(jìn)針狀鐵素體AF的形成，而使側(cè)板條鐵素體FSP含量減少;有的認(rèn)為，Si對焊縫組織沒有明顯影響。Si、Mn同時(shí)存在，可作為脫氧劑，隨Si、Mn的增加，可使連續(xù)冷卻時(shí)的相變溫度逐漸降低，組織細(xì)化。

O主要影響夾雜物的尺寸、種類和數(shù)量，焊縫中的氧含量一般可以達(dá)到百萬分之幾。含氧量增大，夾雜物尺寸減小。當(dāng)焊縫中含氧量在合理范圍時(shí)，夾雜物的尺寸適中，針狀鐵素體AF含量最多。

Ti是縮小奧氏體相區(qū)元素。Ti在焊縫金屬中除了脫氧作用外，還作為B元素過渡的保護(hù)劑。Ti的氧化物是較為有效的針狀鐵素體形核劑。

B是形成硼化物的主要元素。B對鐵素體形核有重要作用。在焊縫中加入B時(shí)，必須同時(shí)加入Ti。Ti可以保護(hù)B不在電弧中氧化，同時(shí)也防止了B形成N化物。微量的B可以顯著推遲鐵素體在原奧氏體晶界處形核，促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體AF在硼化物上形核長大。當(dāng)B、Ti在最佳含量時(shí)，可以獲得最多的針狀鐵素體AF含量。

2.2.2 焊縫中夾雜物及含氧量的影響

焊縫中的夾雜物為富 Ti、Mn、Al、Si、S 的氧化物或復(fù)合氧化物，其主要結(jié)構(gòu)類型如SiO2、MnO·SiO2、TiN、TiO2等。有關(guān)研究［5］認(rèn)為，焊縫中夾雜物的尺寸、分布決定焊縫的組織。當(dāng)夾雜物尺寸大于0.2 μm時(shí)，焊縫的組織主要是針狀鐵素體AF，而夾雜物尺寸為0.14 μm和0.16 μm時(shí)，將得到大量晶界鐵素體PF。文獻(xiàn)介紹，TiN夾雜物也能有效促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形核，TiN通常是從液相中首先析出的相，當(dāng)MnS在TiN上析出時(shí)能強(qiáng)烈促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形成。關(guān)于MnS對晶內(nèi)鐵素體形核的作用有2種看法:第一種認(rèn)為，MnS在氧化鈦上析出能有效促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核;第二種認(rèn)為MnS不能有效促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核。焊縫中夾雜物的尺寸與含氧量有關(guān)。如前所述，當(dāng)焊縫中的含氧量在合理范圍時(shí)，夾雜物的尺寸適中，針狀鐵素體AF含量最多。文獻(xiàn)列舉了國外研究實(shí)例，在Mn－Si系焊縫中，氧含量在0.014% ～0.07%之間變化時(shí)，焊縫的組織主要是晶界鐵素體PF和魏氏狀側(cè)板條鐵素體FSP，還有少量針狀鐵素體AF，其含氧量在0.05%以內(nèi)可得到良好的韌性;但總體上看，組織變化不明顯，焊縫韌性變化也不大。在Mn-Si-Ti-B系焊縫中，當(dāng)氧含量在0.027%時(shí)，其組織主要是針狀鐵素體AF，含氧量在0.03%左右時(shí)，韌性達(dá)到最高值;含氧量更低或更高，組織發(fā)生變化，韌性都會降低。

2.2.3 焊縫冷卻速度的影響

有研究者利用連續(xù)冷卻膨脹計(jì)系統(tǒng)研究了冷卻速度對焊縫金屬組織的影響［5］。結(jié)果表明:①冷卻速度很低(從800℃冷至500℃，冷卻速度＜1℃/s)時(shí)，焊縫主要組織是晶界鐵素體PF，隨著冷卻速度增大，PF變細(xì)，并越來越受限于原奧氏體晶界，易在PF內(nèi)表面產(chǎn)生魏氏組織的側(cè)板條;②中等冷卻速度(從800℃冷至500℃，冷卻速度=15℃/s)時(shí)，焊縫組織是晶內(nèi)針狀鐵素體AF和略粗的AF;③高冷卻速度(從800℃冷至500℃，冷卻速度＞200℃/s)時(shí)，出現(xiàn)鐵素體側(cè)板條組織FSP，包括平行的鐵素體板條(板條間是殘余奧氏體、M－A組元或碳化物)。利用WM－CCT圖可以確定合適的冷卻速度，從而得到細(xì)小和均勻的針狀鐵素體組織。

3 熔敷金屬韌性對熱輸入敏感機(jī)理

3.1 熔敷金屬韌性保持高值的條件

表4是不同熱輸入條件下，采用IPS－PH自動圖像分析儀實(shí)測的顯微組織含量［6］?？梢钥闯觯摵附z熔敷金屬的顯微組織中含有85%以上的針狀鐵素體AF，晶界鐵素體PF和側(cè)板條鐵素體FSP的含量已經(jīng)降至最小，其影響也被降至最小。同時(shí)也可看出，焊接熱輸入的變化并未引起顯微組織組成間的較大波動。尤其對針狀鐵素體AF含量的影響，并沒有出現(xiàn)通常觀念上的焊接熱輸入增大，針狀鐵素體AF含量減少的結(jié)果。這表明，DW－100藥芯焊絲熔敷金屬的顯微組織的形態(tài)和含量，對焊接熱輸入是不太敏感的。該試驗(yàn)也可解釋表2和表3試驗(yàn)結(jié)果，只要熔敷金屬保持85%以上的針狀鐵素體AF，無論何種熱輸入，其韌性仍可居高不下。誠然，始終保持85%以上的針狀鐵素體AF，對焊絲品質(zhì)質(zhì)量(或技術(shù)含量)提出了更高要求。

表4 焊接熱輸入對DW－100藥芯焊絲熔敷金屬顯微組織的影響

3.2 熔敷金屬韌性與焊接熱輸入關(guān)系

焊接熱輸入與焊絲熔敷金屬韌性間關(guān)系比較復(fù)雜，并不是在熱輸入隨意減小情況下都能獲得滿意的焊縫韌性。在考慮可操作性和焊縫質(zhì)量前提下，主要取決于焊縫顯微組織的控制效果。如圖1所示，通過工藝參數(shù)變化，在熱輸入提高時(shí)，能獲得熔敷金屬韌性不減效果，靠的是焊縫顯微組織中針狀鐵素體含量不減。這就是熱輸入與熔敷金屬韌性間關(guān)系的內(nèi)在聯(lián)系。為什么熱輸入提高時(shí)，焊縫顯微組織中針狀鐵素體含量不減，這是焊絲品質(zhì)所決定的，也就是藥芯組成(含制造技術(shù))決定的。由于組成的不同，燒焊時(shí)對電弧熱的吸收不同，有的焊絲具有“吃電流”(耐大電流)功能特性，當(dāng)熱輸入較大時(shí)，焊縫的冷卻速度變化并不明顯，再加上藥芯成分中某些元素的細(xì)化作用比較強(qiáng)烈，能有效控制焊縫中針狀鐵素體含量不減，當(dāng)然熔敷金屬韌性數(shù)值也不減。該類焊絲韌性對熱輸入的敏感性，說到底仍然是焊絲所具有的品質(zhì)特性所決定。焊絲技術(shù)含量高，焊絲韌性對熱輸入不敏感;反之，焊絲技術(shù)含量低，韌性對熱輸入敏感。進(jìn)一步探討，涉及焊接冶金學(xué)問題。配方及生產(chǎn)工藝的先進(jìn)性，不僅帶來焊接操作參數(shù)寬松化，而且焊接熱輸入的大小變化不再是制約熔敷金屬韌性的羈絆。

3.3 熔敷金屬對熱輸入敏感機(jī)理

焊接熱輸入主要影響冷卻速度，進(jìn)而影響熔敷金屬顯微組織，針狀鐵素體含量變化是導(dǎo)致韌性敏感的內(nèi)因。熱輸入大，熔敷金屬冷速慢，混合組織中AF含量減少，晶粒粗大韌性降低;反之，熱輸入太小，熔敷金屬冷速過快，混合組織中AF含量也減少，晶粒粗大韌性降低。只有在熱輸入保持居中數(shù)值時(shí)，熔敷金屬冷速符合大量AF生成條件，晶粒細(xì)韌性指標(biāo)數(shù)值較高?？傊?，焊絲熔敷金屬對熱輸入敏感現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，是熔敷金屬韌性對形成針狀鐵素體數(shù)量的依賴性。一旦AF數(shù)量被其它因素所控制而保持?jǐn)?shù)量不減少，熔敷金屬韌性不再受控(或依賴)于熱輸入，焊絲的操作工藝變得寬松了。焊絲品質(zhì)的改善和提高，可以免遭韌性對熱輸入敏感之憂，國外多數(shù)同類名牌焊絲具有該種特性。

圖1 熱輸入與焊絲熔敷金屬韌性間關(guān)系

4 熔敷金屬韌性對熱輸入敏感控制方法及應(yīng)用

4.1 熔敷金屬韌性對熱輸入敏感控制方法

對于焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入敏感性控制，工程上常用的是“工藝評定決定熱輸入”原則。該原則的特點(diǎn)首先是要最大限度發(fā)揮工藝評定科學(xué)性、可靠性，根據(jù)不同焊接位置選用合適的電流和電弧電壓;其次要強(qiáng)調(diào)適合于施工現(xiàn)場使用。具體來說(圖2)，如果所用藥芯焊絲經(jīng)工藝評定屬于焊接熱輸入敏感型(即隨焊接熱輸入增大，熔敷金屬低溫韌性降低)，應(yīng)當(dāng)選用較小的焊接熱輸入工藝，此時(shí)焊接速度應(yīng)適當(dāng)快一些，焊接電流和電弧電壓應(yīng)中等適度，熔滴過渡亦保持典型的滴狀過渡形態(tài)。如果所用焊絲屬于焊接熱輸入不敏感型，則選用較大的熱輸入工藝，此時(shí)焊接速度適度放慢，焊接電流和電弧電壓及其匹配范圍較寬，層間溫度也較寬松(不是太低)，充分發(fā)揮藥芯焊絲高效、自動化優(yōu)勢。

圖2 焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入敏感性控制原理

雖然說選用焊接熱輸入不敏感型焊絲最為理想，熱輸入數(shù)值大點(diǎn)、小點(diǎn)幾乎沒什么影響。然而目前國產(chǎn)藥芯焊絲完全達(dá)到DW－100焊絲指標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，對國產(chǎn)藥芯焊絲焊接熱輸入的選用比較嚴(yán)謹(jǐn)、耐心，施工前需要進(jìn)行認(rèn)真的工藝評定?？梢哉f，焊前的工藝評定是確定現(xiàn)場工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接參數(shù)和核心工藝技術(shù)的科學(xué)依據(jù)。這就是所謂的工藝評定決定焊接熱輸入選擇原則的實(shí)際意義所在。

4.2 熔敷金屬韌性對熱輸入敏感控制應(yīng)用實(shí)例

上海江南造船集團(tuán)公司用船板專用藥芯焊絲進(jìn)行了對接工藝試驗(yàn)［7］。試板是440 MPa級船板，試板規(guī)格500 mm×300 mm×16 mm，開50°V形坡口，鈍邊3～4 mm，間隙0～1 mm，水平位置，采用表5中實(shí)例①所列的工藝參數(shù)焊接。焊絲的操作工藝性良好，焊縫經(jīng)X射線探傷，焊縫全部合格，符合GB3323的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。從表6可以看出，該鋼接頭力學(xué)性能與焊絲熔敷金屬相比，其抗拉強(qiáng)度提高115 MPa，屈服強(qiáng)度升高150 MPa，斷后伸長率降低4%，－40℃沖擊吸收能量數(shù)值還不錯，都在90 J以上。這種情況不僅與母材的熔入有關(guān)，而且與焊接熱輸入偏低相關(guān)。該文獻(xiàn)還進(jìn)行了平板對接橫焊位置和立焊位置，以及T形角接頭焊接工藝試驗(yàn)等。該項(xiàng)應(yīng)用試驗(yàn)研究，明確了專用焊絲生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)條件及關(guān)鍵工藝，從多艘同類型船的應(yīng)用效果看，專用藥芯焊絲完全滿足現(xiàn)場施工要求。

表5 氣保護(hù)藥芯焊絲工程應(yīng)用工藝參數(shù)

表6 藥芯焊絲焊接熱輸入與接頭( 熔敷金屬) 力學(xué)性能的關(guān)系

天津大學(xué)和天津三英焊業(yè)公司聯(lián)合研制了一種鈦型低氫藥芯焊絲SQJ501L，按照船檢標(biāo)準(zhǔn)要求，用φ1.2 mm的SQJ501L藥芯焊絲進(jìn)行熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)［8］。選用20 mm厚的D36鋼板，開20°V形坡口，坡口根部間隙16 mm，并裝有10 mm厚的墊板。焊道采用一層2道式，共7層14道焊滿。層間溫度120～140℃，每道焊縫厚度3.5 mm以下。采用表5中實(shí)例②所列的工藝參數(shù)焊接。從表6可以看出，該焊絲在中等偏上(16.6 kJ/cm)的熱輸入條件下，熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)不僅符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且數(shù)值非常優(yōu)秀，如－20℃沖擊吸收能量數(shù)值分別為184、182、188 J，如此的全高值、穩(wěn)定，表明偏高的焊接熱輸入也能獲得十分滿意韌性指標(biāo)。該文獻(xiàn)還進(jìn)行了平板對接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)等。該焊絲性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且已取得德國、挪威和中國船級社的3YH5級認(rèn)證。

綜上所述，焊接熱輸入對鈦型氣保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬(或焊接接頭)力學(xué)性能的影響，獲得驗(yàn)證的有2種傾向:一種是焊接熱輸入偏低(11.5 kJ/cm)，如實(shí)例①，接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比熔敷金屬升高，斷后伸長率反而降低，可是，－40℃沖擊吸收能量數(shù)值不低(雖然比焊絲熔敷金屬的低)。另一種是焊接熱輸入中等偏上(16.6 kJ/cm)，如實(shí)例②，焊絲熔敷金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)非常優(yōu)秀。給人的印象是，中等偏上或偏低一點(diǎn)的焊接熱輸入都是合理的或可選的。可是，更多未予報(bào)道的施工現(xiàn)場，反饋回的信息是國產(chǎn)藥芯焊絲對焊接熱輸入比較敏感，較大的熱輸入使焊縫韌性變差，工藝評定中一定要求嚴(yán)格控制熱輸入不能太大，否則，很容易出現(xiàn)低值沖擊吸收能量。表明焊接熱輸入的控制，仍然是一個比較復(fù)雜和不太確定的因素，在一些情況下，必須經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)處理為好。

5 結(jié)論

(1)焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入的敏感性有2種不同試驗(yàn)結(jié)果。

(2)焊絲熔敷金屬的組織是以針狀鐵素體為主體的混合組織，化學(xué)成分、氧含量及冷卻速度是該類焊絲熔敷金屬組織特性變化的主要影響因素。

(3)針狀鐵素體AF含量變化是導(dǎo)致韌性敏感的內(nèi)因;焊絲品質(zhì)的改善和提高，可以免遭韌性對熱輸入敏感之憂。

(4)工程上常用“工藝評定決定熱輸入”原則來控制焊絲熔敷金屬韌性對熱輸入敏感性，熱輸入的控制具有一定復(fù)雜性，應(yīng)以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)處理為好。

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