摘要：本文以NB/T47015（JB4709）標(biāo)準(zhǔn)中Q345R（16Mn）鋼埋弧焊推薦的焊絲-焊劑為例，通過(guò)試驗(yàn)的方法，分析了不同的焊絲—焊劑匹配對(duì)焊縫金屬裂紋敏感性和沖擊韌性的影響，用教學(xué)試驗(yàn)的形式進(jìn)行低合金強(qiáng)度鋼制壓力容器埋弧焊焊絲-焊劑組合選擇的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：焊絲 ?焊劑 ?匹配 ?韌性 ?教學(xué)試驗(yàn)

1 概述

NB/T47015（JB4709）《壓力容器焊接規(guī)程》對(duì)常用鋼號(hào)給出了推薦選用的焊接材料。其中，對(duì)于Q345R（16Mn）鋼埋弧焊給出的推薦焊絲是H10MnSi、H10Mn2（GB/T14957），焊劑是HJ431、HJ350、SJ101（GB/T5293），標(biāo)準(zhǔn)并未給出具體的焊絲-焊劑匹配。因此在教學(xué)實(shí)習(xí)中，許多學(xué)生依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇焊材時(shí)存在著較大的盲目性，隨意將2種焊接材料進(jìn)行組合使用，多次出現(xiàn)焊縫金屬出現(xiàn)裂紋、沖擊韌性不合格等現(xiàn)象。

本研究從焊接冶金的角度探討了裂紋產(chǎn)生和沖擊韌性降低的機(jī)理，為學(xué)生選擇焊接材料提供了直觀(guān)有效的試驗(yàn)依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情十分高漲，都很喜歡這樣的形式。

2 試驗(yàn)

2.1 焊接坡口

焊接試件采用Q345R鋼板（GB713—2008），厚度為56mm。

坡口及尺寸如圖1（焊接試板坡口圖）所示。

2.2 焊接材料匹配

按NB/T4709-2000（JB4709）推薦的焊接材料，試驗(yàn)選用2種不同的焊絲H10MnSi、H10Mn2和3種不同的焊劑HJ431、焊劑HJ350、焊劑SJ101分別匹配，分成6組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。試驗(yàn)用母材和焊絲如表2所示。

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2.3 焊接工藝

每組試板均采用相同工藝參數(shù)。根據(jù)NB/T47015-2011規(guī)定：焊劑須烘烤250℃，保溫2小時(shí)。試板焊前預(yù)熱溫度≥150℃，層間溫度≤300℃。具體焊接參數(shù)如表3所示。試板焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火工藝為加熱到610±10℃，保溫2.5小時(shí)，緩慢冷卻。

表3 ?焊接工藝參數(shù)

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2.4 檢驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目

①焊縫金屬化學(xué)成分分析;

②焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)（拉伸、側(cè)彎、維氏硬度以及0℃和-20℃焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)）;

③焊縫金屬金相組織。

表4 ?焊縫金屬化學(xué)成分（w）%

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3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分

6組試件的焊縫金屬的化學(xué)成分如表5所示。由表2可以看出，母材Q345R的化學(xué)成分滿(mǎn)足GB713-2008的要求，C、S、P含量均低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)Si含量為0.35，可以看出原材料雜質(zhì)含量不高。6組不同焊絲-焊劑匹配焊接的焊縫金屬中C、S、P等元素的含量變化不大，但是Mn、Si含量卻有一定的變化，相應(yīng)的Mn/Si值也有較大的變化，如圖2（6組焊縫金屬中Mn、Si百分量及Mn/Si值的變化圖）所示。

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用焊絲H10Mn2配焊劑HJ350進(jìn)行埋弧焊時(shí)，焊縫金屬中Mn含量為1.24%、Si為0.284%，Mn/Si為4.37，是6組焊接接頭化學(xué)成份中Mn/Si的最大者;用焊絲H10MnSi配焊劑SJ101進(jìn)行埋弧焊時(shí)，焊縫金屬中Mn含量為1.23%、Si為0.997%，Mn/Si為1.23，是6組焊接接頭化學(xué)成份中Mn/Si的最小者。用焊絲H10Mn2配焊劑SJ101進(jìn)行埋弧焊時(shí)，焊縫金屬中Mn含量為1.40%，是6組焊接接頭化學(xué)成份中含Mn量最大者;用焊絲H10MnSi配焊劑SJ101進(jìn)行埋弧焊時(shí)，焊縫金屬中Si含量為0.997%，為6組焊接接頭化學(xué)成份中含Si量最大者。由表5對(duì)比可得，在同種焊絲條件下，3種焊劑參與焊接所得焊縫中Mn、Si含量以及Mn、Si總含量的大小依次為：焊劑SJ101、焊劑HJ431、焊劑HJ350;在同種焊劑條件下，2種焊絲參與焊接所得焊縫中Mn、Si總含量的大小依次為：H10MnSi、H10Mn2。

3.2 力學(xué)性能

在6組試樣中，用焊絲H10MnSi和焊劑SJ101匹配焊接的第3組試樣，抗拉強(qiáng)度為514MPa，是6組焊接接頭的抗拉強(qiáng)度的最大值，同時(shí)該接頭的維氏硬度為162，是6組接頭硬度的最大者;而其低溫沖擊韌性在6組焊接接頭中是最差的，-20℃時(shí)的沖擊功平均值為72J。第6組試樣為焊絲H10Mn2和堿性焊劑SJ101匹配焊接的，其-20℃時(shí)沖擊功平均值達(dá)到142.3J，是用同種焊劑SJ101與焊絲H10MnSi匹配焊接的第1組焊接接頭低溫沖擊功的2倍多，是6組不同焊絲和焊劑匹配的焊接接頭中低溫沖擊韌性最優(yōu)者。同時(shí)該組接頭的抗拉強(qiáng)度為505MPa，在6組接頭中僅次于第3組接頭的強(qiáng)度?？傊煤附zH10Mn2和堿性焊劑SJ101匹配焊接的接頭具有良好的綜合機(jī)械性能。

4 結(jié)論

通過(guò)上述教學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師和學(xué)生可得到如下結(jié)論：

①在相同焊接工藝條件下，不同的焊絲-焊劑匹配將獲得不同的焊縫金屬性能：抗拉強(qiáng)度大小與焊縫中的Mn、Si的總含量近似成線(xiàn)性關(guān)系;維氏硬度與焊縫中的Si含量成近似正比關(guān)系;當(dāng)Mn/Si值處于2.4左右時(shí)，焊縫低溫沖擊韌性最大;對(duì)于同種焊劑，焊縫低溫沖擊韌性大小依次為：H10Mn2、H10MnSi。對(duì)于H10Mn2焊絲，焊縫低溫沖擊韌性的大小依次為：焊劑SJ101、焊劑HJ350、焊劑HJ431。

②H10Mn2-HJ431組合是Q345R（16Mn）鋼最常用的焊接材料;對(duì)低溫沖擊韌性和裂紋敏感性有要求時(shí)，選用H10Mn2-SJ101組合可獲得良好的綜合機(jī)械性能。

③焊接冶金過(guò)程中極易出現(xiàn)焊劑向焊縫金屬滲Si現(xiàn)象，致使Si含量增高，增加焊縫金屬的裂紋敏感性，降低韌性，這是焊絲-焊劑組合選擇中必須考慮的。

④埋弧焊時(shí)，母材、焊絲和焊劑間發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng)，焊縫金屬化學(xué)成份和組織將取決于這三者的綜合作用結(jié)果。焊絲和焊劑的組合，在焊接材料選擇中必須同時(shí)考慮，不可分割。NB/T47015（JB4709）標(biāo)準(zhǔn)中雖然給出了焊接材料選擇的建議，但在正式焊接前還是必須進(jìn)行焊絲-焊劑的匹配試驗(yàn)，根據(jù)匹配試驗(yàn)的結(jié)果選擇合適的焊絲-焊劑組合。

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作者簡(jiǎn)介：李歆怡（1983-），女，福建福州人，助理講師，研究方向：液壓、焊接。