孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的變化及其控制

孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

分析焊接熱輸入與熔敷金屬韌性間的關(guān)系，探討大熱輸入條件下熔敷金屬韌性的影響因素及控制方法。研究表明，常規(guī)熱輸入與焊接材料熔敷金屬間的關(guān)系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。焊縫中一定量的Ti、B、Ce、N、O、H等元素在焊接過(guò)程中的冶金作用是獲得大熱輸入條件下滿意熔敷金屬低溫韌性的重要影響因素。從選擇添加元素、探討韌化機(jī)理、試驗(yàn)確定焊縫中元素精準(zhǔn)含量等方面入手的控制熔敷金屬韌性原理，其終極目標(biāo)是使焊縫金屬獲得85％以上AF組織。

熔敷金屬韌性；焊接材料；大熱輸入；控制

0 前言

隨著高效、自動(dòng)化焊接方法（多絲埋弧焊、多絲氣體保護(hù)焊、氣電立焊、電渣焊等）的推廣應(yīng)用，大熱輸入概念不可避免被提上議事日程。此處的大熱輸入在數(shù)量級(jí)方面與過(guò)去的大熱輸入有所不同。以往在焊條電弧焊、藥芯焊絲電弧焊中所說(shuō)的大熱輸入只有17～20 kJ/cm，本研究的大熱輸入量通常大于50 kJ/cm，甚至更高如1 000 kJ/cm。在如此大的熱輸入條件下，以往的焊接材料肯定不行，焊接材料熔敷金屬的韌性一定很差，難以滿足接頭的使用性能要求。迄今為止，涉及熱輸入和焊縫韌性的文獻(xiàn)不少[1-2]，但深入探討如此大熱輸入（大于50 kJ/cm）條件下熔敷金屬韌性的有限[3]。為此，本研究特意將大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性與顯微組織相聯(lián)系，探討熔敷金屬韌性與大熱輸入的關(guān)系、熔敷金屬韌性的影響因素及其控制方法。該項(xiàng)研究對(duì)進(jìn)一步認(rèn)清大熱輸入條件下獲得熔敷金屬高韌性機(jī)理、研制新一代大熱輸入焊接材料、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。

1 熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關(guān)系

熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關(guān)系如圖1所示。與中小熱輸入相比，大熱輸入必然使熔池高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)、冷卻速度變慢，晶粒不可避免要長(zhǎng)大，同時(shí)先共析鐵素體PF增多，而針狀鐵素體AF數(shù)量減少，這就意味著焊縫韌性必然下降。如果是小的熱輸入，則是熔池高溫停留時(shí)間短、冷卻速度加快，焊縫中可能出現(xiàn)惡化韌性的M-A組織，在有的情況下，甚至出現(xiàn)可能導(dǎo)致裂紋的貝氏體或馬氏體，焊縫低溫韌性很差。只有在中等熱輸入情況下，熔池高溫停留時(shí)間和冷卻速度適中，晶粒細(xì)小，先共析鐵素體PF較少，針狀鐵素體AF含量大于85％，焊縫低溫韌性優(yōu)良。

圖1 熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關(guān)系

熱輸入與熔敷金屬的關(guān)系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。換言之，它們之間的關(guān)系就是焊縫韌性對(duì)熱輸入敏感，熱輸入過(guò)大或太小韌性都不好，只有中等熱輸入才好。維持這樣的關(guān)系使得焊接工藝條件變得比較嚴(yán)苛，對(duì)于工程應(yīng)用造成諸多不方便。

為什么市場(chǎng)上有的焊接材料如DW-100這樣的藥芯焊絲對(duì)熱輸入不敏感？即使提高熱輸入（比同類焊絲高），焊縫中針狀鐵素體仍不減少，當(dāng)然熔敷金屬韌性數(shù)值也不減。該類焊絲韌性對(duì)熱輸入的敏感性說(shuō)到底仍然是由焊絲具有的品質(zhì)特性所決定，也就是藥芯組成（含制造技術(shù)）決定的。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。進(jìn)一步探討，涉及焊接冶金學(xué)問(wèn)題。配方及生產(chǎn)工藝的先進(jìn)性，不僅帶來(lái)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。

2 大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的影響因素

2.1 硼的影響

為了研究硼對(duì)低合金高強(qiáng)鋼大熱輸入焊縫韌性的影響，文獻(xiàn)[4]采用氣電立焊焊接方法對(duì)ABS EH36船板進(jìn)行對(duì)接立焊，焊接材料為含Ti、B的直徑1.6 mm配套用藥芯焊絲。在w（Ti）含量約0.03％藥芯焊絲中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的B元素，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。采用配有自動(dòng)向上行走小車的PANA-K600Ⅱ型焊機(jī)，在焊接電流330～350 A、電壓34～36 V、焊接速度約7.8 cm/min、焊接熱輸入約85 kJ/cm、保護(hù)氣為100％CO2、水循環(huán)冷卻條件下進(jìn)行焊接，截取試樣開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)。

焊縫中B元素含量與焊縫組織中針狀鐵素體含量關(guān)系曲線如圖2所示，變化趨勢(shì)為一拋物線形。隨著焊縫中B含量增加，晶界處的先共析鐵素體大幅度減少，針狀鐵素體增多，組織趨于細(xì)化；當(dāng)焊縫中B含量為0.005 2％時(shí)，焊縫中先共析鐵素體基本消失，針狀鐵素體含量達(dá)最高，約為85％；當(dāng)焊縫中B含量進(jìn)一步增至0.008 8％時(shí)，針狀鐵素體含量減小?？梢钥闯?，B對(duì)焊縫中先共析鐵素體具有明顯的抑制作用，焊縫中適量的B元素含量能有效提高針狀鐵素體含量。

焊縫中B元素含量與焊縫中M-A組元總量和尺寸關(guān)系曲線如圖3所示，曲線呈波浪上坡形。隨焊縫中B含量增加，焊縫中M-A組元總量和尺寸

升高。這是因?yàn)殡S著B(niǎo)含量增加，B元素偏析于奧氏體境界上，有效降低了界面能，抑制了先共析鐵素體的產(chǎn)生；另一方面，B元素在夾雜物/基體界面上偏析，影響了針狀鐵素體的形成（B元素在夾雜物/基體界面上偏析既有利針狀鐵素體的形核，促進(jìn)針狀鐵素體形成；但隨B元素含量進(jìn)一步提高，B原子使珠光體轉(zhuǎn)變被抑制，促進(jìn)M-A組元生成，從而使針狀鐵素體含量下降）。

圖2 B含量對(duì)焊縫中針狀鐵素體含量的影響

圖3 B含量對(duì)焊縫中M-A組元總量和尺寸的影響

焊縫中B元素含量與焊縫韌性關(guān)系曲線如圖4所示，呈拋物線型變化。隨焊縫中B元素含量增大，焊縫低溫韌性先升后降，存在一個(gè)韌性最大值。當(dāng)B含量達(dá)到0.005 2％時(shí)，最高沖擊吸收能量分別為142 J（-20℃）和120 J（-40℃）。過(guò)量的B含量使得焊縫韌性陡降。

圖4 B含量對(duì)焊縫低溫沖擊吸收功的影響

2.2 鈦的影響

在研究Ti對(duì)低合金高強(qiáng)鋼大熱輸入焊縫夾雜物的影響時(shí)[5]，采用ABS EH36船板氣電立焊（800 mm× 200 mm×20 mm對(duì)接試板、熱輸入85 kJ/cm）工藝方法，對(duì)不同Ti含量的焊縫夾雜物進(jìn)行對(duì)比分析。焊縫中Ti含量從0％增加到0.028％～0.038％范圍內(nèi)時(shí)，焊縫中夾雜物數(shù)量密度增加明顯，尺寸小于2 μm的夾雜物含量提高至85％以上，促進(jìn)了針狀鐵素體的形成；當(dāng)Ti含量過(guò)量時(shí)，焊縫中尺寸小于2 μm的夾雜物含量急劇下降，促進(jìn)了貝氏體轉(zhuǎn)變。

2.3 鈰的影響

為了研究稀土Ce在大熱輸入焊縫金屬中的作用[6]，采用雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接方法對(duì)ABS EH36船板進(jìn)行對(duì)接接頭水平位焊接，焊接材料為自制的、分別加入1％、3％、5％CeO2，直徑4 mm配套用藥芯焊絲，焊劑為SJ101。采用MZ-1500型焊機(jī)、焊接電流550 A、電壓32 V、焊接速度約17 m/h、雙絲焊接，焊接熱輸入為74.5 kJ/cm，焊后在距離試件表面2 mm的焊縫部位截取試樣開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)。

Ce對(duì)大熱輸入焊縫組織和韌性的影響如表1所示。由表1可知，隨焊縫中Ce元素的添加，焊縫金屬中直徑小于2 μm的夾雜物比例提到90％以上，有效細(xì)化了焊縫中的非金屬夾雜物，對(duì)誘導(dǎo)針狀鐵素體形核有利。尤其Ce元素含量0.032％時(shí)，焊縫中小于2 μm的夾雜物比例達(dá)95％以上，對(duì)針狀鐵素體形核貢獻(xiàn)更大。

表1 Ce對(duì)大熱輸入焊縫組織和韌性的影響

從焊縫顯微組織變化看，隨焊縫中Ce元素的

添加，先共析鐵素體PF明顯減少，細(xì)小針狀鐵素體明顯增多。當(dāng)Ce元素含量0.032％時(shí)，焊縫中針狀鐵素體AF比例已經(jīng)高達(dá)85％以上。這表明在大熱輸入焊縫中加稀土Ce不僅細(xì)化了夾雜物，更抑制了先共析鐵素體PF和粒狀貝氏體BG的形成，促進(jìn)了針狀鐵素體AF形成。在低于或高于最佳Ce元素含量0.032％時(shí)，均有5％以上直徑大于2.0 μm的非金屬夾雜物，降低了直徑小于1.0 μm的夾雜物含量，減少了針狀鐵素體形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量。

從焊縫韌性（-40℃沖擊吸收能量）變化看，未加Ce的焊縫均在24 J以下，不能滿足使用要求。加入Ce的焊縫，韌性大幅提升，Ce含量0.032％的焊縫大于82 J。這是Ce元素促進(jìn)針狀鐵素體AF含量增加，顯著細(xì)化焊縫金屬晶粒的結(jié)果。針狀鐵素體AF大幅度提升焊縫金屬低溫韌性的原因是：針狀鐵素體AF在原奧氏體晶內(nèi)放射性成長(zhǎng)的性質(zhì)，造成針狀鐵素體AF大角度晶界，且晶內(nèi)有高密度位錯(cuò)，致使微裂紋跨越需要消耗更高的能量。

2.4 氮的影響

現(xiàn)以E501T-1型藥芯焊絲為例，通過(guò)試板試驗(yàn)分析焊縫中N含量對(duì)熔敷金屬低溫韌性的影響[7]。表2是用不同企業(yè)生產(chǎn)的兩種CO2保護(hù)氣體（氣體純度不同）、同一種藥芯焊絲焊接試樣的試驗(yàn)結(jié)果。含N量為0.011％的1號(hào)試樣的沖擊吸收功僅有34 J，而含N量為0.004 7％的2號(hào)試樣的沖擊吸收功卻高達(dá)165 J。后者是前者的4倍還多。

表2 焊縫中N含量對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響

圖5 N含量對(duì)金紅石型藥芯焊絲焊縫金屬韌性的影響

文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[8]（見(jiàn)圖5）一致，焊縫金屬中w（N）≤0.005％時(shí)，熔敷金屬低溫韌性較高。分析認(rèn)為，焊接過(guò)程中通過(guò)保護(hù)氣進(jìn)入熔池較多的氮，由于冷卻速度很快，一部分氮以過(guò)飽和形態(tài)存在于固溶體中，另一部分氮以針狀氮化物（Fe4N）形式析出，分布于晶界或晶內(nèi)，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，析出的氮化物（Fe4N）量增加，致使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性和韌性特別是低溫韌性急劇下降。

2.5 氧的影響

焊縫含氧量對(duì)焊縫韌性的影響如表3所示[3，9]。試驗(yàn)用鋼為抗拉強(qiáng)度520 MPa、厚度60 mm的低強(qiáng)鋼，采用直徑1.2 mm實(shí)心焊絲，匹配兩種焊劑。焊接參數(shù)：電流380 A、電壓53 V、焊接速度0.20～0.24 mm/s、熱輸入850～1 000 kJ/cm、焊絲擺動(dòng)寬度28 mm。

表3 含氧量對(duì)焊縫韌性的影響

可以看出，對(duì)于500 MPa級(jí)的大熱輸入電渣焊工藝而言，焊縫中氧含量以控制在0.025％左右為宜（而不是太?。藭r(shí)可以得到均勻細(xì)小的彌散氧化物作為形核核心，生成針狀鐵素體組織（見(jiàn)圖6），獲得良好的韌性。如果焊縫中氧的含量過(guò)低（如0.0136％）則焊縫韌性明顯下降，故而應(yīng)采用低堿度的焊劑。這是一個(gè)含氧量對(duì)焊縫韌性相左影響的典型案例。

2.5 氫的影響

焊縫中的H可能引起氫脆和氫致裂紋。表4是H含量對(duì)熔敷金屬韌性影響的一例[10]。試驗(yàn)是在250 mm×100 mm×24 mm、921A鋼板（10CiN3MoV）V型對(duì)接坡口焊縫進(jìn)行的。所用焊條是921A鋼配套用WE960基礎(chǔ)上加入稀土硅鐵后自制焊條。稀土硅鐵的加入量分別為0、0.5％、1％、2％、3％。焊接參數(shù)為：電流170 A、電壓25 V、熱輸入16 kJ/cm。5種試樣分別在0℃、-20℃、-40℃、-70℃、-100℃進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的V型缺口試件沖擊試驗(yàn)。采用斜Y型坡口試件進(jìn)行裂紋試驗(yàn)。用氣相色譜法對(duì)試樣進(jìn)行擴(kuò)散氫測(cè)試，并對(duì)試樣進(jìn)行金相顯微觀察。

可以看出，稀土加入量5％試樣的擴(kuò)散氫含量最

低（3.91 ml/100 g），焊縫沖擊韌性最好（-20℃/94 J），焊縫組織為大量針狀鐵素體AF加粒狀貝氏體BG。這可能主要彰顯了稀土元素的有利作用，其中亦顯示了低氫對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。從焊縫的抗裂性結(jié)果看，隨著焊縫中擴(kuò)散氫提高（從5.97 ml/100 g升至6.86 ml/ 100 g和7.75 ml/100 g），試件斷面裂紋率也增高（從0增至13.3％和100％）。說(shuō)明在一定應(yīng)力狀態(tài)下氫對(duì)裂紋誘導(dǎo)作用十分明顯。盡管在大熱輸入條件下，焊縫冷卻速度較慢，t100增大了，但仍不可忽視H對(duì)焊縫韌性的不利影響。

圖6 不同含氧量條件下的焊縫組織

表4 H含量對(duì)熔敷金屬韌性的影響

3 大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性控制方法

大熱輸入熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的控制比較復(fù)雜，可以參照?qǐng)D7所列思路開(kāi)展工作。

（1）正確選用焊接材料添加物。圖6所示的多種添加物中，采用較多的是Ti-B聯(lián)合加入方式，此法可以利用Ti保護(hù)B過(guò)渡，同時(shí)防止B形成氮化物（即所謂的加Ti固N(yùn)作用）。但是焊縫中Ti、B元素必須嚴(yán)格控制在最佳范圍。稀土及其他添加物亦有成功案例[11-12]。

（2）這些添加物元素雖然各不相同，但在焊接冶金過(guò)程中應(yīng)起到以下作用：①細(xì)化晶粒；②抑制先共析鐵素體FP或其他不利組織（如M-A組織）的形成；③促進(jìn)針狀A(yù)F形成；④限制有害元素的作用。

（3）為了獲得添加物良好效果，加入量必須精準(zhǔn)控制。有益元素的加入具有最佳加入量或范圍，過(guò)量或不足都會(huì)影響性能。有害元素的范圍絕不可超越。表5是幾種大熱輸入焊接方法所用焊接材料中添加物加入量實(shí)例?？梢钥闯觯糠N添加物及加入量都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格工藝試驗(yàn)而確定的。

（4）上述原理是比較理想的，實(shí)際操作中會(huì)遇

到不少技術(shù)環(huán)節(jié)或關(guān)鍵。當(dāng)解決諸如組織均勻性、沖擊數(shù)據(jù)分散性等困難問(wèn)題后，若能獲得穩(wěn)定的焊縫中85％以上的針狀鐵素體AF組織，控制大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬低溫韌性的終極目標(biāo)可望達(dá)到。

圖7 熔敷金屬韌性控制原理

表5 焊接材料中添加物加入量實(shí)例

4 結(jié)論

（1）常規(guī)熱輸入與焊接材料熔敷金屬間的關(guān)系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。

（2）焊縫中一定量的Ti、B、Ce、N、O、H等元素在焊接過(guò)程中有細(xì)化晶粒、抑制PF、促進(jìn)AF、限制有害因素等冶金作用，是獲得大熱輸入條件下滿意熔敷金屬低溫韌性的重要影響因素。

（3）從選擇添加元素、探討韌化機(jī)理、試驗(yàn)確定焊縫中元素精準(zhǔn)含量等方面入手的控制熔敷金屬韌性原理，在克服一系列技術(shù)難關(guān)后，其終極目標(biāo)是使焊縫金屬獲得85％以上AF組織。

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Change and control of deposited metal toughness of welding consumables under the high heat input conditions

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The relationships between welding heat input and deposited metal toughness were analyzed，and the influence factors and control methods of deposited metal toughness under high heat input condition were discussed.The investigation shows that the relationships between the conventional heat input and deposited metal toughness for welding consumables depend on the acicular ferrite content in weld，when the acicular ferrite content is high the toughness is good，otherwise the toughness is poor.The metallurgical effects of a certain amount of Ti，B，Ce，N，O，H and other elements in the weld metal in welding process are an important influence factor to obtain satisfactory low temperature toughness of deposited metal under high heat input condition.The ultimate goal of controlling deposited metal toughness from the choice of adding elements，discuss the toughening mechanism，test to determine the elements accurate content and other aspects is to obtain more than 85％AF microstructure of the weld metal.

deposited metal toughness；welding consumables；high heat input；control

TG421

A

1001-2303（2016）10-0034-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.07

獻(xiàn)

孫咸.大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的變化及其控制[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：34-39.

2016-03-03；

2016-05-18

孫咸（1941—），教授，長(zhǎng)期從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學(xué)工作，對(duì)焊接材料軟件開(kāi)發(fā)具有豐富經(jīng)驗(yàn)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2000年），?。ú浚┘?jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文140多篇；1992年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。