秦 建 李世乾 張匯文 呂曉春 杜 兵

(1.洛陽船舶材料研究所,河南 洛陽 471000； 2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

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SA508-3鋼回火焊道技術(shù)焊道搭接量的分析

秦 建1李世乾1張匯文2呂曉春2杜 兵2

(1.洛陽船舶材料研究所,河南 洛陽 471000； 2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

針對核電設(shè)備常用鋼種SA508-3鋼，采用鎢極氬弧自動焊接方法，對該鋼種在使用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)時的焊道搭接量進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊道搭接量在0%～30%時，相鄰的焊道間有明顯的凹坑的存在，在后續(xù)焊道的焊接過程中容易出現(xiàn)未熔合問題；焊道搭接量達(dá)到70%時，焊道表面向瘤狀發(fā)展，不利于后續(xù)焊道的排布，焊道幾何尺寸的排布使得回火焊道焊接技術(shù)無法實(shí)施；焊道搭接量在40%～60%時，焊道分布相對平直，顯微硬度及淬硬組織分布均勻，利于回火焊道技術(shù)的實(shí)施。

SA508-3鋼 回火焊道技術(shù) 焊道搭接量 焊縫成型

0 序 言

近些年來，回火焊道技術(shù)作為一種能夠免去焊后熱處理的焊接修復(fù)方法而被企業(yè)所接受并應(yīng)用[1-3]。 影響回火焊道技術(shù)焊后組織和性能的參數(shù)較多，比如焊條直徑的選擇、焊接熱輸入的確定以及焊道搭接量的大小等[4]。 焊道搭接量作為回火焊道焊接技術(shù)實(shí)施的重要變素，其影響著實(shí)際焊接過程中焊道幾何尺寸的分布規(guī)律、相鄰焊道間所產(chǎn)生的淬硬微觀組織分布情況以及后續(xù)焊接參數(shù)的選擇，在一定程度上決定了回火焊道焊接技術(shù)的成功與否。 在實(shí)際的手工焊接修復(fù)中，焊接操作者以其可操作性往往默認(rèn)選擇焊道搭接量以50%為宜，但近些年來由于全自動焊接的普及促使在實(shí)際焊接修復(fù)過程中焊接設(shè)備可精確的采用不同的焊道搭接量，但在焊道搭接量對顯微組織及硬度分布的影響規(guī)律方面研究報道較少。

文中針對核電常用鋼種SA508-3鋼，分析了不同焊道搭接量下的焊接熱影響區(qū)幾何尺寸、顯微硬度及顯微組織分布情況，并找出適用于回火焊道焊接技術(shù)的合理焊道搭接量范圍，以期對該鋼種的回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹穗娪肧A508-3鋼，母材化學(xué)成分見表1，根據(jù)實(shí)際焊接修復(fù)中的焊接熱循環(huán)特點(diǎn)，選用的試板尺寸為300 mm × 200 mm × 60 mm。試驗(yàn)用焊接設(shè)備為YC-500WX，焊接方法為自動TIG(Tungsten Inert Gas Welding)填絲焊。

表1 試驗(yàn)用母材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1為試驗(yàn)焊道布置示意圖，試驗(yàn)過程中先使用表2焊接工藝參數(shù)在SA508-3鋼表面堆焊兩條焊道，具體焊道布置如圖1所示，通過使后序焊道與前序焊道形成一定角度，獲得后序焊道與前序焊道的搭接量從0%到100%連續(xù)逐漸增加，通過這種焊道布置不僅可以一次性同時獲得所有不同焊道搭接率試樣，而且可以降低偶然因素帶來的誤差。焊后進(jìn)行顯微硬度測試，并觀察不同搭接量下熱影響區(qū)交界處的顯微組織。

試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)見表2，焊后采用線切割方法切取焊道橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光、硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行金相組織觀察和顯微硬度測試(HV0.5)，圖2宏觀金相白點(diǎn)為顯微硬度測試點(diǎn)，顯微硬度相鄰間隔0.5 mm。

圖1 焊道布置示意圖

焊接電流I/A焊接速度v/(cm·min-1)送絲速度vf/(cm·min-1)電弧電壓U/V氬氣流量Q/(L·min-1)1608401215

圖2 顯微硬度測試點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為不同焊道搭接量下焊縫宏觀金相圖片，可以看出隨著焊道搭接量的增大，焊縫成形上由凹坑趨近于平直再趨近于瘤狀，焊道搭接量達(dá)到70%以上時，焊縫狀態(tài)開始明顯凸起，此時不利于后續(xù)焊道的成型。

回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠焊接接頭幾何尺寸之間的合理排布。圖4為焊接接頭的主要幾何尺寸，其中BH代表焊道的余高;P代表焊縫熔深;Ac3L代表熱影響區(qū)中細(xì)晶區(qū)的下邊緣距母材表面距離;Ac1L代表熱影響區(qū)中不完全正火區(qū)的下邊緣距母材表面距離;d為粗晶區(qū)最大寬度;f為有效回火寬度。

圖3 不同焊道搭接量下的焊接接頭宏觀金相圖片

圖4 焊接接頭幾何尺寸示意圖

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，回火焊道焊接技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，調(diào)質(zhì)模式和回火模式，實(shí)現(xiàn)條件分別如下。

回火模式實(shí)現(xiàn)條件如式(1);調(diào)質(zhì)模式實(shí)現(xiàn)條件如式(2)～(3)：

f-d+Ac1maxL2>BHminL1+PminL1>Ac1maxL2

(1)

BHmaxL1+PmaxL1

(2)

f+Ac1maxL3-d>BHminL1+PminL1+BHminL2>Ac1maxL3

(3)

圖5為焊道搭接量對焊接接頭各幾何尺寸的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著焊道搭接量的增大，Pmax,BHmax,Ac3Lmax,Ac1Lmax無明顯變化，Pmin,BHmin,Ac3Lmin,Ac1Lmin均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢。當(dāng)焊道搭接量介于40%～60%時，Pmax與Pmin,BHmax與BHmin,Ac3Lmax和Ac3Lmin,Ac1Lmax與Ac1Lmin的差值較小，焊接熱影響區(qū)及焊道分布較為平直，有利于回火焊道的焊道排布。

圖5 焊道搭接量對焊接接頭各幾何尺寸的影響規(guī)律

圖6為不同焊道搭接量下熱影響區(qū)顯微硬度測試點(diǎn)及顯微硬度分布。顯微硬度分布可以看出，焊道搭接量在10%～30%時，相鄰焊道的熱影響區(qū)處有明顯的凹坑區(qū)域，曲率較大，而該區(qū)域往往是硬度值較高區(qū)域(400 HV左右)，因此在實(shí)施回火焊道技術(shù)時該區(qū)域往往由于回火焊道技術(shù)的焊道排布規(guī)律而遺漏該區(qū)域，成為實(shí)際焊接修復(fù)過程中接頭性能薄弱區(qū)域。焊道搭接量為40%時，相鄰焊道間凹坑曲率較??；且由于

后一焊道的熱處理作用，前一焊道較深位置的淬硬區(qū)域經(jīng)過了一定的回火作用，較大尺度范圍內(nèi)硬度值下降到350 HV以下，因此能夠相對容易的實(shí)現(xiàn)回火焊道技術(shù)。焊道搭接量為50%～60% 時，由于起弧位置相對首次焊道位置較高，因此P值相對較小，造成了相鄰兩焊道熔深及熱影響區(qū)分布的差異，但從第二次焊道的焊縫成形上可知,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)以相同的焊道搭接量焊接時，焊接接頭的分布應(yīng)與第二次焊道的成形相當(dāng)。首次焊道的較大區(qū)域已經(jīng)得到了充分的回火作用，后續(xù)焊道熱影響區(qū)除去相鄰焊道搭接部分以外分布已接近平直狀態(tài)，此時最利于回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖7為不同焊道搭接量下的顯微組織分布，顯微組織分布表明焊道搭接量在10%～30%時，相鄰焊道熱影響區(qū)交界處曲率最大區(qū)域組織為板條馬氏體組織，這是由于相鄰焊道粗晶區(qū)搭接所產(chǎn)生，在其附近的位置2區(qū)域出現(xiàn)了隱晶馬氏體組織，板條馬氏體和隱晶馬氏體組織均為SA508-3鋼多層多道焊中焊接熱影響區(qū)性能薄弱的組織，因此該區(qū)域硬度較高，是回火焊道焊接過程中容易遺漏的區(qū)域；位置3處由于后續(xù)焊道的回火作用，顯微組織為回火索氏體組織，但由于搭接量較小，回火作用區(qū)域還處于相對較高位置，因此造成了未回火區(qū)域分布曲率較大，不利于回火焊道焊接技術(shù)的實(shí)施。

焊道搭接量為40%～60%時，焊接熱影響區(qū)中也出現(xiàn)了相類似的組織，但由于焊道搭接量較大，多道焊后每層整體的淬硬組織的分布比較平直，且在曲率較大的部分已經(jīng)歷相鄰焊道的回火作用，此時利于回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同焊道搭接量下的顯微硬度分布

圖7 不同焊道搭接量下顯微組織分布

4 結(jié) 論

(1)焊道搭接量在0%～30%時，相鄰的焊道間存在明顯的凹坑，在后續(xù)焊道的焊接過程中易出現(xiàn)未熔合問題。

(2)焊道搭接量達(dá)到70%及以上時，焊道表面向瘤狀發(fā)展，不利于后續(xù)焊道的排布，焊道幾何尺寸的排布使得回火焊道焊接技術(shù)無法實(shí)施。

(3)焊道搭接量在40%～60%時，焊道分布相對平直，顯微硬度及淬硬組織分布均勻，利于回火焊道技術(shù)的實(shí)施。

[1] 秦 建, 呂曉春, 杜 兵, 等. SA508-3鋼焊趾部位回火焊道技術(shù)研究[J]. 焊接, 2014(7): 37-40.

[2] Walter J S, Sperko J. Exploring temper bead welding[J]. Welding Journal, 2005(8): 31-38.

[3] ASME boiler and pressure vessel committee on welding and brazing. QW-409 ASME IX Welding and Brazing Qualifications[S]. The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA, 2010.

[4] 掌麗華, 呂曉春, 秦 建, 等. SA508-3鋼回火焊道實(shí)現(xiàn)的熱循環(huán)條件[J]. 焊接, 2016(6): 43-47.

2016-12-21

TG444

秦 建，1990年出生，工程師。主要從事壓力容器、管道補(bǔ)償器焊接工藝研究，已發(fā)表論文20余篇。