黃義芳，張曉柏，蔣 勇，唐小華，羅 宏

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000;2.四川理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

在工程機械產(chǎn)品中，焊接結(jié)構(gòu)件約占整機重量的 50%～70%，液壓支架主體幾乎完全采用焊接結(jié)構(gòu)[1]。我國目前主要制造行業(yè)的骨干企業(yè)，氣保護實心焊絲、藥芯焊絲、埋弧焊絲等各類焊絲的使用比例，約占焊材總使用量的 70% ，與發(fā)達國家相近。在今后五年左右，我國焊條占焊材總產(chǎn)量的比例可能下降到 40%左右，使用焊材的各工業(yè)制造行業(yè)和工程建設(shè)行業(yè)都在轉(zhuǎn)型升級，不斷對焊接材料提出更高要求[2-3]。近年來，大型乙烯、丙烯等球罐建造用鋼板已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但其配套的焊接材料仍依賴進口(如-50℃ 07MnNiMoDR配套焊條長期由國外公司壟斷)[4]，研究開發(fā)與國內(nèi)以07MnNiMoDR-50℃鋼制球罐配套用CHE607QR等球形容器用焊接材料，以期打破國外公司壟斷控制，實現(xiàn)國內(nèi)自主化。焊接填充材料的工藝性是其重要的性能, 尤其是在當(dāng)前市場經(jīng)濟的條件下, 焊接材料工藝性往往成為該種產(chǎn)品是否具有競爭力的決定性因素[5]。球形容器焊接質(zhì)量不僅關(guān)系球形容器建造的成本，更是涉及球形容器運行的安全性[6-7]。國內(nèi)外大量球形容器破壞事故統(tǒng)計表明，焊接質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的裂紋造成的破壞性事故占41%[8]。焊接電流、道間溫度、熱處理工藝參數(shù)等對焊縫的性能都有重要的影響[9-11]，本文主要分析不同條件下回火后焊接工藝參數(shù)對熔敷金屬的力學(xué)性能的影響。

1 實驗方法

采用其Q345板厚20mm，尺寸為300×300mm，采用V形坡口,采用CO2氣體保護焊。焊接前采用CHE607QR堆邊，堆邊厚度大于3mm。試驗焊條選擇定型試驗產(chǎn)品牌號CHE607QR，規(guī)格：φ4.0,批號31454。試驗焊條進行380℃烘焙1h。試板組對要求見圖1，熔敷金屬化學(xué)成分見表1，焊接試驗條件見表2。

表1 熔敷金屬化學(xué)成分

圖1 熔敷試板拼接圖

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接電流對熔敷金屬力學(xué)性能的影響

不同焊接電流條件下熔敷金屬力學(xué)性能(620℃×1h)見圖2。從圖2可看出：620℃×1h熱處理條件下，在焊接電流在140～200A時，各項指標均滿足要求；隨著焊接電流的增加，抗拉強度、屈服強度下降明顯，當(dāng)焊接電流為200A時，拉伸強度大幅降低，但仍然保持良好的塑性。當(dāng)焊接電流為180A時，仍能保持較好的綜合性能，表明焊條耐大電流焊接，焊接電流可選擇范圍為140～180A。

圖2 焊接電流對熔敷金屬力學(xué)性能的影響

2.2 焊接線能量對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

立焊條件下不同線能量焊縫熔敷金屬力學(xué)性能，見圖3。從圖3可看出：在580℃×6h熱處理條件下，隨著線能量的增加，抗拉強度、屈服強度沖擊韌性均降低，斷后伸長率變化不大，當(dāng)線能量大于45 kJ/cm時，抗拉強度、屈服強度低于技術(shù)指標要求，主要是線能量過大會造成晶粒粗大和擴大熱影響區(qū)范圍。當(dāng)線能量小于40.2 kJ/cm時，可以獲得較好的力學(xué)性能。

圖3 焊接線能量對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

2.3 焊接線能量對焊縫熔敷金屬化學(xué)成分的影響

不同焊接線能量條件下焊縫熔敷金屬化學(xué)成分影響見圖4。

圖4 焊接線能量對焊縫熔敷金屬化學(xué)成分的影響

從表6試驗結(jié)果可看出：隨著線能量的增加，熔敷金屬中C、Si、Mn降低，其余元素變化不大，說明線能量的增加，增大了脫氧及強化元素的燒損，使強度下降，與不同線能量對力學(xué)性能影響的結(jié)果有一致性。

2.4 道間溫度對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

不同道間溫度條件下焊縫熔敷金屬力學(xué)性能(620℃×1h)見圖5。從圖5可看出，在試驗條件下，各項指標在技術(shù)要求范圍內(nèi)；還可以看出，隨著道間溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性均降低，但道間溫度在100～170℃時，熔敷金屬均保持較好的沖擊韌性。

圖5 道間溫度對焊條熔敷金屬力學(xué)性能的影響

2.5 熱處理條件對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

不同熱處理條件下焊縫熔敷金屬力學(xué)性能見圖6。

c 熱處理對沖擊功的影響

圖6 熱處理工藝對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

從圖6試驗結(jié)果可看出：在試驗條件下，隨著回火時間以及溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率均降低，沖擊韌性降低更為明顯。

2.6 落錘試驗(NDT)

落錘試驗(NDT) 熔敷金屬無塑性轉(zhuǎn)變溫度見表3。

表3 熔敷金屬無塑性轉(zhuǎn)變溫度

從表3試驗結(jié)果可看出：焊后580℃×6h熱處理狀態(tài)具有-70℃無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)，說明熔敷金屬具有較好的止裂性能。

2.7 熔敷金屬金相組織

不同熱處理條件下焊縫中心金相組織形態(tài)見圖7。經(jīng)焊后熱處理組織形態(tài)由焊態(tài)的針狀鐵素體+M-A島轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體+細顆粒碳化物，其組織特征與性能試驗結(jié)果有較好的一致性。

圖7 焊縫中心金相組織

3 結(jié)論

(1)620℃×1h熱處理條件下，隨著焊接電流的增加，抗拉強度、屈服強度下降明顯，在焊接電流為200A時，拉伸強度大幅降低，焊接電流在180A時，仍能保持較好的綜合性能，表明焊條耐大電流焊接，焊接電流可選擇范圍為140～180A。

(2)在580℃×6h熱處理條件下，隨著線能量的增加，抗拉強度、屈服強度均降低，斷后伸長率變化不大，當(dāng)線能量大于45 kJ/cm時，抗拉強度、屈服強度低于技術(shù)指標要求，當(dāng)線能量小于40.2 kJ/cm時，可以獲得較好的力學(xué)性能。

(3)隨著線能量的增加，熔敷金屬中C、Si、Mn降低，其余元素變化不大，增大了脫氧及強化元素的燒損，使強度下降。

(4)隨著道間溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性均降低，道間溫度在100～170℃時，熔敷金屬均保持較好的沖擊韌性。隨著溫度的提高和回火時間增加，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率均降低，沖擊韌性降低更為明顯。

(5)焊后580℃×6h熱處理狀態(tài)具有-70℃無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)，熔敷金屬具有較好的止裂性能。

(6)經(jīng)焊后熱處理組織形態(tài)由焊態(tài)的針狀鐵素體+M-A組元轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體+細顆粒碳化物。

[1] 沈孝芹,李歡歡,于復(fù)生,等.工程機械用高強鋼及其焊接研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝,2017,46(01):18-22.

[2] 唐伯鋼.今后五年我國焊接材料的發(fā)展趨勢和問題[J].電焊機,2006(11):1-4,38.

[3] 姚潤鋼.我國焊接材料的發(fā)展趨勢[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2014,29(05):1-6.

[4] 步 瓊.15000m3大型球罐設(shè)計與支柱應(yīng)力分析[D].大慶:東北石油大學(xué),2012.

[5] 王 寶,宋永倫,Rehfeldt D.焊接材料工藝性的分析與評價[J].電焊機,2006(11):11-13,19.

[6] Perl M,Bernshtein V.Three-dimensional stress intensity factors for ring cracks and arrays of coplanar cracks emanating from the inner surface of a spherical pressure vessel[J].Engineering Fracture Mechanics,2012,94(1):71-84.

[7] Pandey R K.Analysis of cracking in LPG Horton spherical vessel[J].Engineering Failure Analysis,2005 ,12(3):376-386.

[8] 仲 波.球罐焊縫缺陷與焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[D].福州:福州大學(xué),2006.

[9] 齊新瑞,郝 辭,冷昊凱.2205雙相不銹鋼焊接接頭顯微組織與力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝,2017,46(21):165-167,172.

[10] 陸建衛(wèi).淺談CO2氣體保護焊板對接單面焊雙面成形技術(shù)[J].熱加工工藝,2018(01):236-237,244.

[11] 施瀚超,秦仁耀,鄭 濤.AerMet100焊絲焊接的30CrMnSiNi2A接頭組織和力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝,2018(01):214-216,219.