戴樂(lè) 張文軍 王亞彬 張延超

摘要：利用改進(jìn)的剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)方法對(duì)藥芯焊絲陶瓷襯墊打底焊裂紋的影響因素進(jìn)行了分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，打底焊裂紋呈結(jié)晶裂紋形態(tài)，影響裂紋產(chǎn)生的因素有多種，其中焊縫金屬成分經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，可以利用合適的判據(jù)預(yù)測(cè)裂紋敏感性。焊接電流對(duì)裂紋產(chǎn)生有重要影響，隨著電流的增大，焊縫金屬的裂紋敏感性逐漸增加。打底焊裂紋的產(chǎn)生是冶金因素與工藝因素共同作用的結(jié)果，通過(guò)成分設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇能夠避免裂紋的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：藥芯焊絲;陶瓷襯墊;結(jié)晶裂紋;影響因素

中圖分類號(hào)：TG422.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0112-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.23

0 前言

藥芯焊絲是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種高效焊接材料。由于藥芯焊絲能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)焊接，推進(jìn)了焊接技術(shù)的自動(dòng)化、高效化發(fā)展，在橋梁、壓力容器、汽車、鐵路運(yùn)輸、管道、海洋工程、電站建設(shè)、采礦、石化、建筑機(jī)械、重型機(jī)械及高層建筑等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。目前船舶建造行業(yè)已普遍采用CO2氣保護(hù)藥芯焊絲來(lái)焊接船舶結(jié)構(gòu)，使用率達(dá)到80%以上 [1]。

在造船行業(yè)中，采用藥芯焊絲匹配陶瓷襯墊進(jìn)行打底焊接，免除了反面坡口氣刨，可提高工作效率，廣泛應(yīng)用于分段建造、船體合攏中內(nèi)底板、甲板的拼接焊縫等工況條件下。但此類工況下的打底焊道焊縫正面時(shí)常產(chǎn)生焊接裂紋，具體表現(xiàn)為在焊縫正面的中心會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)短不一、深淺不同的縱向裂紋，其中短小較淺的縱向裂紋多數(shù)情況下在多道焊后會(huì)被熔透而消除，但長(zhǎng)而深的裂紋則有時(shí)會(huì)發(fā)生未熔透的情況，存在很大的安全隱患，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和結(jié)構(gòu)安全[2-3]。

針對(duì)此類問(wèn)題，文中以造船行業(yè)常用的E71T-1C型藥芯焊絲為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)（巴東試驗(yàn)），分析藥芯焊絲陶瓷襯墊打底焊裂紋的影響因素。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

采用市售的三種藥芯焊絲，焊絲型號(hào)均為E71T-1C，焊絲直徑1.2 mm，分別標(biāo)記為A#、B#、C#，其中A#、C#為有縫藥芯焊絲，B#為無(wú)縫藥芯焊絲;試驗(yàn)鋼板為E36鋼板，厚度20 mm。三種焊絲熔敷金屬及鋼板化學(xué)成分如表1所示，焊絲及鋼板機(jī)械性能如表2所示（表中數(shù)據(jù)源自各材料材質(zhì)書）;襯墊選擇市售藥芯焊絲用陶瓷襯墊，牌號(hào)JN 401-2，其主要成分如表3所示（熒光分析結(jié)果）。

改進(jìn)的剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)裝配形式如圖1所示，試驗(yàn)過(guò)程僅進(jìn)行打底焊道的焊接。試板規(guī)格及焊接參數(shù)如表4所示，保護(hù)氣體均為CO2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接設(shè)備采用松下KRⅡ-500CO2焊機(jī)。

1.3 檢測(cè)設(shè)備

采用ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡觀察焊道金相組織。試驗(yàn)完成后采用DPT-5著色滲透探傷劑檢測(cè)焊道裂紋情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

焊接完成后對(duì)三種焊絲的焊道進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。可以看出，在相同的工藝參數(shù)下，B#、C#未出現(xiàn)裂紋，A#出現(xiàn)了裂紋。

2.2 冶金因素的影響

對(duì)三種焊絲的焊道進(jìn)行金相分析，并根據(jù)該類型焊絲普遍采用Ti-B系強(qiáng)化的特點(diǎn)[4]，對(duì)打底焊道的上表面進(jìn)行成分分析，其中金相分析結(jié)果如圖3所示，化學(xué)成分分析結(jié)果如表5所示。

由圖3可知，三種焊絲的打底焊道的組織為方向性明顯的樹(shù)枝晶，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：在進(jìn)行陶瓷襯墊打底焊時(shí)，整個(gè)熔池冷卻過(guò)程接近于二維傳熱過(guò)程，即在與熔池兩側(cè)接觸的基材方向上散熱快，在與熔池底部接觸的陶瓷襯墊側(cè)散熱較慢，而晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向一致，導(dǎo)致一次結(jié)晶的晶?？梢砸恢遍L(zhǎng)到熔池中心，最終形成了粗大的柱狀晶。因而，焊縫中心部位成為了結(jié)晶較晚的部分。

由金屬學(xué)知識(shí)可知，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，結(jié)合上述分析，中心部位最后結(jié)晶的金屬中的雜質(zhì)含量相對(duì)較高，而這些雜質(zhì)易形成低熔點(diǎn)共晶，被排擠在柱狀晶相遇的中心部位，極易形成“液態(tài)薄膜”。在焊縫凝固冷卻過(guò)程中的收縮而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力以及外界拘束力的共同作用下，焊縫中心區(qū)域極易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，可以看出，A#焊絲焊道為典型的結(jié)晶裂紋。

由焊接冶金學(xué)知識(shí)可知，根據(jù)化學(xué)成分來(lái)判斷焊接條件下焊縫結(jié)晶裂紋敏感性大小的判據(jù)有多種，如臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率（CST）、熱裂紋敏感系數(shù)（HCS）及最大裂紋長(zhǎng)度LT等[5]，結(jié)合表3中的成分特點(diǎn)，選用臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率CST作為分析參考，具體公式如下：

CST=（-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+67.5Nb-

618.5B+7.0）×10-4 （1）

當(dāng)CST≥6.5×10-4時(shí)，可以防止裂紋。由于E71T-1C型焊絲的成分系較為簡(jiǎn)單，因此簡(jiǎn)化式（1）如下：

CST=（-19.2C-97.2S-0.8Cu+3.9Mn-618.5B+7.0）×

10-4 （2）

當(dāng)焊縫中存在過(guò)多的C、S、B元素時(shí)，容易形成低熔點(diǎn)共晶，增加裂紋敏感性，而Mn具有脫硫作用，可以將FeS置換為MnS，既改善了硫化物的分布，又可改善抗裂性。根據(jù)表5焊道中各元素的成分，計(jì)算得出A#～C#焊絲的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率分別為6.42×10-4、7.29×10-4、7.83×10-4，與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好?？梢?jiàn)，焊道成分中的裂紋抑制元素與裂紋促進(jìn)元素間應(yīng)設(shè)計(jì)合理。

2.3 工藝參數(shù)的影響

常見(jiàn)的焊接工藝參數(shù)包括焊接電壓、焊接電流、焊接速度及拘束度等。在進(jìn)行藥芯焊絲陶瓷襯墊打底焊時(shí)，為獲得良好的焊縫成形，電弧應(yīng)穩(wěn)定地保持在熔池前端，避免出現(xiàn)過(guò)多的擾動(dòng)，即焊接過(guò)程中的速度應(yīng)盡量穩(wěn)定。焊接電流決定了焊絲的熔化速度，進(jìn)而影響了焊接速度，根據(jù)焊接冶金學(xué)知識(shí)可知，焊速過(guò)快會(huì)加重液態(tài)金屬結(jié)晶的方向性，增加裂紋敏感性。而焊接電壓通常與焊接電流相匹配，對(duì)焊絲的熔化速度影響較小。因此，重點(diǎn)分析焊接電流對(duì)打底焊裂紋的影響。

分別選擇A#和B#兩種焊絲進(jìn)行不同焊接電流的試驗(yàn)，焊接參數(shù)及裂紋率統(tǒng)計(jì)如表6所示，每道焊接時(shí)盡量將速度控制一致，降低焊速變化帶來(lái)的影響。

結(jié)合表4和表6可知，對(duì)于同一焊絲，當(dāng)電流相對(duì)較小時(shí)，焊接完成后均不產(chǎn)生裂紋，這是因?yàn)榇朔N條件下焊接熱輸入相對(duì)較小，對(duì)焊道母材及襯墊的熔化少，使得焊縫金屬相對(duì)純凈，同時(shí)焊速相對(duì)較慢，熔池結(jié)晶能夠較為緩慢地進(jìn)行，避免柱狀晶過(guò)于粗大;而當(dāng)電流增大時(shí)，電弧對(duì)母材及襯墊的熱作用增加，熔池中帶來(lái)了更多的氧化物，降低了焊縫的純凈度，同時(shí)由于熱輸入的增大及陶瓷襯墊的保溫作用，延長(zhǎng)了低熔點(diǎn)共晶的存在時(shí)間，因而增大了裂紋傾向。不同的焊絲其焊絲成分有差異，焊絲對(duì)于電流的適應(yīng)性有所不同。

3 結(jié)論

（1）陶瓷襯墊單面打底焊過(guò)程中，裂紋呈明顯的結(jié)晶裂紋形態(tài)。

（2）裂紋產(chǎn)生的影響因素有多種，E71T-1C型焊絲焊縫金屬成分采用臨界裂紋增長(zhǎng)率（CST）作為判據(jù)，可以對(duì)焊絲的裂紋敏感性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3）焊接電流對(duì)裂紋產(chǎn)生有重要影響，對(duì)同一焊絲而言，電流較小時(shí)，裂紋敏感性較低，隨著電流的增大，延長(zhǎng)了低熔點(diǎn)共晶的存在時(shí)間，增大了裂紋傾向。

（4）藥芯焊絲陶瓷襯墊打底焊裂紋的產(chǎn)生是冶金因素及工藝因素共同作用的結(jié)果，在實(shí)際使用時(shí)，通過(guò)利用臨界裂紋增長(zhǎng)率判據(jù)，結(jié)合工藝參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，可以避免此類裂紋的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

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