王國(guó)佛，賈玉力，劉厚濤，張勝鵬，金喜慶，王慧源

哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

HS13/5L屬于馬氏體不銹鋼焊絲，具有很好的抗疲勞裂紋和抗汽蝕磨損性能，用于0Cr13Ni5Mo同類馬氏體不銹鋼，以及相近的410、410S和405母材的焊接。尤其適合于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪馬氏體不銹鋼的同材質(zhì)焊接及補(bǔ)焊，也適合于同類泵體、閥門的補(bǔ)焊，已大量成熟應(yīng)用于三峽等水電機(jī)組。焊縫塑韌性差、伸長(zhǎng)率不穩(wěn)定是HS13/5L焊絲熔敷金屬力學(xué)性能在檢驗(yàn)和使用中存在的問(wèn)題，也是造成產(chǎn)品焊后開裂的主要原因[1-3]。

HS13/5L通過(guò)優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)和冶煉工藝，提高了熔敷金屬塑韌性，尤其是伸長(zhǎng)率已達(dá)到10%以上。但是在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有部分爐號(hào)焊絲出現(xiàn)熔敷金屬伸長(zhǎng)率偏低，拉伸試樣發(fā)生脆斷的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)不同爐號(hào)性能、不同熔敷金屬金相組織和斷口形貌等研究了影響焊縫伸長(zhǎng)率的因素。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)焊絲為哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為HS13/5L實(shí)芯焊絲，焊絲爐號(hào)分別為ET5662和WB6028，規(guī)格均為φ1.2mm，用推薦的Ar+5%CO2保護(hù)氣體及焊接參數(shù)焊制熔敷金屬試件，焊接參數(shù)見表1，對(duì)應(yīng)熔敷金屬化學(xué)成分見表2。利用光學(xué)金相顯微鏡、掃描電鏡等分析方法，對(duì)熔敷金屬的組織、拉伸斷口形貌等進(jìn)行了對(duì)比研究，探索影響熔敷金屬伸長(zhǎng)率的因素。

表1 焊接參數(shù)

表2 試驗(yàn)焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）熔敷金屬力學(xué)性能 兩種焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表3，WB6028爐號(hào)伸長(zhǎng)率偏低，發(fā)生無(wú)縮頸脆斷。兩種材料冶煉及制備工藝無(wú)區(qū)別，熔敷金屬成分也無(wú)明顯波動(dòng)。

（2）掃描斷口分析 利用掃描電鏡觀察了2個(gè)爐號(hào)熔敷金屬拉伸試樣斷口，其結(jié)果如圖1～圖4所示。其中ET5662爐號(hào)熔敷金屬拉伸斷口形貌均為均勻小的韌窩。WB6028爐號(hào)熔敷金屬拉伸斷口在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的斷口形貌，起裂區(qū)斷口表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂，韌窩尺寸不均勻；擴(kuò)展區(qū)形貌如圖3所示，斷裂方式由韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂過(guò)渡。瞬斷區(qū)斷口形貌為明顯的脆性斷裂（見圖4），斷口呈冰糖狀形貌，且在其斷口可以清晰地看到沿柱狀晶斷裂的平滑大平面。

表3 試驗(yàn)焊絲熔敷金屬室溫力學(xué)性能

圖1 ET5662 拉伸斷口形貌（1000×）

圖2 WB6028拉伸斷口起裂區(qū)形貌（1000×）

圖3 WB6028 拉伸斷口擴(kuò)展區(qū)形貌（1000×）

圖4 WB6028 拉伸斷口瞬斷區(qū)形貌（300×）

圖5 ET5662焊縫組織

圖6 WB6028焊縫組織

（3）金相組織分析 分別在拉伸試樣上截取金相試樣，使用金相顯微鏡在500倍的條件下對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5和圖6所示。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)2個(gè)試樣的組織類型相同，均為板條馬氏體，馬氏體的尺寸相差不大，通過(guò)對(duì)2個(gè)試樣比較發(fā)現(xiàn)，ET5662的焊道比較窄，重?zé)釁^(qū)多，等軸晶多，柱狀晶少，柱狀晶區(qū)域大約占整個(gè)試樣的60%；WB6028的焊道比較寬，重?zé)釁^(qū)少，等軸晶少，柱狀晶多，柱狀晶區(qū)域占整個(gè)試樣的70%以上。

在50倍金相試樣上觀察發(fā)現(xiàn)，2個(gè)試樣整個(gè)試樣截面上在焊道層間部位交界處有部分是等軸晶，其他部位均為柱狀晶。由2個(gè)試樣的粗晶照片可以明顯地看出焊接過(guò)程中焊道分布，其中WB6028試樣蓋面焊道較厚，即熔深較大。

由金相分析結(jié)果可知，焊縫伸長(zhǎng)率高時(shí)熔敷金屬柱狀晶比例略高；由掃描斷口分析結(jié)果可知，焊縫伸長(zhǎng)率低，熔敷金屬斷口形貌為明顯的脆性斷裂斷口，有沿柱狀晶方向開裂的大平面。由宏觀金相可知，塑性好的拉伸試樣取樣涉及4層熔敷金屬，塑性差的拉伸試樣取樣涉及3層熔敷金屬。塑性差的拉伸試樣表層焊道所占面積較大，接近一半。表層焊道熔敷金屬晶粒粗大，同時(shí)改變柱狀晶和等軸晶的比例，柱狀晶比例增多。由此分析，塑性下降的主要原因是拉伸試樣熔敷金屬中表層焊道所占比例較大，柱狀晶比例大。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)論，選擇伸長(zhǎng)率低的WB6028焊絲減小擺動(dòng)幅度進(jìn)行焊接，測(cè)試其焊縫性能，并與上述正常焊接參數(shù)熔敷金屬性能對(duì)比。熔敷金屬焊接參數(shù)見表4，拉伸試樣出現(xiàn)縮頸。此結(jié)果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長(zhǎng)率低的主要原因的結(jié)論正確。

在多層多道焊接過(guò)程中，后續(xù)焊道對(duì)前道次焊道有回火作用。對(duì)于此HS13/5L材料回火會(huì)促使部分馬氏體分解轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儕W氏體，從而增加熔敷金屬的塑韌性。蓋面時(shí)焊道擺寬大，熔深大，減少熔敷金屬拉伸試樣焊接道次會(huì)導(dǎo)致熔敷金屬拉伸試樣中經(jīng)過(guò)回火處理的焊道比例降低，因此會(huì)出現(xiàn)塑性偏低現(xiàn)象[4-6]。

表4 小擺動(dòng)焊接參數(shù)

表5 小擺動(dòng)焊接參數(shù)熔敷金屬力學(xué)性能

焊接電流和電壓與之前試驗(yàn)相當(dāng)；試驗(yàn)結(jié)果見表5。WB6028焊絲采用小擺動(dòng)焊接后熔敷金屬伸長(zhǎng)率達(dá)到了10%以上，有明顯提高，強(qiáng)度等性能無(wú)明顯變化，拉伸試樣出現(xiàn)縮頸。此結(jié)果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長(zhǎng)率低的主要原因的結(jié)論正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）HS13/5L焊絲熔敷金屬焊縫伸長(zhǎng)率偏低，拉伸發(fā)生脆斷是由于焊道擺動(dòng)寬度大、熔敷金屬柱狀晶比例大、自回火組織比例少。

2）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：減小擺動(dòng)幅度后，焊縫熔敷金屬伸長(zhǎng)率提高10%以上，分析原因正確，采用措施有效。

3）為避免焊縫熔敷金屬塑性性能不穩(wěn)定，在焊接過(guò)程中，應(yīng)控制每道的擺動(dòng)寬度和熱輸入，必要時(shí)蓋面多焊1層作為工藝焊道，保證焊縫熔敷金屬塑性性能優(yōu)異。