任軍，陳晨，鄒楊

1.江蘇大西洋焊接材料有限責(zé)任公司 江蘇啟東 220260

2.四川大西洋焊接材料股份有限公司 四川自貢 643010

3.天津大西洋焊接材料有限責(zé)任公司 天津 304500

1 序言

由于藥芯焊絲具有焊接電弧穩(wěn)定，焊接飛濺小，全位置焊接工藝性能好，熔敷速度快，以及焊道成形美觀(guān)等特點(diǎn)，因此是目前性?xún)r(jià)比最好的高效、低成本、自動(dòng)化焊接材料[1]。藥芯焊絲可用于自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊，多用在造船工業(yè)，然而目前通用的鈦型藥芯焊絲(E501T-1）雖然具有焊接工藝性能的優(yōu)勢(shì)，但由于國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲在船廠(chǎng)、大型鋼結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中質(zhì)量不夠穩(wěn)定，所以還不能完全滿(mǎn)足船舶、大型鋼結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)的焊接要求，主要表現(xiàn)為在剛性拘束較大的情況下容易出現(xiàn)裂紋，采用陶瓷襯墊打底焊時(shí)也容易出現(xiàn)裂紋。本文針對(duì)E501T-1藥芯焊絲出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象進(jìn)行分析，并通過(guò)對(duì)E501T-1藥芯焊絲產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，提高E501T-1藥芯焊絲的抗裂性能，為船舶、大型鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)提供抗裂性能穩(wěn)定的焊接材料。

2 裂紋原因分析

改進(jìn)前的藥芯焊絲雖然具有良好的焊接工藝性能和力學(xué)性能，但在使用過(guò)程中，當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)剛性拘束較大的情況下和采用陶瓷襯墊打底時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋，圖1顯示為部分管板T形接頭出現(xiàn)少量裂紋照片，圖2顯示為采用陶瓷襯墊打底部分焊縫出現(xiàn)少量裂紋照片。

圖1 管板T形接頭裂紋

圖2 陶瓷襯墊打底部分焊縫裂紋

通過(guò)對(duì)出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行金相分析，采用Carl Zeiss光學(xué)顯微鏡對(duì)熔敷金屬的組織進(jìn)行觀(guān)察，浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液。由圖3、圖4低倍金相可以看出，裂紋附近的焊縫組織為塊狀先共析鐵素體沿晶分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體，與正常的焊縫組織基本一致。從圖3可以看出，焊縫受到的焊縫拘束力較大，發(fā)生裂紋后，出現(xiàn)了明顯的變形。由于結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力較大、組織粗大，容易造成焊縫出現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖5、圖6）。對(duì)采用陶瓷襯墊打底的焊縫裂紋金相分析，可以看出組織均為片狀與塊狀先共析鐵素體沿晶分布，側(cè)板條鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)為針狀鐵素體與分布在針狀鐵素體基體上的少量M-A組元，裂紋試樣球形氧化物夾雜均較多。這是由于采用陶瓷襯墊打底，熔化的陶瓷改變了藥芯焊絲的熔渣成分，導(dǎo)致焊縫金屬夾雜物含量變多、導(dǎo)致藥芯焊絲抗裂性能降低、容易出現(xiàn)裂紋。

圖3 管板T形焊縫裂紋金相

圖4 管板無(wú)裂紋焊縫金相

圖5 陶瓷襯墊打底部分焊縫裂紋金相

圖6 陶瓷襯墊打底的焊縫裂紋高倍金相

3 E501T-1藥芯焊絲的改進(jìn)

針對(duì)E501T-1藥芯焊絲比較容易出現(xiàn)裂紋的情況，對(duì)藥芯焊絲配方進(jìn)行改進(jìn)，在保證藥芯焊絲工藝性能的基礎(chǔ)上，提高藥芯焊絲的抗裂性能，降低藥芯焊絲夾雜物含量。改進(jìn)的思路主要集中在以下幾個(gè)方面：①細(xì)化焊縫金屬組織，提高焊絲的抗裂性能。②降低焊縫金屬的擴(kuò)散氫，保證焊絲的抗裂性能。③提高藥芯焊絲去除夾雜物的能力，降低夾雜物含量。④優(yōu)化焊絲合金體系，提高焊絲的抗裂性能。

通過(guò)對(duì)藥芯焊絲TiO2-MnO-SiO2-MgO-Al2O3渣系進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，獲得純凈度高的焊縫金屬，通過(guò)原輔材料優(yōu)選將雜質(zhì)元素控制在極低的水平，保證焊縫金屬獲得均勻、細(xì)小的焊縫組織，合理控制金紅石、硅砂、氧化鉀、氧化鈉作為焊絲的主要造渣劑的含量，保證焊絲的工藝性能。為了獲得細(xì)化的焊縫金屬組織，優(yōu)化鎂粉、鋁鎂合金、鈦鐵、鋁鐵及金屬鋯等脫氧劑的含量，保證焊絲獲得細(xì)化的焊縫金屬組織[2]。為了降低焊縫金屬的擴(kuò)散氫含量，采用氟化鈉、氟鋁酸鉀的混合氟化物降低焊縫金屬的擴(kuò)散氫含量，適當(dāng)提高焊接時(shí)的渣距，以有利于擴(kuò)散氫逸出。采用氟化稀土和氧化稀土混合材料，降低、優(yōu)化焊縫金屬夾雜物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，凈化焊縫金屬。根據(jù)冷熱裂紋敏感指數(shù)對(duì)焊絲合金成分進(jìn)行優(yōu)化，形成Mn-Si-Ti-Zr合金系統(tǒng)，以提高焊絲的抗裂性能。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，對(duì)焊絲進(jìn)行在線(xiàn)加熱處理，提高焊絲擴(kuò)散氫的穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后的焊絲進(jìn)行抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)，采用E501T-1藥芯焊絲，規(guī)格為φ1.2mm。母材為Q355鋼，試板尺寸為300mm×150mm×20mm，坡口角度為30°，組對(duì)間隙6mm，背面貼陶瓷襯墊。采用焊接參數(shù)為：焊接電流260A、電弧電壓29V、焊接速度0.4cm/s，拘束底板尺寸為550mm×550mm×55mm。試驗(yàn)時(shí)先將試板定位焊在剛性底板上，然后焊接拘束焊縫，應(yīng)先焊兩端的拘束焊縫，然后再焊兩側(cè)的拘束焊縫。除最后蓋面焊縫外，中間層焊縫采用錘擊，以減少焊接應(yīng)力的附加影響，拘束焊縫焊腳尺寸為10mm。

試板焊接完成后，采用機(jī)械方法取樣、分析，宏觀(guān)照片如圖7、圖8所示。

圖7 改進(jìn)前抗裂性試驗(yàn)

圖8 改進(jìn)后抗裂性試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后的焊縫金屬組織進(jìn)行金相分析，焊縫近中心與焊縫側(cè)方柱狀晶區(qū)組織均為片狀與塊狀先共析鐵素體沿晶分布，側(cè)板條鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)為針狀鐵素體與分布在針狀鐵素體基體上的少量M-A組元。通過(guò)對(duì)比圖9～圖12可以看出，改進(jìn)后的藥芯焊絲片狀與塊狀先共析鐵素體比改進(jìn)前的要細(xì)小。通過(guò)藥芯焊絲配方的改進(jìn)，提高了藥芯焊絲的抗裂性能

圖9 改進(jìn)前的E501T-1金相組織（片狀）

圖10 改進(jìn)后的E501T-1金相組織（片狀）

圖11 改進(jìn)前的E501T-1金相組織（塊狀）

圖12 改進(jìn)后的E501T-1金相組織（塊狀）

改進(jìn)后的藥芯焊絲，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)某大型船廠(chǎng)的長(zhǎng)期使用，尤其是在該船廠(chǎng)合攏部分大量使用，焊絲的抗裂性能明顯提高，出現(xiàn)裂紋的概率明顯降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）鈦型藥芯焊絲易在較大應(yīng)力的情況下，因金相組織粗大而出現(xiàn)裂紋。采用陶瓷襯墊打底時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬夾雜物含量增多，使藥芯焊絲抗裂性能降低，易出現(xiàn)裂紋。

2）通過(guò)對(duì)E501T-1藥芯焊絲配方進(jìn)行改進(jìn)，在保證藥芯焊絲工藝性能的基礎(chǔ)上，能夠提高藥芯焊絲的抗裂性能。