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        不同焊接材料的接頭組織及力學性能研究

        2023-02-27 07:41:28李柏松魏守盼侍孝建王慶超武樹成
        金屬加工(熱加工) 2023年2期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        李柏松,魏守盼,侍孝建,王慶超,武樹成

        徐州徐工礦業(yè)機械有限公司 江蘇徐州 221000

        1 序言

        隨著國內(nèi)外礦產(chǎn)資源需求的劇增,為有效提升開采效率,大型礦山機械向著長壽命、低成本、大噸位方向發(fā)展,這對結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和效率都提出了極高的要求。目前,礦山機械鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)仍采用傳統(tǒng)氣體保護焊方式,這主要受限于材料板厚較大和結(jié)構(gòu)件形狀復雜,下料件尺寸及拼點間隙易超差,以及難以采用激光MIG復合焊或埋弧焊等高效焊接方法來提升生產(chǎn)效率。為解決傳統(tǒng)實芯焊絲氣體保護焊填充量大、生產(chǎn)效率低等問題,可從使用新型焊接材料等角度進行相關(guān)工藝技術(shù)攻關(guān)。

        2 試驗材料、設(shè)備及方法

        為研究多層焊接頭的微觀組織與力學性能,焊接試板選用12mm厚Q355E鋼板,單件尺寸為400mm×150mm,并沿長邊開單V形30°坡口。焊接材料選用3種不同類型的50k g級焊絲,包括金屬粉芯焊絲(E70C-6M)、實芯焊絲(ER50-6)、藥芯焊絲(E501T-1)。焊接保護氣選用82%Ar+18%CO2。

        試板拼焊過程如圖1所示,前端間隙為2mm,末端間隙為3mm,調(diào)整好間隙后在首尾及中間3處位置定位焊加固,并用G形夾鉗將試板固定在工作平臺上,通過剛性約束減少焊接變形量。

        圖1 3種不同焊接材料的焊接過程示意

        為保證焊接過程一致性,焊接試驗采用庫卡機器人搭配福尼斯TPS4000焊機進行多層焊接。經(jīng)多次工藝試驗發(fā)現(xiàn),藥芯焊絲和金屬粉芯焊絲在小電流條件下(80~160A)由于焊接冶金反應(yīng)不充分,容易產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。為顯著改善打底層焊接質(zhì)量,后續(xù)工藝試驗過程打底層均采用實芯焊絲并在小電流短弧條件下焊接,以實現(xiàn)良好的單面焊雙面成形。填充層、蓋面層焊接時,為提高焊接材料熔敷效率并確保在合理焊接熱輸入范圍,選用大電流(240~320A),控制層間溫度≤300℃,相關(guān)焊接參數(shù)見表1。

        表1 不同焊接材料條件下的焊接參數(shù)

        3 不同焊接材料條件下接頭組織特征及力學性能

        3.1 接頭宏觀成形

        如圖2~圖4所示,采用上述3種焊接材料在不同焊接工藝窗口下(240~320A)得到的接頭宏觀成形良好,且焊后經(jīng)UT檢測無焊接缺陷。其中,實芯焊絲與金屬粉芯焊絲氣保焊接頭均為明顯指狀熔深,焊縫深寬比較大。而藥芯焊絲由于熔敷效率較低,為實現(xiàn)相同焊接填充量,焊接速度較小(0.18~0.3m/min),焊縫深寬比較小。

        圖2 實芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

        圖3 藥芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

        圖4 金屬粉芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

        3.2 接頭微觀組織

        如圖5所示,使用3種不同焊接材料在不同焊接熱輸入條件下,蓋面層柱狀晶粒大小無明顯變化,均沿著熔合線向焊縫中心生長。對于實芯焊絲和金屬粉芯焊絲的填充層焊縫,由于受到蓋面層“回火”作用,晶粒有一定程度細化,但在不完全重結(jié)晶過程中生長方向變得雜亂。而藥芯焊絲填充層晶粒細化更為明顯,基本轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉蔫F素體和彌散分布的粒狀珠光體(見圖6)。

        圖5 不同焊接材料的對接接頭微觀組織

        圖6 填充層焊縫微觀組織對比

        由于焊縫微觀組織特征由化學成分和冷卻速度決定,通過對比3種不同焊接材料的焊接熱輸入(Q=0.75UI/V),可知Q實芯焊絲=1.09kJ/mm,Q藥芯焊絲=1.47kJ/mm,Q金屬粉芯焊絲=0.96kJ/mm,即藥芯焊絲焊接熱輸入較實芯焊絲提高34.9%,金屬粉芯焊絲焊接熱輸入比實芯焊絲低11.9%,因此可從以下兩方面解釋藥芯焊絲填充層晶粒細化現(xiàn)象:一是蓋面層焊接速度較低(v=0.18m/min),填充層在重新奧氏體化重結(jié)晶過程冷卻速度顯著降低,有效延緩了相變過程;二是藥芯焊絲wMn遠高于實芯焊絲,分別為1.75%、1.125%,其再結(jié)晶過程不僅起到固溶強化作用,而且可推遲過冷奧氏體相變速度。同時,較高含量的金紅石TiO2(wTiO2≈40%)可通過渣-金屬界面反應(yīng)向熔池過渡Ti元素,Ti與C形成的強碳化物對晶界遷移起阻礙作用,可顯著抑制晶粒長大[1]。

        3.3 焊接接頭抗拉強度

        為表征3種不同焊接材料焊接接頭抵抗斷裂的能力,焊后分別在試板上取兩個拉伸試樣進行測試。拉伸試驗結(jié)果表明,采用不同焊接材料在不同焊接參數(shù)下得到的接頭抗拉強度均大于母材強度(實測578MPa),見表2。斷裂位置均位于母材,這表明3種不同焊接材料的熔敷金屬抗拉強度均高于母材。

        表2 不同焊接材料條件下焊縫金屬拉伸性能

        3.4 焊縫金屬抗拉強度

        為進一步闡明3種不同焊接材料的熔敷金屬抗拉強度變化規(guī)律及差異性,焊后分別沿焊縫方向取2組棒狀拉伸試樣,拉伸斷裂后試樣如圖7所示。根據(jù)表2試驗結(jié)果可知,不同焊接材料的焊縫抗拉強度均大于母材,尤其是藥芯焊絲平均抗拉強度顯著高于其余兩種焊接材料。這可以結(jié)合3種不同焊接材料的焊縫微觀組織進一步解釋:實芯焊絲和金屬粉芯焊絲焊后晶粒大小無明顯變化,焊縫組織均為塊狀鐵素體和珠光體,故焊縫金屬抗拉強度基本一致;而藥芯焊絲由于細晶強化和微合金元素Mn的固溶強化作用,焊縫金屬平均抗拉強度明顯優(yōu)于其余兩種焊接材料。

        圖7 不同焊接材料的焊縫金屬拉伸后試樣

        3.5 接頭低溫沖擊性能

        為表征焊接接頭斷裂韌性,焊后在接頭位置截取3個標準沖擊試樣,并在焊縫中心開V型缺口,隨后在-40℃下進行低溫沖擊試驗,試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,實芯焊絲焊后試樣隨著焊接熱輸入增加,其低溫沖擊性能顯著下降,這可能與合金元素燒損增加有關(guān)。藥芯焊絲焊后試樣低溫沖擊性能最優(yōu),這與圖6所示的細晶強化有關(guān)。相關(guān)資料表明,晶粒細化不僅可提高焊縫金屬強度,還可以增加韌性。金屬粉芯焊絲焊后試樣低溫沖擊性能介于兩者之間。經(jīng)分析主要與兩方面因素有關(guān):一是金屬粉芯焊絲90%以上成分是硅鐵和錳鐵[2],鐵粉燃燒時會吸收大量熱量;二是金屬粉芯焊絲合金成分設(shè)計時Ni元素高于實芯焊絲,分別為0.5%、0.15%,這有助于低溫斷裂過程螺旋型位錯交滑移,阻礙裂紋擴展[3]。因此,金屬粉芯焊絲在晶粒大小未明顯變化的前提下,沖擊性能有一定程度的提高。

        圖8 不同焊接材料的焊接接頭低溫沖擊性能對比

        4 結(jié)束語

        1)對于窄間隙打底焊(2~3mm),金屬粉芯焊絲和藥芯焊絲在小電流條件下焊接冶金反應(yīng)不充分,易產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合等缺陷,可采用實芯焊絲打底焊工藝來實現(xiàn)單面焊雙面成形。

        2)3種焊接材料在合理焊接參數(shù)條件下,蓋面層焊縫晶粒大小基本一致,組織均為較大的塊狀鐵素體和珠光體。藥芯焊絲填充層焊縫金屬由于焊后重結(jié)晶冷卻速度慢,以及細晶強化和Mn元素推遲過冷奧氏體相變,組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿¤F素體和粒狀珠光體。

        3)3種焊接材料焊后接頭抗拉強度均高于母材(578MPa),斷裂位置均位于母材。其中,實芯焊絲與金屬粉芯焊絲焊縫金屬抗拉強度相近,而藥芯焊絲焊后接頭在細晶強化、合金元素固溶強化作用下,強韌性最優(yōu)。

        4)與實芯焊絲和藥芯焊絲相比,金屬粉芯焊絲在保證組織性能優(yōu)良前提下,焊接效率更具優(yōu)勢。

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