Q345R手工電弧焊及鎢極氬弧焊工藝的研究

本實(shí)驗(yàn)采用手工電弧焊和鎢極氬弧焊分別對(duì)Q345R進(jìn)行焊接，并比較兩種焊接方法對(duì)其組織和性能的影響，從而為制定其焊接工藝措施及生產(chǎn)實(shí)踐提供試驗(yàn)依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.母材

本試驗(yàn)選用的母材為Q345R壓力容器用鋼，規(guī)格為300×250×12mm3，其化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見表1和表2。

表1Q345R鋼的化學(xué)成分(wt.%)

CMnSiSP

≤0.201.20～1.600.20～0.55≤0.025≤0.018

表2Q345R鋼的機(jī)械性能

交貨狀態(tài)鋼板厚度/mmσb/MPaσs/MPaδ5/%Akv/J沖擊韌性

熱軋12510～640≥345≥21≥31

2.焊接材料

試驗(yàn)用焊條E5016和焊絲ER50-6的化學(xué)成分見表3和表4，熔敷金屬的力學(xué)性能見表1～表5和表1～表6。

表3焊條E5016的化學(xué)成分(ω%)

CMnSiSP其他

≤0.12≤1.60≤0.75≤0.0350.040—

表4焊絲ER50-6的化學(xué)成分(ω%)

CMnSiSP其他

0.06～0.151.40～1.850.80～1.15≤0.035≤0.025≤0.50

表5焊條E5016熔敷金屬的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能

σb /MPaσs/MPaδ5/%Akv/J擴(kuò)散氫含量/(mL/100g)

≥490≥400≥22≥27≤8.0

表6焊絲ER50-6熔敷金屬的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能

σb /MPaσs/MPaδ5/%Akv/J

≥500≥420≥22≥27

3.實(shí)驗(yàn)方法

(1)焊條電弧焊。焊接方法采用焊條電弧焊、對(duì)接接頭形式，雙面焊接，開雙面V形坡口，焊前不預(yù)熱，未進(jìn)行焊后熱處理。在單面焊后，背面采用碳弧氣刨清根、打磨后再進(jìn)行焊接。焊條電弧焊工藝參數(shù)見表7。

表7焊條電弧焊工藝參數(shù)

焊條直徑Φ/mm焊接極性焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min)

4.0 DCRP140～18023～2715～25

(2)鎢極氬弧焊。焊接方法采用鎢極氬弧焊、對(duì)接接頭形式，單面焊接，開V形坡口，保護(hù)氣體為氬氣，焊前不預(yù)熱，未進(jìn)行焊后熱處理。鎢極尺寸為2.4mm，噴嘴直徑為9.5mm，氣體流量為5～10L/min。鎢極氬弧焊工藝參數(shù)見表8。

表8 鎢極氬弧焊工藝參數(shù)

焊絲直徑Φ/mm焊接極性焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min)

2.0DCRP80～18020～2210～15

4.接頭微觀組織觀察

分別對(duì)焊條電弧焊和鎢極氬弧焊試板取樣并制成金相樣品，以便對(duì)接頭的微觀組織進(jìn)行觀察。具體方法為:沿垂直焊縫的方向，截取尺寸為20×20×12mm3的包含焊縫、熱影響區(qū)和母材三部分的試樣;將切好的試樣的待觀察表面在砂輪機(jī)上打磨平整，再用SiC砂紙對(duì)表面打磨直到1200號(hào)，并在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，直至表面呈光滑無(wú)痕的鏡面;采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試件表面進(jìn)行腐蝕，待光亮的表面失去光澤變成銀灰色后，立即用清水沖洗再用酒精漂洗，吹干。最后通過Neophot21金相顯微鏡對(duì)接頭微觀組織進(jìn)行觀察。

5.接頭硬度試驗(yàn)

由于微觀硬度的測(cè)量能夠反映焊接接頭微觀組織的細(xì)微變化，因此，采用國(guó)產(chǎn)HV-10A維氏顯微硬度儀，對(duì)制備好的Q345R鋼焊接試樣沿焊縫橫截面水平方向連續(xù)取點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試。試驗(yàn)所用載荷為10kg，加載時(shí)間為10～15s。

打點(diǎn)間距為1.5mm。在整個(gè)試驗(yàn)期間，硬度計(jì)應(yīng)避免受到?jīng)_擊和振動(dòng)。任一壓痕中心中心距試樣邊緣距離，至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的2.5倍;兩相鄰壓痕中心之間距離至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍。測(cè)量壓痕兩條對(duì)角線的長(zhǎng)度，用其算術(shù)平均值按該標(biāo)準(zhǔn)的附錄查出維氏硬度值。在平面上壓痕兩條對(duì)角線長(zhǎng)度之差應(yīng)不超過對(duì)角線平均值的5%。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.焊縫成形特征及分析

焊條電弧焊采用雙面焊接成形的方法，焊縫外觀形狀平整，表面無(wú)裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫成形良好，焊件有輕微角變形。正面焊縫余高為2mm，背面焊縫余高為1.5mm。

鎢極氬弧焊采用單面焊接雙面成形的方法，并且為自動(dòng)焊，大大減少了人為因素的影響，有利于焊縫成形。焊縫外觀形狀平整、光滑、美觀，表面無(wú)裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫成形很好，焊縫之間、焊縫與母材間呈圓滑過渡，焊縫表面波紋細(xì)密、規(guī)則，正面焊縫余高為1mm。同時(shí)，焊縫背面熔透和成形情況也很好。

2.焊接接頭金相組織

(1)母材金相組織。本試驗(yàn)所制備的金屬顯微組織試樣尺寸為20×20×12mm3 ，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和部分母材金屬區(qū)。從顯微鏡可以明顯地觀察到母材的組織形態(tài)為帶狀分布的鐵素體和珠光體，正符合試驗(yàn)所選取的是熱軋?zhí)幚淼腝345R鋼板的組織特點(diǎn)。

(2)熔合區(qū)組織。焊條電弧焊接頭熔合區(qū)顯微組織晶粒較為均勻、細(xì)小，但過熱區(qū)組織，晶粒較為粗大;白色塊狀為鐵素體組織，黑色點(diǎn)狀為珠光體組織，珠光體沿鐵素體晶界處析出。

鎢極氬弧焊接頭熔合區(qū)顯微組織焊縫組織晶粒相對(duì)細(xì)小，但過熱區(qū)組織，晶粒相對(duì)粗大。可以看到沿晶界析出的塊狀的先共析鐵素體以及晶內(nèi)的針狀鐵素體。

因此，相比于焊條電弧焊，鎢極氬弧焊的焊縫和過熱區(qū)的晶粒更為細(xì)小、均勻，且晶內(nèi)含有針狀鐵素體，可以改善沖擊韌性。鐵素體含量相對(duì)較少，珠光體含量相對(duì)較多。

(3)熱影響區(qū)組織。焊條電弧焊熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)顯微組織為白色鐵素體和黑色珠光體，晶粒較細(xì)小。

鎢極氬弧焊熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)顯微組織為細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體。

因此，在細(xì)晶區(qū)，鎢極氬弧焊接頭熱影響區(qū)的晶粒要比焊條電弧焊的細(xì)小，同時(shí)珠光體的含量更高。

(4)焊縫金屬組織。焊條電弧焊底道焊縫顯微組織為白色塊狀鐵素體和少量黑色珠光體。珠光體沿鐵素體晶界處析出，且含量較少，晶粒較底道焊縫相對(duì)粗大。

鎢極氬弧焊底道焊縫顯微組織為白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無(wú)碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體和珠光體。針狀鐵素體可以改善原始焊縫的低溫沖擊韌性。當(dāng)焊縫中存在高比例的針狀鐵素體時(shí)，低溫韌性顯著提高。

鎢極氬弧焊中間焊縫顯微組織，在這個(gè)區(qū)域主要為等軸狀分布的先共析鐵素體和少量珠光體，以及一些碳化物分散其中。此區(qū)的晶粒均勻、細(xì)小，強(qiáng)度和韌性都應(yīng)該很好。

本試驗(yàn)中，焊條電弧焊為多層焊，前一道焊縫施焊后，后一道焊縫對(duì)前一道焊縫有一個(gè)重?zé)釁^(qū)域，受到重?zé)岷蟮暮缚p組織與單道焊縫組織不同，由于重?zé)嶙饔冒言瓉砗缚p中一次組織的柱狀晶粒打碎，形成等軸晶，細(xì)化了柱狀晶的組織結(jié)構(gòu)，使焊縫性能提高。

鎢極氬弧焊為多層多道焊，對(duì)于多層多道焊來說，互相重疊的焊道的重復(fù)受熱作用比較復(fù)雜，后一道焊縫對(duì)前一道焊縫有一個(gè)再加熱區(qū)域，由于再加熱作用，把原來焊縫中的一次組織破碎，組織發(fā)生了改變和細(xì)化。大致來說一個(gè)多層多道焊縫中存在三種組織，即由柱狀晶區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)組織互相交替組成。柱狀晶區(qū)是焊縫在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中組織未受影響部分;粗晶區(qū)有一次過熱，二次過熱的粗晶區(qū)組織，同時(shí)有原一次細(xì)晶區(qū)組織，過熱又變成粗晶區(qū)的組織;細(xì)晶區(qū)有一次正火或二次正火的細(xì)晶區(qū)組織。這樣多層焊縫組織是多種晶粒度的組合。

3. 接頭硬度實(shí)驗(yàn)分析

(1)焊條電弧焊接頭硬度分布。焊條電弧焊接頭硬度分布曲線先升高后下降，然后趨于平穩(wěn)，然后再次升高后再下降。由此可看出，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度相差不大，焊縫的硬度約等于母材的硬度，接頭屬于等強(qiáng)匹配。而且這兩個(gè)區(qū)域的硬度變化值也不大;而熱影響區(qū)的硬度波動(dòng)較大，而且在熔合線附近的過熱區(qū)出現(xiàn)了比母材還高的最高硬度，并且其硬度呈現(xiàn)梯度變化。這是由于過熱區(qū)發(fā)生淬硬及晶粒粗化造成的結(jié)果。

(2)鎢極氬弧焊接頭硬度分布。從鎢極氬弧焊接頭硬度分布曲線可以看出，焊接的試件的硬度分布在150～230HV之間，其中母材大約在150～170HV左右，而熱影響區(qū)最高硬度在200HV左右，焊縫則在170～220HV之間。硬度曲線先升高后下降，然后在焊縫處出現(xiàn)波動(dòng)，然后硬度值趨于平穩(wěn)。由此可看出，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度相差不大，焊縫的硬度略微高于母材的硬度，接頭基本上屬于等強(qiáng)匹配。而且這兩個(gè)區(qū)域的硬度變化值也不大。焊縫處硬度值出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于多層焊縫組織是多種晶粒度的組合，即由柱狀晶區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)組織互相交替組成，使硬度值發(fā)生了變化。此問題在焊接過程中應(yīng)引起注意。而熱影響區(qū)的硬度波動(dòng)較大，過熱區(qū)的硬度大，是因?yàn)樵搮^(qū)域晶粒粗大。圖中曲線的熔合線右側(cè)焊縫的硬度值較低，這是由于多層多道焊，后續(xù)焊道對(duì)先焊焊道有再次加熱的作用，使組織軟化，從而使硬度值降低。

焊條電弧焊的焊接接頭中，其焊縫區(qū)域組織為大量塊狀鐵素體和少量珠光體，大量的鐵素體大大降低了該區(qū)域組織的硬度。與焊條電弧焊相比，鎢極氬弧焊的焊接接頭中，由于受多層多道焊的影響，組織中晶粒比焊條電弧焊接頭組織更細(xì)小，細(xì)小晶粒可以提高金屬的強(qiáng)韌性，強(qiáng)度和硬度之間有一定的正比關(guān)系，同時(shí)珠光體的含量相對(duì)更高，這就造成了接頭的硬度的提高。

三、結(jié)論

第一，相比于焊條電弧焊焊件焊縫，鎢極氬弧焊焊件焊縫成形美觀，焊縫外觀形狀平整、光滑，焊縫成形很好，焊縫之間、焊縫與母材間呈圓滑過渡，焊縫表面波紋細(xì)密、規(guī)則，焊縫余高小。表面無(wú)裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷。同時(shí)，焊縫背面熔透和成形情況也很好。

第二，采用焊條電弧焊焊接Q345R鋼時(shí)，底道焊縫組織為塊狀鐵素體和少量珠光體;末道焊縫組織為晶粒相對(duì)粗大的鐵素體和珠光體;過熱區(qū)組織為晶粒粗大的塊狀鐵素體和沿晶界析出的珠光體;細(xì)晶區(qū)組織為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體。采用鎢極氬弧焊焊接時(shí)，底道焊縫組織形態(tài)為白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無(wú)碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體和珠光體;中間焊縫組織為等軸狀分布的先共析鐵素體和少量珠光體，以及一些碳化物分散其中，此區(qū)域的晶粒均勻、細(xì)小;過熱區(qū)組織為沿晶界析出的塊狀的先共析鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體;細(xì)晶區(qū)組織為細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體。焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)晶粒尺寸合適，沒有產(chǎn)生脆硬相。因此，本次試驗(yàn)所采用的焊接工藝參數(shù)合適。

第三，采用焊條電弧焊焊接Q345R鋼時(shí)，焊縫金屬的硬度與母材的硬度相近，達(dá)到了等強(qiáng)匹配。但在熔合線附近的過熱區(qū)出現(xiàn)了比母材還高的最高硬度，這是由于過熱區(qū)發(fā)生淬硬及晶粒粗化造成的結(jié)果。采用鎢極氬弧焊焊接時(shí)，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度相差不大，基本上達(dá)到等強(qiáng)匹配，但在焊縫處硬度值出現(xiàn)波動(dòng)。焊縫金屬硬度比焊條電弧焊高，這是由于細(xì)晶強(qiáng)化作用所致;同時(shí)由于鐵素體含量相對(duì)較少，珠光體含量相對(duì)較高，這也提高了焊縫的硬度。

(作者單位:河北省唐山機(jī)車車輛廠高級(jí)技工學(xué)校)