雙絲埋弧焊接頭性能研究

張德遠，屈金山，謝芋江，何 芬

(西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

雙絲埋弧焊接頭性能研究

張德遠，屈金山，謝芋江，何 芬

(西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

在16Mn鋼板上進行雙絲自動埋弧焊工藝試驗，得到了不同焊接速度下的焊件。對不同工藝參數下得到的焊接接頭試樣進行了拉伸試驗、硬度測試以及金屬顯微組織觀察，并計算了雙絲自動埋弧焊時的熔敷率。結果表明：采用雙絲埋弧焊得到的焊縫外形美觀；金屬熔敷率與焊接速度成反比；隨著焊接速度的降低焊接線能量相應的增大，較長的高溫停留時間會促使接頭金屬組織長大；不同焊接速度下得到的接頭抗拉強度和屈服強度有明顯區別。隨焊接速度增大，焊縫金屬硬度提高，接頭金屬韌性降低。

雙絲埋弧焊；熔敷率；焊接接頭；組織

0 前言

埋弧焊是焊接生產中應用最廣泛的工藝方法之一。其焊接熔深大、生產效率高、機械化程度高，因而特別適合中厚板長焊縫的焊接。在造船、鍋爐、壓力容器、化工、橋梁、起重機械、工程機械、冶金機械以及海洋結構、核電設備制造中埋弧焊都是主要的焊接生產工藝[1]。雙絲埋弧焊的引入，減少了焊接道次，焊接效率可以大幅度提高。通過前后絲焊接參數的合理調整，能夠在較寬的范圍內控制焊接能量的輸入，滿足不同使用條件下的性能要求。在焊接過程中，根據板厚情況，選擇合適的焊接工藝，可以大大提高勞動生產效率[2]。對雙絲埋弧焊工藝方法及其特點的研究具有重要的現實意義。在此采用了成都華遠電器設備有限公司生產的MZS－1250型通用雙絲埋弧焊設備，在16Mn鋼上進行了雙絲埋弧焊工藝試驗，結合具體試驗條件，研究了焊縫金屬組織和接頭力學性能等，為提高雙絲埋弧焊接頭質量奠定基礎。

1 試驗

1.1 試驗材料和焊前準備

試驗采用δ＝20 mm厚的16Mn鋼板，其化學成分為 w(C)＝0.12～0.18，w(Si)＝0.20～0.60，w(Mn)＝0.80～1.20，w(P)≤0.050，w(S)≤0.045。焊絲采用生產中常用的 H08A，化學成分為 w(C)≤0.01，w(Si)≤0.03，w(Mn)＝0.30～0.55，w(Cr)≤0.02，w(Ni)≤0.30，w(S)≤0.040，w(P)≤0.040。前絲采用直流反接，后絲采用交流，前、后絲直徑4 mm。配用焊劑SJ101。將板材加工成規格為600 mm×150 mm的焊接試件。

雙絲埋弧焊，前后絲夾角10°，兩絲間距約70mm。采用V形坡口，坡口角度60°，鈍邊8 mm，裝配間隙小于等于1 mm，焊件背面點焊定位，清除坡口兩側30 mm范圍內的鐵銹、油污和臟物等。

1.2 焊接參數

雙絲埋弧焊接過程中，前絲、后絲共同決定了熱輸入和最終的組織狀態和使用性能，前后絲的作用又不盡相同。一般前絲的電流較大而電壓較小，決定焊道的熔深；后絲電流較小電壓較大，可以保證一定的熔寬和焊縫成形[3]。本試驗采用雙絲雙面焊，焊接時前絲電壓35V，電流700 A；后絲電壓40 V，電流500 A。具體工藝參數如表1所示。

表1 雙絲埋弧焊焊接參數

2 試驗結果和討論

2.1 熔敷率

熔敷率為單位時間內熔化的焊絲金屬過渡到焊縫中的質量。由電極產熱計算公式可知，用于加熱和融化焊絲的總熱量Pm主要由兩部分組成：一為電弧的近電極區產的熱量，二為焊絲干伸長的電阻熱量，可用下式表示[4]:

式中 I為焊接電流；Um為電弧熱熔化焊絲的等效電壓；R為干伸長的等效電阻值。

焊絲的熔化量由電弧的熱輸入量和焊絲電阻產熱量兩個主要因素所決定。熔敷率的大小受焊接電流、焊絲伸出長度和焊絲直徑等因素影響。在相同電壓條件下，焊接電弧產生的熱量與焊接電流、焊絲電阻成比例。雙絲自動埋弧焊的熱輸入高，熱量損失小，能量利用率高。試驗中在焊接電流和電壓不變的情況下，改變了焊接速度，由圖1可以看出，焊接速度增大使焊接線能量降低，其熔敷率相應降低。

圖1 雙絲埋弧焊不同速度熔敷率的比較

2.2 焊縫截面

不同焊接速度條件下的焊接接頭截面如圖2所示。圖2a、圖2b、圖2c三個試樣的熔深分別為12.5 mm、14.5mm、16mm；熔寬分別為 20mm、25.5mm、30.5 mm。經檢驗，焊接接頭金屬中未發現根部未熔合和凹坑等焊接缺陷。從圖2還可以看出，焊縫金屬枝晶的這種生長方式有利于低熔點雜質物凝固到焊渣中去。雙絲埋弧焊時焊接線能量較高，能量損失小，熱效率高。由于焊接熱循環的特點，雙絲埋弧焊在焊接時所形成的熔池體積大，熔池中金屬處于液態的時間較長，故其焊縫外形美觀，焊接質量好。

圖2 焊縫截面比較

熱影響區寬度的大小對于間接判斷焊接接頭的質量有很大意義。除了由于組織變化而引起的性能差別外，還在焊接接頭中產生應力與變形。一般來說，熱影響區越窄，則焊接接頭中內應力越大，越容易出現裂紋；熱影響區越寬，則變形增大。因此在工藝上，應在焊接接頭中內應力尚不足以產生裂紋的條件下，盡量減小熱影響區的寬度，這對整個焊接接頭的性能是有利的[5]。

為了精確計算熱影響區的寬度，必須用具體的峰值溫度明確熱影響區外端邊界，而峰值溫度Tp又和組織性能的某些特征變化相關聯[6]：

式中 Tp為距熔合線距離為y處的峰值溫度(單位：℃)；T0為母材的初始溫度(單位：℃)；cρ 為容積比熱容(ρ 為母材的密度，c為比熱容)；q/v焊接線能量(單位：kJ/cm)；y 為計算點離熔合區的距離(單位：mm)。

低碳鋼或低合金鋼焊接接頭區域有一個很清楚的浸蝕邊界，可經過對試樣拋光和浸蝕后的焊縫截面觀察到：該浸蝕邊界一般相當于730℃的峰值溫度。將此浸蝕邊界設定為熱影響區的外端邊界，便可計算熱影響區的寬度，也就是求出Tp＝730℃時的y值。

由圖2可知，隨著焊接速度從18 m/h增加到42 m/h，熱影響區寬度從 4.4 mm 減小到 3.2 mm。

2.3 焊縫金屬組織

使用4%硝酸酒精溶液(HNO34 ml，酒精96 ml)腐蝕焊接接頭，并用OLYMPUS－TOKYO型金相顯微鏡對焊縫金屬顯微組織進行觀察分析。在上述工藝條件下，當焊接速度改變時，從圖3a中可以看出，在焊速為42 m/h時，焊縫區金相組織為沿柱狀晶界析出的白色粗狀側板條鐵素體和塊狀鐵素體(白色)，黑色為珠光體組織；圖3b、圖3c為焊接速度在30 m/h和18 m/h的條件下的焊縫區金相組織，可以看出，與圖3a相比粗片狀的側板條鐵素體減少了，焊縫組織多為塊狀鐵素體和珠光體，晶內有少量的粒狀貝氏體。特別指出的是：由于圖3c焊接速度小，相應的增大了焊接熱輸入，所以熔池的冷卻速度較慢，熔池高溫停留時間長，致使焊縫金屬晶粒粗大。

圖3 焊縫金屬顯微組織(400×)

2.4 焊接熱影響區金屬組織

焊接熱影響區經歷了不同的焊接熱循環，距熔合區越近，加熱的峰值溫度越高，加熱速度和冷卻速度也越大，焊后熱影響區的顯微組織性能變化也越大。而焊接熱影響區的組織分布與母材16Mn焊前的熱處理狀態有關。在熱影響區內任何一處的組織與該處的合金成分、加熱速度、最高加熱溫度、高溫停留時間的長短和冷卻速度等因素有關。

雙絲埋弧焊不同速度焊接熱影響區(HAZ)的金屬組織，如圖4所示。比較三種速度下焊接熱影響區組織可知，焊接速度42 m/h的熱影響區組織由于焊接線能量較小，冷卻速度快，焊接熱影響區尺寸相應減小，合金元素擴散時間短，加劇成分偏析的程度。焊接速度18 m/h的焊接熱影響區由于焊接線能量較大，高溫停留時間長，導致晶粒粗大，韌性下降。

由圖5可明顯看出，焊接速度對焊接熱影響區不同區域晶粒大小的影響。焊接速度越慢，焊接線能量的輸入越大，則焊接接頭冷卻速度越慢，其晶粒越粗大，接頭金屬的塑性和韌性越差。增大焊接速度，相當于增大過冷度，使自發晶核的數量增加，有利形核，可得到細小的結晶組織，但由于冷卻速度太快，焊縫中的一些合金元素來不及均勻擴散，使焊縫中合金成份分布不均勻，在焊縫與母材的熔合區，這種情況最為嚴重。

2.5 顯微硬度

使用HVS－1000型顯微硬度計測量焊接接頭金屬斷面的硬度，載荷0.98 N，接頭斷面金屬的硬度分布如圖6所示。從圖6可以看出，在上述工藝條件下，當焊接速度改變時，埋弧焊焊接接頭的HAZ和焊縫金屬的硬度變化規律基本一致，但硬度的最高值出現在焊接速度最大的試樣中。可見焊接電流和電壓不變時，焊接接頭的硬度隨著焊接速度的增大而有所上升。總體來看，熱影響區金屬的硬度值最高，母材金屬硬度最低。熱影響區金屬因受焊接熱循環的影響出現了淬硬現象，硬度值相應提高。

圖4 焊接熱影響區顯微組織(200×)

圖5 焊接熱影響區顯微組織(400×)

2.6 焊接接頭力學性能

圖6 焊接接頭顯微硬度曲線

根據CB2652－89《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》的規定進行焊接接頭拉伸試驗，結果如表2所示。母材16Mn鋼的斷裂伸長率大于等于21%，屈服強度值大于等于325MPa，抗拉強度值大于等于490MPa。焊接速度為30 m/h的試樣接頭屈服強度比母材稍高，抗拉強度與母材基本相同，斷裂位置發生在焊接熱影響區；焊接速度為18 m/h的試樣接頭屈服強度和抗拉強度均比母材低，斷裂位置在焊縫中心上，接頭強度低于母材。對于焊接速度為42 m/h的焊接試樣，由于焊接速度很高，熔池形狀為壓扁的橢球形，與母材的接觸面積較大。在冷卻時，晶粒先從與母材相連的半熔化區形核，并向液態金屬中生長。焊接速度越快，晶粒生長的方向與熔池移動方向的夾角越接近90°，其結果造成晶粒以柱狀晶的方式向焊縫中心長大，焊縫中心聚集了大量的低熔點的共晶體和雜質，對焊接性能造成損害。

3 結論

在焊接電流、電壓不變的情況下，通過分析比較雙絲埋弧焊在不同焊接速度下的焊接接頭，得出以下結論：

(1)采用雙絲埋弧焊，得到的焊接接頭焊縫形狀合理，隨焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬都相應減少。

(2)焊絲金屬的熔敷率隨著焊接速度的增加而降低。選擇適當的焊接速度可以在保證熔敷率的基礎上提高焊接接頭的性能，提高焊接工作效率。

(3)焊接速度為18 m/h時，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度均比母材的屈服強度和抗拉強度低，斷裂位置在焊縫中心處；焊接速度為30 m/h時，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度比母材略高，斷裂出現在熱影響區。

表2 焊接接頭性能試驗結果

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊——焊接方法及設備(第二版)[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]付魁軍，及玉梅，翟曉莉.雙絲埋弧焊工藝參數對接頭組織與性能的影響[J].焊接，2004(7)：

[3]王宗杰.熔焊方法及設備(第一版)[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]何德孚，華大龍，陳立功，等.單電源雙絲埋弧自動焊及其應用前景[J].焊管，2005，28(3)：30－34.

[5]曾光廷.材料成型加工工藝及設備(第一版)[M].北京：化學工業出版社，2001

[6]李亞江.焊接組織性能與質量控制[M].北京：化學工業出版社，2005.

Research on joint property of twin wire submerged arc welding

ZHANG De-yuan，QU Jin-shan，XIE Yu-jiang，HE Fen
(School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The welding of 16Mn steel plate is conducted using twin wire submerged arc welding technology.The weldments are prepared under the condition of the different welding speeds.For the welded joints obtained by above-mentioned welding processes，the tensile tests of the welded joints are performed，the hardness of the joint metal is measured，and the welded joint microstructure is observed.Moreover，the metal deposition rate is calculated based on the basis of the experimental data.The results show that the excellent welding bead shape is easily obtained by twin wire submerged arc welding process.The metal deposition rate is inversely proportional to the welding travel speed.The decrease of welding speed results in the corresponding increase of the welding heat input,the longer existing time of welding pool at elevated temperature causes to the relatively coarse grain microstructure of both HAZ and weld metal.The tensile and the yield strength of the joints obtained by above-mentioned welding processes are distinctly different.The microhardness of weld metal is increased and the toughness of welded joints is decreased as the welding travel speed is increased.

twin wire submerged arc welding process；deposition rate；welded joint；microstructure

TG407

A

1001－2303(2011)03－0070－05

2010－05－31

西華大學省級重點實驗室開放基金資助項目(SZJJ 2009－019)

張德遠(1980—)，男，河南洛陽人，在讀碩士，主要從事先進材料連接方法和焊接接頭質量控制工作。