ER55—G焊絲MAG焊45鋼管無預(yù)熱及熱處理工藝研究

0概述

45鋼作為中碳鋼的一種，其碳當(dāng)量為0.62%，因其含碳量高，淬硬傾向大，Ms點(diǎn)溫度低，因而在焊接時(shí)，焊后焊縫熱影響區(qū)易產(chǎn)生低塑性淬硬組織，且容易產(chǎn)生冷裂紋。為避免產(chǎn)生裂紋，通常采用焊前預(yù)熱來降低焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬的冷卻速度，以利于焊縫金屬區(qū)氫的逸出，同時(shí)降低焊縫收縮量。

采用焊后回火處理能均勻組織，減少熱影響區(qū)最高強(qiáng)度，消除焊后應(yīng)力，降低硬度，防止焊接過程中及焊后產(chǎn)生熱裂紋，消除有害的冷作硬化，改善接頭的力學(xué)性能。 但這些工藝在帶來生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本增加、生產(chǎn)效率降低和工作環(huán)境惡化等一系列問題的同時(shí)，也會(huì)增大焊接熱影響區(qū)軟化傾向。

在45鋼焊接結(jié)構(gòu)實(shí)際生產(chǎn)中，很難實(shí)現(xiàn)預(yù)熱甚至不允許預(yù)熱，這大大降低了中碳鋼的應(yīng)用，因此本文采用MAG自動(dòng)焊，對(duì)無預(yù)熱、無焊后熱處理工藝進(jìn)行研究，為45鋼廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際提供了依據(jù)。1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼管材料為45鋼，供貨狀態(tài)為熱軋，規(guī)格為244 mm×314 mm×24 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。試驗(yàn)采用低強(qiáng)高配焊接工藝來降低預(yù)熱溫度，焊接材料采用ER55G實(shí)心焊絲，直徑為1.2 mm， 其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3和表4。

1.2試驗(yàn)方法

為減小母材熔合比，減少焊縫金屬中含碳量，防止裂紋產(chǎn)生，焊接坡口采用U形坡口，鈍邊1 mm，坡口形式見圖1。

焊接前對(duì)U形坡口及坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹及雜物進(jìn)行清理，露出金屬光澤。焊接設(shè)備采用TransPuls Synergic 4000 Fronius 型數(shù)字化焊機(jī)，配合焊接機(jī)器人及翻轉(zhuǎn)臺(tái)使用。焊接保護(hù)氣采用85%Ar+15%CO2。

焊接時(shí)，采用小電流均勻定位焊4點(diǎn)。定位后，采用小規(guī)范進(jìn)行打底焊接，防止在焊接過程中焊接管位置的改變。打底焊過后立即進(jìn)行焊接來降低焊縫金屬和熱影響區(qū)母材金屬的冷卻速度，焊接時(shí)，將道間溫度控制在（200±10）℃。具體焊接參數(shù)見表5。2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1外觀質(zhì)量

焊接完成后對(duì)焊接管表面觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫余高1 mm，焊縫波紋均勻美觀，焊縫表面熔合完全，焊接完成24 h后焊縫表面無延遲裂紋，如圖2所示。

2.2射線探傷和超聲波探傷

焊接完成24 h后，依據(jù)JB/T 4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線探傷檢驗(yàn)，達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊接完成24 h后，依據(jù)JB/T 4730.3—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3力學(xué)性能檢驗(yàn)

焊后48 h依據(jù)GB/T 19869.1—2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼管對(duì)接接頭試樣的截取位置取樣，取樣位置示意圖見圖3。

2.3.1拉伸性能試驗(yàn)和彎曲性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，2個(gè)焊接接頭拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度分別是664和670/MPa，均符合技術(shù)條件要求。

依據(jù)GB/T 2653—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎頭直徑d=3a，彎曲角度為180°的4個(gè)側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果均為合格。檢驗(yàn)結(jié)果顯示試樣彎曲后受拉面沿任何方向上未產(chǎn)生任何裂紋或缺陷，表明焊接接頭連續(xù)、致密、塑性較好，焊縫的抗彎強(qiáng)度達(dá)到了工藝要求。

1-固定管的頂端；2-該位置一個(gè)拉伸試樣，兩個(gè)彎曲試樣；3-該位置沖擊試樣；4-該位置一個(gè)拉伸試樣，兩個(gè)彎曲試樣；5-該位置兩個(gè)金相試樣，一個(gè)硬度試樣

2.3.2沖擊試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2650—2008關(guān)于焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法的要求，分別從沖擊缺口位置平行焊縫和垂直焊縫處對(duì)焊縫中心、熔合線取沖擊試樣，在室溫進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣缺口加工精度用投影儀進(jìn)行校驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

按照相關(guān)技術(shù)條件要求，45鋼焊接接頭在室溫時(shí)的沖擊吸收能量不低于27 J，從表6可以看出，從缺口位置垂直、平行焊縫的焊縫中心、熔合線所截取的沖擊試樣不論是單值還是均值均能達(dá)到要求，而且分布較為均勻，說明焊接接頭整體在常溫條件下具有優(yōu)良的沖擊性能，滿足實(shí)際使用要求。

2.3.3硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2654—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，每個(gè)區(qū)域測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，從接頭的一端母材開始測(cè)量直至另一端母材，測(cè)試點(diǎn)包括母材、熱影響區(qū)及焊縫，測(cè)量點(diǎn)分布如圖4所示，檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫區(qū)與母材區(qū)硬度值相當(dāng)，而熱影響區(qū)硬度值稍高于母材區(qū)，但總體硬度值相差不大。分析認(rèn)為，焊接接頭硬度的變化在一定程度上反映了接頭各部分顯微組織的變化，顯然該接頭的焊縫中心及熱影響區(qū)并未發(fā)生明顯組織脆化現(xiàn)象，晶粒長(zhǎng)大并不嚴(yán)重，這對(duì)整個(gè)接頭的組織和力學(xué)性能是比較有利的。

2.4宏觀及微觀金相分析

焊接接頭宏觀形貌見圖5，接頭形狀對(duì)稱性較好，未見裂紋、氣孔、未焊透等焊接缺陷。

圖5焊接接頭宏觀形貌

焊縫金相組織見圖6，為先共析鐵素體+針狀鐵素體+貝氏體，先共析鐵素體沿柱狀晶晶界分布。過熱區(qū)金相組織見圖7，為馬氏體+屈氏體+貝氏體，屈氏體呈團(tuán)絮狀。正火區(qū)金相組織見圖8，為鐵素體+珠光體+貝氏體，鐵素體呈網(wǎng)狀，組織較過熱區(qū)明顯細(xì)化。不完全正火區(qū)金相組織見圖9，為鐵素體+珠光體，珠光體發(fā)生輕度分散。母材金相組織見圖10，為鐵素體+珠光體，呈等軸晶，鐵素體分布于晶界，組織較為粗大。

2.5掃描電鏡分析

缺口位置垂直于焊縫中心的試樣：斷口整體為韌性斷口，亦稱纖維狀斷口，呈灰暗色，具有明顯的塑性變形，邊緣的45°剪切唇尺寸較大，斷口心部可見少量“小亮面”。啟裂區(qū)斷口形貌見圖11和圖12，全部為等軸的圓形韌窩花樣，分布均勻，韌窩相對(duì)較淺。

擴(kuò)展區(qū)斷口基本為韌窩，底部可見球狀細(xì)小夾雜物，形貌見圖13，局部有少量解理斷口，呈條帶狀輪廓，解理斷口被韌窩斷口包圍，所占比例較小，有明顯解理臺(tái)階，形貌見圖14。

剪切唇處斷口形貌見圖15，均為韌窩，此部位斷裂過程中承受剪切應(yīng)力作用，故韌窩有切向變形跡象。最終斷裂區(qū)斷口形貌見圖16，為撕裂韌窩，此部位開裂時(shí)受撕裂應(yīng)力作用，故韌窩呈拋物線狀。

缺口位置平行于焊縫中心的試樣斷口形貌與垂直于焊縫中心的試樣斷口形貌基本相同，其中擴(kuò)展區(qū)局部也有少量解理斷口，呈等軸輪廓，可能與斷裂方向有關(guān)。

對(duì)焊縫基體及內(nèi)部夾雜物進(jìn)行了EDAX分析，焊縫基體成分見圖17，韌窩內(nèi)部夾雜物成分見圖18。焊縫內(nèi)夾雜物呈球狀，分布在韌窩內(nèi)部，含氧量較高，應(yīng)屬?gòu)?fù)合氧化物類夾雜物。

3結(jié)論

（1）ER55G焊絲MAG焊接易于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，焊接飛濺小，焊縫成形好，焊縫力學(xué)性能較好，適于45號(hào)鋼管的焊接。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析表明，該試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)匹配適當(dāng)，坡口設(shè)計(jì)合理，焊接工藝評(píng)定各項(xiàng)性能均達(dá)到要求，可用于實(shí)際焊接生產(chǎn)。

（3）該試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)合理的坡口，采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ê秃附庸に囈?guī)范以及低強(qiáng)匹配焊接工藝來降低45鋼焊接預(yù)熱溫度，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)中不用預(yù)熱和焊后熱處理，提高了焊接生產(chǎn)效率。