大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的變化及其控制

孫 咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的變化及其控制

孫 咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

分析焊接熱輸入與熔敷金屬韌性間的關系，探討大熱輸入條件下熔敷金屬韌性的影響因素及控制方法。研究表明，常規熱輸入與焊接材料熔敷金屬間的關系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。焊縫中一定量的Ti、B、Ce、N、O、H等元素在焊接過程中的冶金作用是獲得大熱輸入條件下滿意熔敷金屬低溫韌性的重要影響因素。從選擇添加元素、探討韌化機理、試驗確定焊縫中元素精準含量等方面入手的控制熔敷金屬韌性原理，其終極目標是使焊縫金屬獲得85％以上AF組織。

熔敷金屬韌性；焊接材料；大熱輸入；控制

0 前言

隨著高效、自動化焊接方法（多絲埋弧焊、多絲氣體保護焊、氣電立焊、電渣焊等）的推廣應用，大熱輸入概念不可避免被提上議事日程。此處的大熱輸入在數量級方面與過去的大熱輸入有所不同。以往在焊條電弧焊、藥芯焊絲電弧焊中所說的大熱輸入只有17～20 kJ/cm，本研究的大熱輸入量通常大于50 kJ/cm，甚至更高如1 000 kJ/cm。在如此大的熱輸入條件下，以往的焊接材料肯定不行，焊接材料熔敷金屬的韌性一定很差，難以滿足接頭的使用性能要求。迄今為止，涉及熱輸入和焊縫韌性的文獻不少[1-2]，但深入探討如此大熱輸入（大于50 kJ/cm）條件下熔敷金屬韌性的有限[3]。為此，本研究特意將大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性與顯微組織相聯系，探討熔敷金屬韌性與大熱輸入的關系、熔敷金屬韌性的影響因素及其控制方法。該項研究對進一步認清大熱輸入條件下獲得熔敷金屬高韌性機理、研制新一代大熱輸入焊接材料、提高產品競爭力，具有一定的實用價值和參考意義。

1 熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關系

熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關系如圖1所示。與中小熱輸入相比，大熱輸入必然使熔池高溫停留時間變長、冷卻速度變慢，晶粒不可避免要長大，同時先共析鐵素體PF增多，而針狀鐵素體AF數量減少，這就意味著焊縫韌性必然下降。如果是小的熱輸入，則是熔池高溫停留時間短、冷卻速度加快，焊縫中可能出現惡化韌性的M-A組織，在有的情況下，甚至出現可能導致裂紋的貝氏體或馬氏體，焊縫低溫韌性很差。只有在中等熱輸入情況下，熔池高溫停留時間和冷卻速度適中，晶粒細小，先共析鐵素體PF較少，針狀鐵素體AF含量大于85％，焊縫低溫韌性優良。

圖1 熱輸入與焊接材料熔敷金屬韌性的關系

熱輸入與熔敷金屬的關系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。換言之，它們之間的關系就是焊縫韌性對熱輸入敏感，熱輸入過大或太小韌性都不好，只有中等熱輸入才好。維持這樣的關系使得焊接工藝條件變得比較嚴苛，對于工程應用造成諸多不方便。

為什么市場上有的焊接材料如DW-100這樣的藥芯焊絲對熱輸入不敏感？即使提高熱輸入（比同類焊絲高），焊縫中針狀鐵素體仍不減少，當然熔敷金屬韌性數值也不減。該類焊絲韌性對熱輸入的敏感性說到底仍然是由焊絲具有的品質特性所決定，也就是藥芯組成（含制造技術）決定的。藥芯成分中某些元素的細化作用比較強烈，能有效控制焊縫中針狀鐵素體含量不減。進一步探討，涉及焊接冶金學問題。配方及生產工藝的先進性，不僅帶來焊接操作參數寬松化，而且焊接熱輸入的大小變化不再是制約熔敷金屬韌性的羈絆。

2 大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的影響因素

2.1 硼的影響

為了研究硼對低合金高強鋼大熱輸入焊縫韌性的影響，文獻[4]采用氣電立焊焊接方法對ABS EH36船板進行對接立焊，焊接材料為含Ti、B的直徑1.6 mm配套用藥芯焊絲。在w（Ti）含量約0.03％藥芯焊絲中添加不同質量分數的B元素，進行對比試驗。采用配有自動向上行走小車的PANA-K600Ⅱ型焊機，在焊接電流330～350 A、電壓34～36 V、焊接速度約7.8 cm/min、焊接熱輸入約85 kJ/cm、保護氣為100％CO2、水循環冷卻條件下進行焊接，截取試樣開展各項試驗。

焊縫中B元素含量與焊縫組織中針狀鐵素體含量關系曲線如圖2所示，變化趨勢為一拋物線形。隨著焊縫中B含量增加，晶界處的先共析鐵素體大幅度減少，針狀鐵素體增多，組織趨于細化；當焊縫中B含量為0.005 2％時，焊縫中先共析鐵素體基本消失，針狀鐵素體含量達最高，約為85％；當焊縫中B含量進一步增至0.008 8％時，針狀鐵素體含量減小。可以看出，B對焊縫中先共析鐵素體具有明顯的抑制作用，焊縫中適量的B元素含量能有效提高針狀鐵素體含量。

焊縫中B元素含量與焊縫中M-A組元總量和尺寸關系曲線如圖3所示，曲線呈波浪上坡形。隨焊縫中B含量增加，焊縫中M-A組元總量和尺寸

升高。這是因為隨著B含量增加，B元素偏析于奧氏體境界上，有效降低了界面能，抑制了先共析鐵素體的產生；另一方面，B元素在夾雜物/基體界面上偏析，影響了針狀鐵素體的形成（B元素在夾雜物/基體界面上偏析既有利針狀鐵素體的形核，促進針狀鐵素體形成；但隨B元素含量進一步提高，B原子使珠光體轉變被抑制，促進M-A組元生成，從而使針狀鐵素體含量下降）。

圖2 B含量對焊縫中針狀鐵素體含量的影響

圖3 B含量對焊縫中M-A組元總量和尺寸的影響

焊縫中B元素含量與焊縫韌性關系曲線如圖4所示，呈拋物線型變化。隨焊縫中B元素含量增大，焊縫低溫韌性先升后降，存在一個韌性最大值。當B含量達到0.005 2％時，最高沖擊吸收能量分別為142 J（-20℃）和120 J（-40℃）。過量的B含量使得焊縫韌性陡降。

圖4 B含量對焊縫低溫沖擊吸收功的影響

2.2 鈦的影響

在研究Ti對低合金高強鋼大熱輸入焊縫夾雜物的影響時[5]，采用ABS EH36船板氣電立焊（800 mm× 200 mm×20 mm對接試板、熱輸入85 kJ/cm）工藝方法，對不同Ti含量的焊縫夾雜物進行對比分析。焊縫中Ti含量從0％增加到0.028％～0.038％范圍內時，焊縫中夾雜物數量密度增加明顯，尺寸小于2 μm的夾雜物含量提高至85％以上，促進了針狀鐵素體的形成；當Ti含量過量時，焊縫中尺寸小于2 μm的夾雜物含量急劇下降，促進了貝氏體轉變。

2.3 鈰的影響

為了研究稀土Ce在大熱輸入焊縫金屬中的作用[6]，采用雙絲埋弧自動焊焊接方法對ABS EH36船板進行對接接頭水平位焊接，焊接材料為自制的、分別加入1％、3％、5％CeO2，直徑4 mm配套用藥芯焊絲，焊劑為SJ101。采用MZ-1500型焊機、焊接電流550 A、電壓32 V、焊接速度約17 m/h、雙絲焊接，焊接熱輸入為74.5 kJ/cm，焊后在距離試件表面2 mm的焊縫部位截取試樣開展各項試驗。

Ce對大熱輸入焊縫組織和韌性的影響如表1所示。由表1可知，隨焊縫中Ce元素的添加，焊縫金屬中直徑小于2 μm的夾雜物比例提到90％以上，有效細化了焊縫中的非金屬夾雜物，對誘導針狀鐵素體形核有利。尤其Ce元素含量0.032％時，焊縫中小于2 μm的夾雜物比例達95％以上，對針狀鐵素體形核貢獻更大。

表1 Ce對大熱輸入焊縫組織和韌性的影響

從焊縫顯微組織變化看，隨焊縫中Ce元素的

添加，先共析鐵素體PF明顯減少，細小針狀鐵素體明顯增多。當Ce元素含量0.032％時，焊縫中針狀鐵素體AF比例已經高達85％以上。這表明在大熱輸入焊縫中加稀土Ce不僅細化了夾雜物，更抑制了先共析鐵素體PF和粒狀貝氏體BG的形成，促進了針狀鐵素體AF形成。在低于或高于最佳Ce元素含量0.032％時，均有5％以上直徑大于2.0 μm的非金屬夾雜物，降低了直徑小于1.0 μm的夾雜物含量，減少了針狀鐵素體形核質點數量。

從焊縫韌性（-40℃沖擊吸收能量）變化看，未加Ce的焊縫均在24 J以下，不能滿足使用要求。加入Ce的焊縫，韌性大幅提升，Ce含量0.032％的焊縫大于82 J。這是Ce元素促進針狀鐵素體AF含量增加，顯著細化焊縫金屬晶粒的結果。針狀鐵素體AF大幅度提升焊縫金屬低溫韌性的原因是：針狀鐵素體AF在原奧氏體晶內放射性成長的性質，造成針狀鐵素體AF大角度晶界，且晶內有高密度位錯，致使微裂紋跨越需要消耗更高的能量。

2.4 氮的影響

現以E501T-1型藥芯焊絲為例，通過試板試驗分析焊縫中N含量對熔敷金屬低溫韌性的影響[7]。表2是用不同企業生產的兩種CO2保護氣體（氣體純度不同）、同一種藥芯焊絲焊接試樣的試驗結果。含N量為0.011％的1號試樣的沖擊吸收功僅有34 J，而含N量為0.004 7％的2號試樣的沖擊吸收功卻高達165 J。后者是前者的4倍還多。

表2 焊縫中N含量對焊縫力學性能的影響

圖5 N含量對金紅石型藥芯焊絲焊縫金屬韌性的影響

文獻[7]試驗結果與文獻[8]（見圖5）一致，焊縫金屬中w（N）≤0.005％時，熔敷金屬低溫韌性較高。分析認為，焊接過程中通過保護氣進入熔池較多的氮，由于冷卻速度很快，一部分氮以過飽和形態存在于固溶體中，另一部分氮以針狀氮化物（Fe4N）形式析出，分布于晶界或晶內，并隨著時間的延長，析出的氮化物（Fe4N）量增加，致使焊縫金屬的強度、硬度升高，而塑性和韌性特別是低溫韌性急劇下降。

2.5 氧的影響

焊縫含氧量對焊縫韌性的影響如表3所示[3，9]。試驗用鋼為抗拉強度520 MPa、厚度60 mm的低強鋼，采用直徑1.2 mm實心焊絲，匹配兩種焊劑。焊接參數：電流380 A、電壓53 V、焊接速度0.20～0.24 mm/s、熱輸入850～1 000 kJ/cm、焊絲擺動寬度28 mm。

表3 含氧量對焊縫韌性的影響

可以看出，對于500 MPa級的大熱輸入電渣焊工藝而言，焊縫中氧含量以控制在0.025％左右為宜（而不是太小），此時可以得到均勻細小的彌散氧化物作為形核核心，生成針狀鐵素體組織（見圖6），獲得良好的韌性。如果焊縫中氧的含量過低（如0.0136％）則焊縫韌性明顯下降，故而應采用低堿度的焊劑。這是一個含氧量對焊縫韌性相左影響的典型案例。

2.5 氫的影響

焊縫中的H可能引起氫脆和氫致裂紋。表4是H含量對熔敷金屬韌性影響的一例[10]。試驗是在250 mm×100 mm×24 mm、921A鋼板（10CiN3MoV）V型對接坡口焊縫進行的。所用焊條是921A鋼配套用WE960基礎上加入稀土硅鐵后自制焊條。稀土硅鐵的加入量分別為0、0.5％、1％、2％、3％。焊接參數為：電流170 A、電壓25 V、熱輸入16 kJ/cm。5種試樣分別在0℃、-20℃、-40℃、-70℃、-100℃進行標準規定的V型缺口試件沖擊試驗。采用斜Y型坡口試件進行裂紋試驗。用氣相色譜法對試樣進行擴散氫測試，并對試樣進行金相顯微觀察。

可以看出，稀土加入量5％試樣的擴散氫含量最

低（3.91 ml/100 g），焊縫沖擊韌性最好（-20℃/94 J），焊縫組織為大量針狀鐵素體AF加粒狀貝氏體BG。這可能主要彰顯了稀土元素的有利作用，其中亦顯示了低氫對韌性的貢獻。從焊縫的抗裂性結果看，隨著焊縫中擴散氫提高（從5.97 ml/100 g升至6.86 ml/ 100 g和7.75 ml/100 g），試件斷面裂紋率也增高（從0增至13.3％和100％）。說明在一定應力狀態下氫對裂紋誘導作用十分明顯。盡管在大熱輸入條件下，焊縫冷卻速度較慢，t100增大了，但仍不可忽視H對焊縫韌性的不利影響。

圖6 不同含氧量條件下的焊縫組織

表4 H含量對熔敷金屬韌性的影響

3 大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性控制方法

大熱輸入熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的控制比較復雜，可以參照圖7所列思路開展工作。

（1）正確選用焊接材料添加物。圖6所示的多種添加物中，采用較多的是Ti-B聯合加入方式，此法可以利用Ti保護B過渡，同時防止B形成氮化物（即所謂的加Ti固N作用）。但是焊縫中Ti、B元素必須嚴格控制在最佳范圍。稀土及其他添加物亦有成功案例[11-12]。

（2）這些添加物元素雖然各不相同，但在焊接冶金過程中應起到以下作用：①細化晶粒；②抑制先共析鐵素體FP或其他不利組織（如M-A組織）的形成；③促進針狀AF形成；④限制有害元素的作用。

（3）為了獲得添加物良好效果，加入量必須精準控制。有益元素的加入具有最佳加入量或范圍，過量或不足都會影響性能。有害元素的范圍絕不可超越。表5是幾種大熱輸入焊接方法所用焊接材料中添加物加入量實例。可以看出，每種添加物及加入量都是經過嚴格工藝試驗而確定的。

（4）上述原理是比較理想的，實際操作中會遇

到不少技術環節或關鍵。當解決諸如組織均勻性、沖擊數據分散性等困難問題后，若能獲得穩定的焊縫中85％以上的針狀鐵素體AF組織，控制大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬低溫韌性的終極目標可望達到。

圖7 熔敷金屬韌性控制原理

表5 焊接材料中添加物加入量實例

4 結論

（1）常規熱輸入與焊接材料熔敷金屬間的關系取決于焊縫中針狀鐵素體AF含量，AF含量高韌性好，否則韌性差。

（2）焊縫中一定量的Ti、B、Ce、N、O、H等元素在焊接過程中有細化晶粒、抑制PF、促進AF、限制有害因素等冶金作用，是獲得大熱輸入條件下滿意熔敷金屬低溫韌性的重要影響因素。

（3）從選擇添加元素、探討韌化機理、試驗確定焊縫中元素精準含量等方面入手的控制熔敷金屬韌性原理，在克服一系列技術難關后，其終極目標是使焊縫金屬獲得85％以上AF組織。

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Change and control of deposited metal toughness of welding consumables under the high heat input conditions

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The relationships between welding heat input and deposited metal toughness were analyzed，and the influence factors and control methods of deposited metal toughness under high heat input condition were discussed.The investigation shows that the relationships between the conventional heat input and deposited metal toughness for welding consumables depend on the acicular ferrite content in weld，when the acicular ferrite content is high the toughness is good，otherwise the toughness is poor.The metallurgical effects of a certain amount of Ti，B，Ce，N，O，H and other elements in the weld metal in welding process are an important influence factor to obtain satisfactory low temperature toughness of deposited metal under high heat input condition.The ultimate goal of controlling deposited metal toughness from the choice of adding elements，discuss the toughening mechanism，test to determine the elements accurate content and other aspects is to obtain more than 85％AF microstructure of the weld metal.

deposited metal toughness；welding consumables；high heat input；control

TG421

A

1001-2303（2016）10-0034-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.07

獻

孫咸.大熱輸入條件下焊接材料熔敷金屬韌性的變化及其控制[J].電焊機，2016，46（10）：34-39.

2016-03-03；

2016-05-18

孫咸（1941—），教授，長期從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作，對焊接材料軟件開發具有豐富經驗。獲國家科技進步二等獎1項（2000年），省（部）級科技進步一等獎2項，二等獎3項，發表學術論文140多篇；1992年獲國務院頒發的政府特殊津貼。