環境壓力對焊縫組織和性能的影響

張永明，黃松濤，周燦豐，馮艷鵬，石庭深

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

環境壓力對焊縫組織和性能的影響

張永明，黃松濤，周燦豐，馮艷鵬，石庭深

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

為了研究不同環境壓力（與水深相當）對Q345鋼焊接接頭組織和性能的影響規律，采用GMAW焊接方法對Q345鋼進行坡口堆焊試驗，并對所得焊縫進行組織分析和力學性能檢驗。試驗表明，不同壓力環境下，焊縫的宏觀形貌變化明顯，參數不變的情況下0.4 MPa和0.5 MPa下所得焊縫出現氣孔和未熔合現象；隨著環境壓力增加，焊縫熔池中金屬的冷卻速度變快，焊縫組織中上貝氏體含量增加，先先共析鐵素體的形態由塊狀轉變為針狀鐵素體；環境壓力越高，焊縫過熱去冷卻速度變快，在過冷奧氏體晶界上鐵素體魏氏組織含量逐漸增加。隨著環境壓力變大，焊縫的維氏硬度略有提高；不同環境壓力中，采用相同工藝參數所得的焊接接頭，其抗拉強度大于母材抗拉強度，拉伸試件均斷于母材。

環境壓力；熔化極惰性氣體保護焊；焊縫組織；力學性能

0 前言

隨著海洋油氣資源的大力開發，海底管道和海洋結構物的數量逐漸增多，水下干式高氣壓焊接方法已廣泛應用在海洋工程設備的安裝和維護之中[1]。海洋油氣資源的開發具有高風險和高技術的特點，如何保證水下機械設備的維修和維護是挺近海洋的主要絆腳石[2]。目前世界各國研究和應用的焊接技術很多，其中最為成熟的是電弧焊技術[3]。由于國內的焊接技術起步較晚，海洋結構物的修復以國外公司的技術服務為主，每次的維修成本高達上千萬元，不僅維修成本昂貴，而且容易造成技術壟斷，嚴重阻礙了我國海洋油氣資源的開發[4]。因此，必須加快水下焊接方法的研究，這對提高我國海洋油氣資源的開發具有重要的戰略意義。

高氣壓環境下，由于電弧受到環境壓力的壓縮作用，焊接電弧特性會發生改變。采用相同的焊接工藝參數，高氣壓環境下的焊接電弧形態、焊縫組織和性能與常壓環境下的不同。隨著環境壓力的增

加，周圍的氣體密度變大，導熱性增強，使電弧燃燒過程中散熱加劇[5]。焊接電弧能量損失增加，同時焊縫熔池冷卻速度變快，焊縫金相組織和性能出現一定的變化。本研究通過試驗對Q345鋼坡口堆焊的焊縫綜合性能進行檢測，研究環境壓力對焊縫金相組織和力學性能的影響規律，為高氣壓環境下取得高質量的焊縫提供理論支持。

1 實驗設備和方法

實驗設備采用北京石油化工學院的干式高氣壓環境焊接實驗系統，如圖1所示，該實驗系統包括空氣壓縮機、高壓儲氣艙、高氣壓焊接實驗艙、混合氣體配比器、流量計、松下YD-400GE數字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源以及三軸運動控制平臺。

圖1 高壓焊接試驗系統Fig.1Hyperbaric welding test system

試驗條件為：焊接母材為Q345鋼，試件厚度10 mm。焊絲牌號為ER50-6，直徑1.2 mm；焊絲干伸長20 mm；焊接速度40 cm/min；焊接電壓28.8 V，平均焊接電流200 A；氬氣氣體流量20 L/min。

在不同環境壓力下分別進行坡口堆焊，坡口截面尺寸如圖2所示。

圖2 坡口形狀及尺寸Fig.2Groove shape and size

在不同壓力環境下所得的焊縫中部位置截取金相試樣和拉伸試樣。采用Nikon SMZ 745T型號宏觀金相顯微鏡觀察試樣宏觀金相；采用Nikon ECLIPSE MA200金相顯微鏡拍攝試樣微觀組織；采用HVS-1000Z自動轉臺顯微硬度計測試焊縫橫截面維氏硬度；采用電子萬能材料試驗機測試試樣抗拉強度，并觀察斷裂位置。

2 實驗結果和分析

2.1 不同環境壓力下的焊縫宏觀金相

不同環境壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5 MPa）下采用相同工藝參數，純Ar保護進行焊接。焊接接頭的宏觀金相圖片如圖3所示。

圖3 不同壓力環境下焊縫宏觀金相Fig.3Macro weld microstructure under different environmental pressures

由圖3可知，不同環境壓力下采取相同工藝參數進行焊接時，環境壓力對焊縫宏觀形貌有很大影響，0.3 MPa焊縫畫圈處出現未熔合現象，0.5 MPa焊縫左側出現氣孔。這是由于高氣壓環境下，脈沖GMAW焊接電弧受到一定程度的壓縮，電弧紊亂加劇，同時高壓環境下氣體導熱率的提高導致電弧能量損失增加，因而造成熔滴過渡不穩定，進而影響焊縫的質量，產生氣孔和未熔合現象。

2.2 環境壓力對焊縫微觀組織的影響

2.2.1 不同環境壓力下的焊縫區微觀組織

金屬材料表現出來的力學性能，實際上是由金屬的微觀組織決定。0.1 MPa、0.3 MPa和0.5 MPa焊縫區顯微組織如圖4所示。圖4a、圖4b分別為0.1MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片。焊縫區組織為先共析鐵素體，先共析鐵素體隨著柱狀晶體的增多而不斷在晶界聚集，還有少量珠光體和粒狀貝氏體。

圖4c、圖4d分別為0.3 MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片，焊縫中上貝氏體含量增加，出現了魏氏組織，鐵素體由塊狀轉為針狀。圖4e、圖4f分別為0.5 MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片。對比圖4c、圖4d的焊縫組織可以看出，0.5 MPa下焊縫區上貝氏體含量明顯增加，焊縫區組織呈柱狀晶分布，晶界處為為鐵素體和粒狀貝氏體，晶內為呈針狀鐵素體。

圖4 不同環境壓力下的焊縫微觀組織Fig.4Weld microstructure under different environmental pressures

2.2.2 不同環境壓力下的粗晶區顯微組織

不同環境壓力下的粗晶區顯微組織如圖5所示，放大倍數為500倍。由于受到不均勻的焊接熱循環作用，焊縫熱影響區（HAZ）組織分布不均勻，晶粒粗化，是焊接接頭的最薄弱部位。焊接接頭冷卻速度的快慢對熱影響區金相組織性能有很大影響。熱影響區組織性能還與焊接熱輸入、工件厚度和周圍散熱條件有關。不同環境壓力下，由于周圍氣體分子濃度不同，因而冷卻速度不同，得到的熱影響區組織也有差別。

不同環境壓力下，熱影響區組織轉變基本相同，奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻之后成粗大的鐵素體魏氏組織。但環境壓力越大，冷卻速度越快，在過冷奧氏體晶界上魏氏組織含量逐漸增加。魏氏體的存在會導致焊縫的塑形和沖擊韌性減小，影響焊接工件的綜合性能。

2.3 環境壓力對焊縫力學性能的影響

2.3.1 不同環境壓力下焊縫維氏硬度分布

針對不同環境壓力（0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa）下所得的焊接接頭，根據焊接接頭維氏硬度試驗方法，測定焊接接頭不同位置的維氏硬度，如圖6所示。

由圖6可知，不同環境壓力下得到的脈沖GMAW焊接接頭的硬度整體分布趨勢相同，從熔合區開始經熱影響區到母材，其硬度逐漸降低。環境壓力對焊接接頭硬度有一定的影響，隨著環境壓力的增加，焊縫區維氏硬度略有增加。高氣壓環境下熔合區硬度均大于常壓（0.1 MPa）下熔合區的硬度。高氣壓環境

下焊縫區硬度整體略低于熔合區硬度。焊接接頭硬度實質上是其微觀組織的宏觀表現，但由于焊接接頭的組織分布不均，且傳統的維氏硬度測量方法的硬度數值反映的不是某一個組織所反映的硬度，而有可能是具有某一組織的試樣的硬度，因而造成焊接接頭硬度數值變化較大。

圖5 不同環境壓力下焊縫粗晶區組織Fig.5Weld microstructure under different

圖6 不同環境壓力下焊接接頭硬度分布曲線Fig.6Welded joints hardness distribution curve under different environmental pressures

2.3.2 不同環境壓力下的焊縫抗拉強度

焊接接頭的拉伸試驗是指在承受軸向力作用下測定焊接工件的材料特性。焊接接頭常溫拉伸試驗的合格標準是焊接接頭的抗拉強度不低于焊接母材抗拉強度值的下限較低一側的母材規定值。拉伸試驗之后，觀察拉伸試件被拉斷之后是否斷裂在母材。如果拉伸試件斷裂于母材位置，并且拉伸試件的抗拉強度大于或等于母材的名義抗拉強度，則拉伸試樣性能符合要求。因此，對不同環境壓力下得到的焊接接頭進行拉伸試驗的結果如圖7所示。

由圖7可知，試樣均在母材處發生斷裂。拉伸試

驗在寬度方向上都產生塑性變形，母材收縮程度遠大于焊縫，說明焊縫抗拉強度大于母材，拉伸試樣合格。不同環境壓力下拉伸試樣拉伸強度如表1所示，表中數據均為多個試樣的平均值。

圖7 拉伸斷裂試樣Fig.7Tensile fracture specimens

表1 焊縫金屬橫向拉伸結果

3 結論

不同環境壓力下，焊縫的宏觀形貌變化比較明顯。在工藝參數不變的情況下，高氣壓環境下所得焊縫容易出現氣孔或未熔合現象。環境壓力越大，焊接過程中熔池冷卻速度越快，焊縫組織中上貝氏體含量增加，先先共析鐵素體的形態由塊狀轉為針狀鐵素體。焊縫區微觀組織呈柱狀晶分布，向焊縫中心生長，其晶界處為鐵素體和粒狀貝氏體組織，晶內為針狀鐵素體。隨著環境壓力的增大，冷卻速度變快，在過冷奧氏體晶界上鐵素體魏氏組織含量逐漸增加。隨著環境壓力增加焊縫的維氏硬度略有提高；從熔合區開始經熱影響區到母材區，其硬度逐漸降低。不同環境壓力下采用相同參數所得的焊縫，其拉伸強度均大于母材抗拉強度。

[1]王磊.高氣壓環境下脈沖MAG焊電弧及熔滴過渡行為特征研究[D].北京：北京化工大學，2014.

[2]谷孝滿，焦向東，黃松濤，等.高氣壓環境下脈沖MIG焊熔滴過渡不穩定現象分析[J].焊接技術，2015，44（3）：9-12.

[3]朱加雷，余建榮，焦向東，等．水下焊接技術研究和應用的進展[J]．焊接技術，2005，34（4）：6－8.

[4]谷孝滿.高氣壓環境下脈沖MIG焊脈沖波形對電弧的影響及其控制[D].北京：北京石油化工學院，2015.

[5]黃松濤，谷孝滿，焦向東，等.高氣壓環境下脈沖電流控制對熔滴過渡的影響[J].焊接學報，2015，36（7）：25－27.

Effects of environmental pressure on microstructure and properties of weld

ZHANG Yongming，HUANG Songtao，ZHOU Canfeng，FENG Yanpeng，SHI Tingshen
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

In order tounderstand Q345 steel weld quality influence under the different environment pressure（in depth），usingthe MIG welding groove welding of Q345 steel，and the microstructure analysis and mechanical properties of the weld inspection.Experiments showed that under different ambient pressure，the macro morphology weld changed obviously，while parameters unchanged under 0.4 MPa and 0.5 MPa，the resultant weld appeared blowholes and incomplete penetration phenomenon;with the increase ofthe ambient pressure，in the process ofwelding molten pool cooling speed became faster，the upper bainite in content was becoming more，proeutectoid ferrite prime body shape by massive iron ferrite variable for acicular ferrite；with the increase of environmental pressure，cooling speed faster.In the supercooled austenite grain boundary ferrite and widmanstatten content increased gradually.With the increasing environmental pressure Vivtorinox hardness of weld slightly increased；different ambient pressure，the tensile strength of weld process parameters of the same income was greater than the tensile strength ofbase metal.

environmental stress；melting polar inert gas protection welding；weld microstructure；mechanical properties

TG444+.74

A

1001－2303（2016）09－0054-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.13

2016-03-07；

2016-05-16

國家自然科學基金項目（51175046）

張永明（1989—），男，河南新鄉人，在讀碩士，主要從事水下焊接工藝方面的研究工作。