焊接工藝對HS13/5L焊絲熔敷金屬伸長率影響研究

王國佛，賈玉力，劉厚濤，張勝鵬，金喜慶，王慧源

哈爾濱威爾焊接有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

HS13/5L屬于馬氏體不銹鋼焊絲，具有很好的抗疲勞裂紋和抗汽蝕磨損性能，用于0Cr13Ni5Mo同類馬氏體不銹鋼，以及相近的410、410S和405母材的焊接。尤其適合于水輪機轉輪馬氏體不銹鋼的同材質焊接及補焊，也適合于同類泵體、閥門的補焊，已大量成熟應用于三峽等水電機組。焊縫塑韌性差、伸長率不穩定是HS13/5L焊絲熔敷金屬力學性能在檢驗和使用中存在的問題，也是造成產品焊后開裂的主要原因[1-3]。

HS13/5L通過優化合金成分設計和冶煉工藝，提高了熔敷金屬塑韌性，尤其是伸長率已達到10%以上。但是在試驗過程中發現有部分爐號焊絲出現熔敷金屬伸長率偏低，拉伸試樣發生脆斷的問題。針對此問題通過對比試驗不同爐號性能、不同熔敷金屬金相組織和斷口形貌等研究了影響焊縫伸長率的因素。

2 試驗材料及方法

試驗焊絲為哈爾濱威爾焊接有限責任公司生產的牌號為HS13/5L實芯焊絲，焊絲爐號分別為ET5662和WB6028，規格均為φ1.2mm，用推薦的Ar+5%CO2保護氣體及焊接參數焊制熔敷金屬試件，焊接參數見表1，對應熔敷金屬化學成分見表2。利用光學金相顯微鏡、掃描電鏡等分析方法，對熔敷金屬的組織、拉伸斷口形貌等進行了對比研究，探索影響熔敷金屬伸長率的因素。

表1 焊接參數

表2 試驗焊絲熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

3 試驗結果及分析

（1）熔敷金屬力學性能 兩種焊絲熔敷金屬力學性能見表3，WB6028爐號伸長率偏低，發生無縮頸脆斷。兩種材料冶煉及制備工藝無區別，熔敷金屬成分也無明顯波動。

（2）掃描斷口分析 利用掃描電鏡觀察了2個爐號熔敷金屬拉伸試樣斷口，其結果如圖1～圖4所示。其中ET5662爐號熔敷金屬拉伸斷口形貌均為均勻小的韌窩。WB6028爐號熔敷金屬拉伸斷口在不同區域表現出不同的斷口形貌，起裂區斷口表現出明顯的韌性斷裂，韌窩尺寸不均勻；擴展區形貌如圖3所示，斷裂方式由韌性斷裂向準解理斷裂過渡。瞬斷區斷口形貌為明顯的脆性斷裂（見圖4），斷口呈冰糖狀形貌，且在其斷口可以清晰地看到沿柱狀晶斷裂的平滑大平面。

表3 試驗焊絲熔敷金屬室溫力學性能

圖1 ET5662 拉伸斷口形貌（1000×）

圖2 WB6028拉伸斷口起裂區形貌（1000×）

圖3 WB6028 拉伸斷口擴展區形貌（1000×）

圖4 WB6028 拉伸斷口瞬斷區形貌（300×）

圖5 ET5662焊縫組織

圖6 WB6028焊縫組織

（3）金相組織分析 分別在拉伸試樣上截取金相試樣，使用金相顯微鏡在500倍的條件下對其金相組織進行觀察，結果如圖5和圖6所示。通過觀察發現2個試樣的組織類型相同，均為板條馬氏體，馬氏體的尺寸相差不大，通過對2個試樣比較發現，ET5662的焊道比較窄，重熱區多，等軸晶多，柱狀晶少，柱狀晶區域大約占整個試樣的60%；WB6028的焊道比較寬，重熱區少，等軸晶少，柱狀晶多，柱狀晶區域占整個試樣的70%以上。

在50倍金相試樣上觀察發現，2個試樣整個試樣截面上在焊道層間部位交界處有部分是等軸晶，其他部位均為柱狀晶。由2個試樣的粗晶照片可以明顯地看出焊接過程中焊道分布，其中WB6028試樣蓋面焊道較厚，即熔深較大。

由金相分析結果可知，焊縫伸長率高時熔敷金屬柱狀晶比例略高；由掃描斷口分析結果可知，焊縫伸長率低，熔敷金屬斷口形貌為明顯的脆性斷裂斷口，有沿柱狀晶方向開裂的大平面。由宏觀金相可知，塑性好的拉伸試樣取樣涉及4層熔敷金屬，塑性差的拉伸試樣取樣涉及3層熔敷金屬。塑性差的拉伸試樣表層焊道所占面積較大，接近一半。表層焊道熔敷金屬晶粒粗大，同時改變柱狀晶和等軸晶的比例，柱狀晶比例增多。由此分析，塑性下降的主要原因是拉伸試樣熔敷金屬中表層焊道所占比例較大，柱狀晶比例大。

4 驗證試驗及結果

為了驗證上述試驗結論，選擇伸長率低的WB6028焊絲減小擺動幅度進行焊接，測試其焊縫性能，并與上述正常焊接參數熔敷金屬性能對比。熔敷金屬焊接參數見表4，拉伸試樣出現縮頸。此結果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長率低的主要原因的結論正確。

在多層多道焊接過程中，后續焊道對前道次焊道有回火作用。對于此HS13/5L材料回火會促使部分馬氏體分解轉變為逆變奧氏體，從而增加熔敷金屬的塑韌性。蓋面時焊道擺寬大，熔深大，減少熔敷金屬拉伸試樣焊接道次會導致熔敷金屬拉伸試樣中經過回火處理的焊道比例降低，因此會出現塑性偏低現象[4-6]。

表4 小擺動焊接參數

表5 小擺動焊接參數熔敷金屬力學性能

焊接電流和電壓與之前試驗相當；試驗結果見表5。WB6028焊絲采用小擺動焊接后熔敷金屬伸長率達到了10%以上，有明顯提高，強度等性能無明顯變化，拉伸試樣出現縮頸。此結果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長率低的主要原因的結論正確。

5 結束語

1）HS13/5L焊絲熔敷金屬焊縫伸長率偏低，拉伸發生脆斷是由于焊道擺動寬度大、熔敷金屬柱狀晶比例大、自回火組織比例少。

2）驗證試驗結果表明：減小擺動幅度后，焊縫熔敷金屬伸長率提高10%以上，分析原因正確，采用措施有效。

3）為避免焊縫熔敷金屬塑性性能不穩定，在焊接過程中，應控制每道的擺動寬度和熱輸入，必要時蓋面多焊1層作為工藝焊道，保證焊縫熔敷金屬塑性性能優異。