藥芯焊絲熔覆焊縫伸長率下降原因分析

吳敏敏，陸傳航，程晉宜，王林昌，王曼曼

1.海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

2.青島海西重機有限責任公司 山東青島 266520

1 序言

藥芯焊絲對于鋼種的焊接適應性強，可以提供所需要的焊縫化學成分。工藝性能較好，焊縫成形良好，施工效率高，目前在海洋工程行業內的應用較為廣泛。

在某外方項目的焊接工藝開發過程中，按照設計規格書要求需對熔覆的對接接頭進行全焊縫拉伸試驗。某常用藥芯焊絲在單面焊焊接試驗中連續出現了試樣伸長率不滿足設計要求的現象。

本文通過對拉伸試驗中失敗的斷裂試棒進行化學成分、硬度等測試，分析了導致伸長率失敗的原因，并提出了切實可行的改善措施。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗材料來自正常焊接試驗件，母材制造標準為B S E N 10225 S355G7+N，試塊尺寸為1000m m×600m m×40m m，強度符合標準設計要求。試件坡口為單邊45°，焊接材料選用等級為E7018-G進行打底焊，填充及蓋面焊材等級為E81T1-K2M的某氣體保護焊藥芯焊絲，保護氣為符合AWS A5.32 SG-AC-20的Ar與CO2混合氣。母材及焊材具體化學成分及力學性能見表1、表2。

焊接過程采取的預熱溫度為50℃，控制層間溫度為70～80℃，具體焊接參數見表3。

表1 母材及焊材化學成分（質量分數） （%）

表2 母材及焊材力學性能

表3 焊接參數

焊接完成后對焊接試件進行了外觀、內外壁的磁粉檢測以及RT檢測。

無損檢測并未在焊縫中發現超標缺陷，因此試件合格。同時，按照規格書要求，針對試件制作了宏觀檢測試樣（見圖1），宏觀檢測也未發現任何肉眼可見的缺陷。

圖1 宏觀檢測試樣

按照表1的參數焊接完成后，加工出符合ASTM A370標準的圓棒試樣（見圖2）。拉伸試件取自靠近上表面的區域，同時對焊縫中心加工夏比沖擊試樣，兩組試件中心位置基本一致，拉伸試驗結果見表4。

圖2 標準拉伸試樣

表4 拉伸試驗結果

從測試結果可以發現，焊縫強度及低溫沖擊吸收能量均滿足標準要求，但焊縫的伸長率較低，完全不滿足技術要求。以往拉伸測試失敗更多的表現為抗拉強度不符合要求，而出現強度符合要求但伸長率不符合技術要求的情況較為少見。

2.2 試驗方法

為分析伸長率不合格的原因，針對拉伸試樣開展了掃描電子顯微鏡觀察，同時對斷口區域進行了成分分析，判斷是否有成分偏析等原因。同時對斷口進行了維氏硬度檢測，對斷口取樣后進行微觀組織觀察，確認有無異常組織。

3 檢測結果

3.1 掃描電子顯微鏡觀察

通過掃查可以發現斷口區域出現兩處較為明顯的、發亮的瓷白色橢圓或近似圓形的凹坑，周圍呈灰暗色纖維狀，白色區域心部有個明顯的小黑點，此區域是典型的魚眼白點。

從魚眼白點的全貌可以看出，魚眼周圍區域呈現準解理段斷裂形貌。

圖3 掃描電子顯微鏡掃查結果

為分析魚眼內部白點核顆粒狀的組織成分是否為夾雜物，對圖中標記區域進行了EDX半定量分析，根據測試結果（見表5）可以推斷，夾雜物為粗大的非金屬Ti-Mn系氧化物。

根據以往研究，魚眼白點是在拉伸試樣頸縮至斷裂之間出現的，對于測試試樣的抗拉強度和屈服強度并沒有多大的影響，但降低了材料的伸長率。這可以解釋表4中出現的僅伸長率不合格而其他抗拉性能并未受到影響的現象。

表5 半定量分析結果（質量分數） （%）

魚眼白點并非是材料的固有缺陷[1]，而是拉伸試樣中局部的脆斷區域，通常認為白點是氫脆的表現形式之一。白點內存在的夾雜物對于氫的富集有顯著作用，因此解決白點的問題可以從降低氫的產生和聚集方面考慮改善措施。

3.2 微觀組織觀察

焊接過程形成的不平衡組織對于氫脆較為敏感，因此需對斷口區域采集試樣進行微觀組織觀察。圖4中微觀組織顯示，焊縫斷口組織無論是再熱區域的細晶或者粗晶區域均以針尖狀的鐵素體為主，并未出現魏氏體組織。

由于白點范圍極小，在貼近此區域進行金相磨面難度較高，因此圖4中區域僅反應的是焊縫內非白點區域的組織。而根據以往研究，貼近白點的區域極容易出現魏氏體組織[1]。

圖4 斷口微觀組織

3.3 維氏硬度分析

針對斷口取樣進行維氏硬度檢測，結果見表6。由表6可知，斷口的硬度分布較為均勻，并未出現任何硬度超標數值。

表6 硬度檢測結果 （HV10）

3.4 熔覆化學成分分析

化學成分的改變將影響接頭的各項性能，特別是當保護效果不良時，將造成有益元素的燒損，不利于保證接頭的力學性能。表7為對斷口取樣進行的化學成分分析結果，從中可以看出斷裂接頭并不存在異常，并且N含量極低，因此可以推斷焊接過程中藥芯焊絲的保護氣對于熔池的保護效果較好。

表7 斷口處化學成分（質量分數） （%）

3.5 小結

通過上述的所有測試可以推斷，拉伸試樣斷口存在魚眼白點現象，且熔敷金屬組織及化學成分未見異常。由此判斷，以粗大的非金屬夾雜物為中心，聚集了擴散氫，并且由此引發局部氫脆從而導致伸長率降低。

4 解決措施

焊縫熔敷金屬中的氫主要來源于焊接原材料中的水和其他含氫物質。原材料中的水在高溫以及電弧作用下很容易分解生成氫原子或氫離子等進入熔敷金屬。

同時，焊接施工過程中周圍環境的水分、油脂、油漆等含氫化合物、基體表面的銹層等構成焊縫中擴散氫的另一類來源。這部分物質生成的氫會被液相金屬表面吸附后溶入金屬，或經過熔渣層以擴散形式溶入液態金屬中[2]。

在施工中，可以通過以下措施減少氫的來源和脫氫：①在試件兩側25mm內進行打磨處理，吹掃飛濺。②提高預熱溫度至65℃以上，層間溫度維持在110～200℃，并持續進行監控。③焊絲開封后應在8h內使用完畢。④采取后熱消氫處理。

按照上述措施處理后，重新采用相同的焊接參數完成相應的焊評試件焊接，并再次進行拉伸試驗測試。測試結果顯示，圓棒試樣伸長率提升至標準規定的21%以上，未再出現任何低于標準的測試數據，改善效果顯著。

5 結束語

本文通過對拉伸試驗失敗試樣進行掃描電子顯微鏡掃查，對化學成分、微觀組織等進行觀察分析，得出了拉伸試驗伸長率大幅降低的原因。同時，針對產生原因，提出了改進措施，結論如下。

1）藥芯焊絲熔覆金屬拉伸試驗中出現的強度符合要求，但伸長率大幅下降的原因在于拉伸過程中出現的魚眼白點。

2）魚眼白點本質上是局部的氫脆，白點區域存在Ti-Mn系氧化物。

3）通過減少氫的來源和脫氫措施，可以有效避免此類問題的產生。