多絲復合埋弧焊接頭沖擊性能分析*

付 俊

上海振華重工(集團)股份有限公司長興分公司

1 引言

隨著大型裝備制造業對生產工藝的品質與效率要求不斷提高，多絲復合埋弧焊已逐漸進入大型自動化生產線的實際應用階段[1]。相對傳統單絲、單熱源埋弧焊焊接接頭，若以多熱源實現高效焊接，所形成的接頭將獲得更加復雜的溫度場分布[2-3]。

多絲復合埋弧焊中有多根熱絲與冷絲相互配合，多個熱源以較大的熱輸入共同作用于熔池，又以大尺寸熔池中液態金屬的熱量熔化冷絲。這一工藝特征，使其接頭熱影響區具有更大的尺寸與更長的高溫持續時間，影響其微觀組織與低溫沖擊性能。

由于多絲埋弧焊的多絲多熱源配合參數較多，容易引起焊接電弧熱和熔池形態的改變，從而影響焊接過程的穩定性。同時多絲埋弧焊焊接線能量大，可能造成粗晶區晶粒粗化、低溫沖擊韌性降低，導致熱影響區的金相組織異常和力學性能惡化。

通過多絲復合埋弧焊不同熱輸入的焊接實驗，對熱影響區不同區域的微觀組織與低溫沖擊性能進行研究，尋找復雜熱源條件下的熱影響區變化規律，為進一步改善接頭性能提供理論依據。

2 實驗材料與方法

2.1 材料尺寸及接頭形式

采用冷熱多絲復合埋弧焊工藝(熱+冷絲、熱+冷+熱絲)分別進行8 mm拼板對接焊接。鋼板、焊絲和焊劑的牌號及化學成分見表1。焊接接頭形式見圖1，板厚T=8 mm，V型坡口角度α=70°，鈍邊f=3 mm，裝配間隙R=0 mm。襯墊材料選取銅襯墊+成型焊劑(正/反面焊劑)。冷熱多絲復合埋弧焊槍組合形式見圖2，沿焊接方向前后焊炬間距50 mm，前槍采取4.8 mm單粗絲，后槍采用?2.5 mm多細絲(中間1根為冷絲)。在焊接前，鋼板通過磁力進行裝卡，使鋼板夾緊在臺面上同時達到控制焊接變形的目的。板材通過滾輪移動，焊接工位不變，達到單面焊雙面成形的目的。

圖1 焊接接頭形式

表1 鋼板-焊絲-焊劑化學成分/(wt.%)

1.焊劑輸送 2.前搶 3.前絲 4.后絲 5.中絲 6.后槍圖2 多絲復合埋弧焊槍排列組合形式

2.2 焊接性能檢測

根據GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》標準，沿垂直于焊接方向制備沖擊試樣，沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm，缺口高度為2 mm(見圖3)。在低溫金屬擺錘沖擊試驗機上測定焊接接頭焊縫中心(WM)、熔合線+1 mm(FL+1)、熔合線+5 mm(FL+5)、母材(BM)等區域夏比V型沖擊試樣-11℃、-20℃和-31℃低溫沖擊吸收功。每個區域各取3個沖擊試樣進行測試，并統計其平均值進行比較分析。根據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》標準選取沖擊試樣中接近沖擊吸收功平均值對應試樣的另一塊，沿垂直于焊接方向制備金相試樣，經水磨砂紙粗磨、細磨、拋光后，用5%硝酸酒精溶液腐蝕，采用VHX-600K超景深三維數碼顯微鏡觀察分析微觀組織。

圖3 沖擊試樣尺寸要求

2.3 實驗結果與分析

分別采用不同焊劑，進行了多種熱+冷絲、熱+冷+熱絲焊接實驗，焊接工藝與參數見表2。

表2 8 mm厚鋼板多絲復合埋弧焊工藝參數

(續表2)

圖4 8mm厚鋼板雙絲復合埋弧焊接頭-31℃沖擊功

由圖4還可以看出，T8-2和T8-3試樣(3.01 kJ/mm)、T8-4和T8-5試樣(2.63 kJ/mm)在相同熱輸入條件下，采用F1+F3焊劑組合的焊接接頭-31℃平均沖擊功優于F1+F2焊劑組合(差值最大為13 J)。綜合考慮成本優勢和國產化趨勢，可考慮采用國產F3焊劑替代進口F2焊劑。

圖5和圖6可以看出，當T8-6、T8-7、T8-8試樣總熱輸入分別為2.94 kJ/mm、2.89 kJ/mm、2.71 kJ/mm，隨著焊接熱輸入由2.94 kJ/mm降到2.89 kJ/mm，采用E1+E2+E2三絲復合焊絲的焊接接頭-31℃平均沖擊功增大，其中WM區由42 J升高到47 J，FL+1區由44 J升高到85 J，FL+5區97 J升高到102 J，各區域沖擊功均滿足規范標準(27 J)要求，且FL+1區沖擊功提高最顯著(41 J)。對應的-11℃平均沖擊功也具有相同變化規律。由T8-7和T8-8試樣相比，隨著焊接總熱輸入由2.89 kJ/mm降低至2.71 kJ/mm，采用E1+E2+E2三絲復合焊絲的-31℃和-11℃平均沖擊功均高于E3+E2+E2三絲復合焊絲，前熱絲E1性能指標優于E3。

圖5 8 mm厚鋼板三絲復合埋弧焊接頭-31℃沖擊功

圖6 8 mm厚鋼板三絲復合埋弧焊接頭-11℃沖擊功

綜上分析可知，8 mm厚鋼板三絲復合埋弧焊中T8-7試樣的沖擊功最優(-31℃平均沖擊功：WM區47J，FL+1區85J，FL+5區102J；-11℃平均沖擊功：WM區54J，FL+1區92J，FL+5區115J)。

當選取T8-4試樣(E1+E2雙絲、F1+F2焊劑，2.63 kJ/mm)和T8-7試樣(E1+E2+E2三絲、F1+F2焊劑，2.89 kJ/mm)進行雙絲和三絲復合埋弧焊進行綜合對比，T8-4、T8-7試樣的焊接接頭-31℃平均沖擊功分別為WM區(48 J、47 J)，FL+1區(53 J、85 J)，FL+5區(67 J、102 J)。WM區沖擊功相近，FL+1區提高32 J，FL+5區相差35 J。因此，采用三絲復合埋弧沖擊性能優于雙絲復合焊，特別是FL+1區、FL+5區提高更顯著。

通常針對低合金高強鋼焊縫組織會出現3種組織：先共析鐵素體、側板條鐵素體和針狀鐵素體。其中先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，呈長條狀擴展，部分以多邊形狀互相連接沿晶界分布，其位錯密度偏低，沖擊性能偏低；側板條鐵素體沿晶界向晶內擴展呈板條狀或鋸齒狀，其位錯密度也偏低；針狀鐵素體是沿晶內分布的細小鐵素體，大多以合適尺寸的夾雜物為形核質點，呈放射狀生長，相鄰針狀鐵素體之間呈大角度晶界，位錯密度較高，沖擊性能最好，是焊縫金屬組織中最希望獲得的組織。選取8 mm厚鋼板三絲復合埋弧焊接頭沖擊功最優的T8-7試樣進行微觀組織分析。

圖7為T8-7試樣焊接接頭橫截面宏觀形貌，圖8為對應的-31℃沖擊溫度下各區域微觀組織形貌。可以看出，焊接接頭單面焊雙面成形貌，正面熔寬為13.40 mm，反面熔寬為11.64 mm，余高為2 mm；焊縫中心熔寬為8.54 mm。WM、FL+1、FL+5、BM等區域的微觀組織差別明顯，先共析鐵素體、側板條鐵素體、針狀鐵素體和細晶鐵素體等組織所占比例不同，從而所體現出沖擊功的不同。WM區的微觀組織由先共析鐵素體、側板條鐵素體和針狀鐵素體組成，其中針狀鐵素體含量最多，還有部分先共析鐵素體和側板條鐵素體，因此沖擊吸收功相對較好(47 J)；FL+1區針狀鐵素體含量增多，先共析鐵素體和側板條鐵素體明顯減少，沖擊功相對WM區升高(85 J)；FL+5區和BM區組織相近，呈層帶狀軋制組織，晶粒細化均勻，沖擊功最高(102 J，96 J)。

圖7 T8-5試樣焊接接頭橫截面宏觀形貌

圖8 T8-5試樣焊接接頭-31℃沖擊溫度下微觀組織形貌

3 結語

(1)8 mm厚鋼板多絲復合埋弧焊接頭沖擊功均滿足規范標準(27 J)要求，且從WM區、FL+1區到FL+5區沖擊功逐漸增大。

(2)采用E1+E2雙絲復合埋弧焊，隨著焊接熱輸入由3.03 kJ/mm到2.63 kJ/mm降低，采用F1+F3焊劑組合的焊接接頭平均沖擊功逐漸增大，T8-5試樣的沖擊功最優(-31℃平均沖擊功：WM區51 J，FL+1區66 J，FL+5區74 J)。相同熱輸入條件下，采用F1+F3焊劑組合的焊接接頭平均沖擊功優于F1+F2焊劑組合。綜合考慮成本優勢和國產化趨勢，可考慮采用國產F3焊劑替代進口F2焊劑。

(3)采用E1+E2+E2三絲復合埋弧焊，隨著焊接熱輸入由2.94 kJ/mm到2.89 kJ/mm降低，焊接接頭平均沖擊功增大，且FL+1區沖擊功提高最顯著，T8-7試樣的沖擊功最優(-31℃平均沖擊功：WM區47 J，FL+1區85 J，FL+5區102 J；-11℃平均沖擊功：WM區54 J，FL+1區92 J，FL+5區115 J)；采用E1+E2+E2三絲復合焊絲的平均沖擊功均高于E3+E2+E2三絲復合焊絲，前熱絲E1性能指標優于E3。

(4)采用三絲復合埋弧沖擊性能優于雙絲復合焊，特別是FL+1區、FL+5區提高更顯著，T8-7試樣的沖擊功最優。