Q345R手工電弧焊及鎢極氬弧焊工藝的研究

本實驗采用手工電弧焊和鎢極氬弧焊分別對Q345R進行焊接，并比較兩種焊接方法對其組織和性能的影響，從而為制定其焊接工藝措施及生產實踐提供試驗依據。

一、實驗材料及方法

1.母材

本試驗選用的母材為Q345R壓力容器用鋼，規格為300×250×12mm3，其化學成分和機械性能分別見表1和表2。

表1Q345R鋼的化學成分(wt.%)

CMnSiSP

≤0.201.20～1.600.20～0.55≤0.025≤0.018

表2Q345R鋼的機械性能

交貨狀態鋼板厚度/mmσb/MPaσs/MPaδ5/%Akv/J沖擊韌性

熱軋12510～640≥345≥21≥31

2.焊接材料

試驗用焊條E5016和焊絲ER50-6的化學成分見表3和表4，熔敷金屬的力學性能見表1～表5和表1～表6。

表3焊條E5016的化學成分(ω%)

CMnSiSP其他

≤0.12≤1.60≤0.75≤0.0350.040—

表4焊絲ER50-6的化學成分(ω%)

CMnSiSP其他

0.06～0.151.40～1.850.80～1.15≤0.035≤0.025≤0.50

表5焊條E5016熔敷金屬的標準力學性能

σb /MPaσs/MPaδ5/%Akv/J擴散氫含量/(mL/100g)

≥490≥400≥22≥27≤8.0

表6焊絲ER50-6熔敷金屬的標準力學性能

σb /MPaσs/MPaδ5/%Akv/J

≥500≥420≥22≥27

3.實驗方法

(1)焊條電弧焊。焊接方法采用焊條電弧焊、對接接頭形式，雙面焊接，開雙面V形坡口，焊前不預熱，未進行焊后熱處理。在單面焊后，背面采用碳弧氣刨清根、打磨后再進行焊接。焊條電弧焊工藝參數見表7。

表7焊條電弧焊工藝參數

焊條直徑Φ/mm焊接極性焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min)

4.0 DCRP140～18023～2715～25

(2)鎢極氬弧焊。焊接方法采用鎢極氬弧焊、對接接頭形式，單面焊接，開V形坡口，保護氣體為氬氣，焊前不預熱，未進行焊后熱處理。鎢極尺寸為2.4mm，噴嘴直徑為9.5mm，氣體流量為5～10L/min。鎢極氬弧焊工藝參數見表8。

表8 鎢極氬弧焊工藝參數

焊絲直徑Φ/mm焊接極性焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min)

2.0DCRP80～18020～2210～15

4.接頭微觀組織觀察

分別對焊條電弧焊和鎢極氬弧焊試板取樣并制成金相樣品，以便對接頭的微觀組織進行觀察。具體方法為:沿垂直焊縫的方向，截取尺寸為20×20×12mm3的包含焊縫、熱影響區和母材三部分的試樣;將切好的試樣的待觀察表面在砂輪機上打磨平整，再用SiC砂紙對表面打磨直到1200號，并在拋光機上進行拋光，直至表面呈光滑無痕的鏡面;采用4%的硝酸酒精溶液對試件表面進行腐蝕，待光亮的表面失去光澤變成銀灰色后，立即用清水沖洗再用酒精漂洗，吹干。最后通過Neophot21金相顯微鏡對接頭微觀組織進行觀察。

5.接頭硬度試驗

由于微觀硬度的測量能夠反映焊接接頭微觀組織的細微變化，因此，采用國產HV-10A維氏顯微硬度儀，對制備好的Q345R鋼焊接試樣沿焊縫橫截面水平方向連續取點進行硬度測試。試驗所用載荷為10kg，加載時間為10～15s。

打點間距為1.5mm。在整個試驗期間，硬度計應避免受到沖擊和振動。任一壓痕中心中心距試樣邊緣距離，至少應為壓痕對角線長度的2.5倍;兩相鄰壓痕中心之間距離至少應為壓痕對角線長度的3倍。測量壓痕兩條對角線的長度，用其算術平均值按該標準的附錄查出維氏硬度值。在平面上壓痕兩條對角線長度之差應不超過對角線平均值的5%。

二、實驗結果及分析

1.焊縫成形特征及分析

焊條電弧焊采用雙面焊接成形的方法，焊縫外觀形狀平整，表面無裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫成形良好，焊件有輕微角變形。正面焊縫余高為2mm，背面焊縫余高為1.5mm。

鎢極氬弧焊采用單面焊接雙面成形的方法，并且為自動焊，大大減少了人為因素的影響，有利于焊縫成形。焊縫外觀形狀平整、光滑、美觀，表面無裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫成形很好，焊縫之間、焊縫與母材間呈圓滑過渡，焊縫表面波紋細密、規則，正面焊縫余高為1mm。同時，焊縫背面熔透和成形情況也很好。

2.焊接接頭金相組織

(1)母材金相組織。本試驗所制備的金屬顯微組織試樣尺寸為20×20×12mm3 ，包括焊縫區、熱影響區和部分母材金屬區。從顯微鏡可以明顯地觀察到母材的組織形態為帶狀分布的鐵素體和珠光體，正符合試驗所選取的是熱軋處理的Q345R鋼板的組織特點。

(2)熔合區組織。焊條電弧焊接頭熔合區顯微組織晶粒較為均勻、細小，但過熱區組織，晶粒較為粗大;白色塊狀為鐵素體組織，黑色點狀為珠光體組織，珠光體沿鐵素體晶界處析出。

鎢極氬弧焊接頭熔合區顯微組織焊縫組織晶粒相對細小，但過熱區組織，晶粒相對粗大。可以看到沿晶界析出的塊狀的先共析鐵素體以及晶內的針狀鐵素體。

因此，相比于焊條電弧焊，鎢極氬弧焊的焊縫和過熱區的晶粒更為細小、均勻，且晶內含有針狀鐵素體，可以改善沖擊韌性。鐵素體含量相對較少，珠光體含量相對較多。

(3)熱影響區組織。焊條電弧焊熱影響區細晶區顯微組織為白色鐵素體和黑色珠光體，晶粒較細小。

鎢極氬弧焊熱影響區細晶區顯微組織為細小而均勻的鐵素體和珠光體。

因此，在細晶區，鎢極氬弧焊接頭熱影響區的晶粒要比焊條電弧焊的細小，同時珠光體的含量更高。

(4)焊縫金屬組織。焊條電弧焊底道焊縫顯微組織為白色塊狀鐵素體和少量黑色珠光體。珠光體沿鐵素體晶界處析出，且含量較少，晶粒較底道焊縫相對粗大。

鎢極氬弧焊底道焊縫顯微組織為白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內平行生長，晶內有針狀鐵素體和珠光體。針狀鐵素體可以改善原始焊縫的低溫沖擊韌性。當焊縫中存在高比例的針狀鐵素體時，低溫韌性顯著提高。

鎢極氬弧焊中間焊縫顯微組織，在這個區域主要為等軸狀分布的先共析鐵素體和少量珠光體，以及一些碳化物分散其中。此區的晶粒均勻、細小，強度和韌性都應該很好。

本試驗中，焊條電弧焊為多層焊，前一道焊縫施焊后，后一道焊縫對前一道焊縫有一個重熱區域，受到重熱后的焊縫組織與單道焊縫組織不同，由于重熱作用把原來焊縫中一次組織的柱狀晶粒打碎，形成等軸晶，細化了柱狀晶的組織結構，使焊縫性能提高。

鎢極氬弧焊為多層多道焊，對于多層多道焊來說，互相重疊的焊道的重復受熱作用比較復雜，后一道焊縫對前一道焊縫有一個再加熱區域，由于再加熱作用，把原來焊縫中的一次組織破碎，組織發生了改變和細化。大致來說一個多層多道焊縫中存在三種組織，即由柱狀晶區、粗晶區、細晶區組織互相交替組成。柱狀晶區是焊縫在連續冷卻轉變中組織未受影響部分;粗晶區有一次過熱，二次過熱的粗晶區組織，同時有原一次細晶區組織，過熱又變成粗晶區的組織;細晶區有一次正火或二次正火的細晶區組織。這樣多層焊縫組織是多種晶粒度的組合。

3. 接頭硬度實驗分析

(1)焊條電弧焊接頭硬度分布。焊條電弧焊接頭硬度分布曲線先升高后下降，然后趨于平穩，然后再次升高后再下降。由此可看出，焊縫區和母材區的硬度相差不大，焊縫的硬度約等于母材的硬度，接頭屬于等強匹配。而且這兩個區域的硬度變化值也不大;而熱影響區的硬度波動較大，而且在熔合線附近的過熱區出現了比母材還高的最高硬度，并且其硬度呈現梯度變化。這是由于過熱區發生淬硬及晶粒粗化造成的結果。

(2)鎢極氬弧焊接頭硬度分布。從鎢極氬弧焊接頭硬度分布曲線可以看出，焊接的試件的硬度分布在150～230HV之間，其中母材大約在150～170HV左右，而熱影響區最高硬度在200HV左右，焊縫則在170～220HV之間。硬度曲線先升高后下降，然后在焊縫處出現波動，然后硬度值趨于平穩。由此可看出，焊縫區和母材區的硬度相差不大，焊縫的硬度略微高于母材的硬度，接頭基本上屬于等強匹配。而且這兩個區域的硬度變化值也不大。焊縫處硬度值出現波動，這是由于多層焊縫組織是多種晶粒度的組合，即由柱狀晶區、粗晶區、細晶區組織互相交替組成，使硬度值發生了變化。此問題在焊接過程中應引起注意。而熱影響區的硬度波動較大，過熱區的硬度大，是因為該區域晶粒粗大。圖中曲線的熔合線右側焊縫的硬度值較低，這是由于多層多道焊，后續焊道對先焊焊道有再次加熱的作用，使組織軟化，從而使硬度值降低。

焊條電弧焊的焊接接頭中，其焊縫區域組織為大量塊狀鐵素體和少量珠光體，大量的鐵素體大大降低了該區域組織的硬度。與焊條電弧焊相比，鎢極氬弧焊的焊接接頭中，由于受多層多道焊的影響，組織中晶粒比焊條電弧焊接頭組織更細小，細小晶粒可以提高金屬的強韌性，強度和硬度之間有一定的正比關系，同時珠光體的含量相對更高，這就造成了接頭的硬度的提高。

三、結論

第一，相比于焊條電弧焊焊件焊縫，鎢極氬弧焊焊件焊縫成形美觀，焊縫外觀形狀平整、光滑，焊縫成形很好，焊縫之間、焊縫與母材間呈圓滑過渡，焊縫表面波紋細密、規則，焊縫余高小。表面無裂紋、夾渣、咬邊、氣孔、未焊透等缺陷。同時，焊縫背面熔透和成形情況也很好。

第二，采用焊條電弧焊焊接Q345R鋼時，底道焊縫組織為塊狀鐵素體和少量珠光體;末道焊縫組織為晶粒相對粗大的鐵素體和珠光體;過熱區組織為晶粒粗大的塊狀鐵素體和沿晶界析出的珠光體;細晶區組織為晶粒細小的鐵素體和珠光體。采用鎢極氬弧焊焊接時，底道焊縫組織形態為白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內平行生長，晶內有針狀鐵素體和珠光體;中間焊縫組織為等軸狀分布的先共析鐵素體和少量珠光體，以及一些碳化物分散其中，此區域的晶粒均勻、細小;過熱區組織為沿晶界析出的塊狀的先共析鐵素體，晶內為針狀鐵素體;細晶區組織為細小而均勻的鐵素體和珠光體。焊縫、熔合區及熱影響區晶粒尺寸合適，沒有產生脆硬相。因此，本次試驗所采用的焊接工藝參數合適。

第三，采用焊條電弧焊焊接Q345R鋼時，焊縫金屬的硬度與母材的硬度相近，達到了等強匹配。但在熔合線附近的過熱區出現了比母材還高的最高硬度，這是由于過熱區發生淬硬及晶粒粗化造成的結果。采用鎢極氬弧焊焊接時，焊縫區和母材區的硬度相差不大，基本上達到等強匹配，但在焊縫處硬度值出現波動。焊縫金屬硬度比焊條電弧焊高，這是由于細晶強化作用所致;同時由于鐵素體含量相對較少，珠光體含量相對較高，這也提高了焊縫的硬度。

(作者單位:河北省唐山機車車輛廠高級技工學校)