保護氣體對焊接飛濺的影響

馬宋明輝

摘 要：自20世紀50年代氣體保護焊發明后，CO2氣體保護焊以其高效的特性，得到了各行業的廣泛應用，尤其是機車行業，內燃機車車體的焊接有90%的焊接時應用CO2氣體保護焊完成的。但是焊接飛濺物一直是CO2氣體保護焊難以解決的問題。如果在內燃機車燃油箱的制造完成后，燃油箱內殘留焊接飛濺物，將導致內燃機車的擊破。焊接技術人員一直致力于降低焊接飛濺物的研究。筆者從改變焊接保護氣體的角度研究降低焊接飛濺物，分析在保護氣體中加入O2對焊接飛濺物及焊縫性能的影響。

關鍵詞：氣體；焊接飛濺；焊接

一、焊接接頭金相組織及其分析

經觀察宏觀形貌無論是選用氣體A還是氣體B，焊接接頭層次清晰，成型優良，從焊縫端面宏觀形貌觀察，接頭融合良好，無氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。

觀察焊接接頭微觀組織無論選用氣體A還是氣體B，焊縫金屬組織呈明顯的柱狀晶形態，主要由數量較多的先共析鐵素體、一定數量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。晶粒區晶粒較為粗大，其組織特征為，較多的先共析鐵素體，側板條鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體。該區域晶粒粗大是由于焊接過程中加熱溫度高，金屬處于過熱狀態，一些高熔點化合物熔入奧氏體，因此奧氏體晶粒發生長大，冷卻后主要得到粗大的鐵素體和珠光體，甚至在熱輸入過高或高溫停留時間長時出現魏氏體組織。細晶區主要由細晶鐵素體和珠光體組成。

二、焊接接頭機械性能試驗結果及分析

（一）焊接接頭硬度試驗結果及分析

通過焊接接頭硬度HV10的測試結果得出，比較接頭各區域的硬度及其分布規律可發現，接頭的硬度峰值在HAZ高進熔合線的部位，HAZ的平均硬度較高，其次是焊縫，母材的平均硬度值最低；從硬度均值比較分析發現，接頭面層的硬度大于底層的硬度，這是由于底層焊縫受到后續焊接余熱作用的原因。無論是選用氣體A還是氣體B，焊接接頭各區的硬度值相差不大，硬度值峰值出現在近熔合線附近，滿足ISO15614-1標準允許的最大硬度值得要求，焊接性能良好。

（二）焊接接頭拉伸試驗結果及分析

參照ISO4136-2011“鋼熔化焊接頭拉伸試驗”標準規定[2]，加工拉伸試樣，在WESW-600B液壓式萬能試驗機上測定接頭的抗拉強度。觀察拉伸試驗樣件得到，試件斷裂前有較為明顯的塑性變形，斷裂位置在遠離焊縫的母材處，與拉伸軸呈45°，是典型的切斷型斷裂，斷口宏觀形貌有明顯的纖維區、放射區和剪切唇，剪切唇表面光滑。拉伸試驗結果表明，氣體A和氣體B，拉伸試樣的斷裂位置均為遠離焊縫的母材，所以在靜載條件下，焊接接頭不是薄弱環節。

（三）焊接接頭彎曲試驗結果及分析

參照ISO5173-2009“焊接接頭彎曲試驗”標準規定[3]，在WESW-600B液壓式萬能試驗機上進行彎曲試驗，評定焊縫的塑性，彎曲試樣包括2個正彎試樣和2個背彎試樣。

焊接接頭試樣彎曲試驗結果表明。無論氣體A還是氣體B，試樣的彎曲角度達到180°時，在彎曲受拉面無裂紋，焊縫均呈現了良好的塑性。

注：T-合格，彎曲180°時受拉面無裂紋或有在任何方向上小于3mm長的裂紋

（四）焊接接頭沖擊試驗結果及分析

用JXB-300型沖擊試驗機，參照ISO 9016-2008 “焊接接頭沖擊試驗方法”標準的規定[4]，進行接頭2種狀態-40℃沖擊功的測定，分析了焊接接頭沖擊韌性的影響因素。沖擊試樣取焊縫、熔合區、熱影響區和母材4個部位，焊縫、熔合區和熱影響區V型缺口位置、尺寸。

焊接接頭沖擊試驗結果表明。選用氣體A和氣體B進行焊接，焊接接頭– 40℃的沖擊功均大于Q345E鋼母材規定的容許值47J。

三、結論

（一）用二元氣體和三元氣體進行焊接試驗及評定，焊接接頭熔合良好，無焊接缺陷，在焊接成型方面，相對于傳統的富氬二元混合氣（80%Ar+20%CO2），用富氧的三元混合保護氣體（Ar+CO2+O2）進行焊接，焊縫表面成型較為平滑、美觀。

（二）在多層焊工藝條件下，焊接接頭的組織是不均勻的：面層的組織呈較為粗大的柱狀晶形態，多為鐵素體（先共析鐵素體、針狀鐵素體、側板條鐵素體）和少量粒狀貝氏體組織，底層焊縫為較為細小、均勻的塊狀鐵素體和珠光體組織；熔合區和過熱區組織主要為先共析鐵素體、較多的珠光體和一定量的粒狀貝氏體。

（三）無論使用二元氣體，還是選用三元氣體，焊接接頭的靜載拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫的母材處，呈典型的切斷特性，為塑性斷裂，；焊接接頭塑性良好，正彎和背彎角度均達到180°，沒出現任何裂紋。

（四）無論使用三元混合保護氣，還是使用二元混合保護氣，焊接接頭的硬度相差不大，硬度值HV10均滿足ISO 15614-1標準的要求，焊接性能良好。

（五）焊接熱影響區/HAZ的沖擊功值明顯高于焊縫金屬/WM，表明焊接接頭中HAZ的韌性較好；三元氣焊縫金屬的低溫（-40℃）沖擊韌性略高于二元氣焊縫金屬的低溫沖擊韌。

參考文獻：

[1]EN ISO15614-1.金屬材料焊接工藝規程及評定—第一部分：鋼的電弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的電弧焊[S]，2004.

[2]EN ISO 4136.鋼熔化焊接頭拉伸試驗[S]，2011.

[3]EN ISO5173.焊接接頭彎曲試驗[S]，2009.

[4]EN ISO 9016.焊接接頭沖擊試驗方法[S]，2008.