焊接工藝對CHE607QR熔敷金屬力學性能的影響

黃義芳，張曉柏，蔣 勇，唐小華，羅 宏

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000;2.四川理工學院 材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

在工程機械產品中，焊接結構件約占整機重量的 50%～70%，液壓支架主體幾乎完全采用焊接結構[1]。我國目前主要制造行業的骨干企業，氣保護實心焊絲、藥芯焊絲、埋弧焊絲等各類焊絲的使用比例，約占焊材總使用量的 70% ，與發達國家相近。在今后五年左右，我國焊條占焊材總產量的比例可能下降到 40%左右，使用焊材的各工業制造行業和工程建設行業都在轉型升級，不斷對焊接材料提出更高要求[2-3]。近年來，大型乙烯、丙烯等球罐建造用鋼板已實現國產化，但其配套的焊接材料仍依賴進口(如-50℃ 07MnNiMoDR配套焊條長期由國外公司壟斷)[4]，研究開發與國內以07MnNiMoDR-50℃鋼制球罐配套用CHE607QR等球形容器用焊接材料，以期打破國外公司壟斷控制，實現國內自主化。焊接填充材料的工藝性是其重要的性能, 尤其是在當前市場經濟的條件下, 焊接材料工藝性往往成為該種產品是否具有競爭力的決定性因素[5]。球形容器焊接質量不僅關系球形容器建造的成本，更是涉及球形容器運行的安全性[6-7]。國內外大量球形容器破壞事故統計表明，焊接質量缺陷產生的裂紋造成的破壞性事故占41%[8]。焊接電流、道間溫度、熱處理工藝參數等對焊縫的性能都有重要的影響[9-11]，本文主要分析不同條件下回火后焊接工藝參數對熔敷金屬的力學性能的影響。

1 實驗方法

采用其Q345板厚20mm，尺寸為300×300mm，采用V形坡口,采用CO2氣體保護焊。焊接前采用CHE607QR堆邊，堆邊厚度大于3mm。試驗焊條選擇定型試驗產品牌號CHE607QR，規格：φ4.0,批號31454。試驗焊條進行380℃烘焙1h。試板組對要求見圖1，熔敷金屬化學成分見表1，焊接試驗條件見表2。

表1 熔敷金屬化學成分

圖1 熔敷試板拼接圖

表2 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊接電流對熔敷金屬力學性能的影響

不同焊接電流條件下熔敷金屬力學性能(620℃×1h)見圖2。從圖2可看出：620℃×1h熱處理條件下，在焊接電流在140～200A時，各項指標均滿足要求；隨著焊接電流的增加，抗拉強度、屈服強度下降明顯，當焊接電流為200A時，拉伸強度大幅降低，但仍然保持良好的塑性。當焊接電流為180A時，仍能保持較好的綜合性能，表明焊條耐大電流焊接，焊接電流可選擇范圍為140～180A。

圖2 焊接電流對熔敷金屬力學性能的影響

2.2 焊接線能量對焊縫熔敷金屬力學性能的影響

立焊條件下不同線能量焊縫熔敷金屬力學性能，見圖3。從圖3可看出：在580℃×6h熱處理條件下，隨著線能量的增加，抗拉強度、屈服強度沖擊韌性均降低，斷后伸長率變化不大，當線能量大于45 kJ/cm時，抗拉強度、屈服強度低于技術指標要求，主要是線能量過大會造成晶粒粗大和擴大熱影響區范圍。當線能量小于40.2 kJ/cm時，可以獲得較好的力學性能。

圖3 焊接線能量對焊縫熔敷金屬力學性能的影響

2.3 焊接線能量對焊縫熔敷金屬化學成分的影響

不同焊接線能量條件下焊縫熔敷金屬化學成分影響見圖4。

圖4 焊接線能量對焊縫熔敷金屬化學成分的影響

從表6試驗結果可看出：隨著線能量的增加，熔敷金屬中C、Si、Mn降低，其余元素變化不大，說明線能量的增加，增大了脫氧及強化元素的燒損，使強度下降，與不同線能量對力學性能影響的結果有一致性。

2.4 道間溫度對焊縫熔敷金屬力學性能的影響

不同道間溫度條件下焊縫熔敷金屬力學性能(620℃×1h)見圖5。從圖5可看出，在試驗條件下，各項指標在技術要求范圍內；還可以看出，隨著道間溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性均降低，但道間溫度在100～170℃時，熔敷金屬均保持較好的沖擊韌性。

圖5 道間溫度對焊條熔敷金屬力學性能的影響

2.5 熱處理條件對焊縫熔敷金屬力學性能的影響

不同熱處理條件下焊縫熔敷金屬力學性能見圖6。

c 熱處理對沖擊功的影響

圖6 熱處理工藝對焊縫熔敷金屬力學性能的影響

從圖6試驗結果可看出：在試驗條件下，隨著回火時間以及溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率均降低，沖擊韌性降低更為明顯。

2.6 落錘試驗(NDT)

落錘試驗(NDT) 熔敷金屬無塑性轉變溫度見表3。

表3 熔敷金屬無塑性轉變溫度

從表3試驗結果可看出：焊后580℃×6h熱處理狀態具有-70℃無塑性轉變溫度(NDT)，說明熔敷金屬具有較好的止裂性能。

2.7 熔敷金屬金相組織

不同熱處理條件下焊縫中心金相組織形態見圖7。經焊后熱處理組織形態由焊態的針狀鐵素體+M-A島轉變為針狀鐵素體+細顆粒碳化物，其組織特征與性能試驗結果有較好的一致性。

圖7 焊縫中心金相組織

3 結論

(1)620℃×1h熱處理條件下，隨著焊接電流的增加，抗拉強度、屈服強度下降明顯，在焊接電流為200A時，拉伸強度大幅降低，焊接電流在180A時，仍能保持較好的綜合性能，表明焊條耐大電流焊接，焊接電流可選擇范圍為140～180A。

(2)在580℃×6h熱處理條件下，隨著線能量的增加，抗拉強度、屈服強度均降低，斷后伸長率變化不大，當線能量大于45 kJ/cm時，抗拉強度、屈服強度低于技術指標要求，當線能量小于40.2 kJ/cm時，可以獲得較好的力學性能。

(3)隨著線能量的增加，熔敷金屬中C、Si、Mn降低，其余元素變化不大，增大了脫氧及強化元素的燒損，使強度下降。

(4)隨著道間溫度的增加，抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性均降低，道間溫度在100～170℃時，熔敷金屬均保持較好的沖擊韌性。隨著溫度的提高和回火時間增加，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率均降低，沖擊韌性降低更為明顯。

(5)焊后580℃×6h熱處理狀態具有-70℃無塑性轉變溫度(NDT)，熔敷金屬具有較好的止裂性能。

(6)經焊后熱處理組織形態由焊態的針狀鐵素體+M-A組元轉變為針狀鐵素體+細顆粒碳化物。

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