不同焊接材料的接頭組織及力學(xué)性能研究

李柏松，魏守盼，侍孝建，王慶超，武樹成

徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司 江蘇徐州 221000

1 序言

隨著國內(nèi)外礦產(chǎn)資源需求的劇增，為有效提升開采效率，大型礦山機(jī)械向著長壽命、低成本、大噸位方向發(fā)展，這對結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和效率都提出了極高的要求。目前，礦山機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)仍采用傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊方式，這主要受限于材料板厚較大和結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，下料件尺寸及拼點(diǎn)間隙易超差，以及難以采用激光MIG復(fù)合焊或埋弧焊等高效焊接方法來提升生產(chǎn)效率。為解決傳統(tǒng)實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊填充量大、生產(chǎn)效率低等問題，可從使用新型焊接材料等角度進(jìn)行相關(guān)工藝技術(shù)攻關(guān)。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

為研究多層焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能，焊接試板選用12mm厚Q355E鋼板，單件尺寸為400mm×150mm，并沿長邊開單V形30°坡口。焊接材料選用3種不同類型的50k g級(jí)焊絲，包括金屬粉芯焊絲（E70C-6M）、實(shí)芯焊絲（ER50-6）、藥芯焊絲（E501T-1）。焊接保護(hù)氣選用82%Ar+18%CO2。

試板拼焊過程如圖1所示，前端間隙為2mm，末端間隙為3mm，調(diào)整好間隙后在首尾及中間3處位置定位焊加固，并用G形夾鉗將試板固定在工作平臺(tái)上，通過剛性約束減少焊接變形量。

圖1 3種不同焊接材料的焊接過程示意

為保證焊接過程一致性，焊接試驗(yàn)采用庫卡機(jī)器人搭配福尼斯TPS4000焊機(jī)進(jìn)行多層焊接。經(jīng)多次工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藥芯焊絲和金屬粉芯焊絲在小電流條件下（80～160A）由于焊接冶金反應(yīng)不充分，容易產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。為顯著改善打底層焊接質(zhì)量，后續(xù)工藝試驗(yàn)過程打底層均采用實(shí)芯焊絲并在小電流短弧條件下焊接，以實(shí)現(xiàn)良好的單面焊雙面成形。填充層、蓋面層焊接時(shí)，為提高焊接材料熔敷效率并確保在合理焊接熱輸入范圍，選用大電流（240～320A），控制層間溫度≤300℃，相關(guān)焊接參數(shù)見表1。

表1 不同焊接材料條件下的焊接參數(shù)

3 不同焊接材料條件下接頭組織特征及力學(xué)性能

3.1 接頭宏觀成形

如圖2～圖4所示，采用上述3種焊接材料在不同焊接工藝窗口下（240～320A）得到的接頭宏觀成形良好，且焊后經(jīng)UT檢測無焊接缺陷。其中，實(shí)芯焊絲與金屬粉芯焊絲氣保焊接頭均為明顯指狀熔深，焊縫深寬比較大。而藥芯焊絲由于熔敷效率較低，為實(shí)現(xiàn)相同焊接填充量，焊接速度較小（0.18～0.3m/min），焊縫深寬比較小。

圖2 實(shí)芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

圖3 藥芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

圖4 金屬粉芯焊絲的焊接接頭宏觀成形

3.2 接頭微觀組織

如圖5所示，使用3種不同焊接材料在不同焊接熱輸入條件下，蓋面層柱狀晶粒大小無明顯變化，均沿著熔合線向焊縫中心生長。對于實(shí)芯焊絲和金屬粉芯焊絲的填充層焊縫，由于受到蓋面層“回火”作用，晶粒有一定程度細(xì)化，但在不完全重結(jié)晶過程中生長方向變得雜亂。而藥芯焊絲填充層晶粒細(xì)化更為明顯，基本轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和彌散分布的粒狀珠光體（見圖6）。

圖5 不同焊接材料的對接接頭微觀組織

圖6 填充層焊縫微觀組織對比

由于焊縫微觀組織特征由化學(xué)成分和冷卻速度決定，通過對比3種不同焊接材料的焊接熱輸入（Q＝0.75UI/V），可知Q實(shí)芯焊絲=1.09kJ/mm，Q藥芯焊絲=1.47kJ/mm，Q金屬粉芯焊絲=0.96kJ/mm，即藥芯焊絲焊接熱輸入較實(shí)芯焊絲提高34.9%，金屬粉芯焊絲焊接熱輸入比實(shí)芯焊絲低11.9%，因此可從以下兩方面解釋藥芯焊絲填充層晶粒細(xì)化現(xiàn)象：一是蓋面層焊接速度較低（v=0.18m/min），填充層在重新奧氏體化重結(jié)晶過程冷卻速度顯著降低，有效延緩了相變過程；二是藥芯焊絲wMn遠(yuǎn)高于實(shí)芯焊絲，分別為1.75%、1.125%，其再結(jié)晶過程不僅起到固溶強(qiáng)化作用，而且可推遲過冷奧氏體相變速度。同時(shí)，較高含量的金紅石TiO2（wTiO2≈40%）可通過渣-金屬界面反應(yīng)向熔池過渡Ti元素，Ti與C形成的強(qiáng)碳化物對晶界遷移起阻礙作用，可顯著抑制晶粒長大[1]。

3.3 焊接接頭抗拉強(qiáng)度

為表征3種不同焊接材料焊接接頭抵抗斷裂的能力，焊后分別在試板上取兩個(gè)拉伸試樣進(jìn)行測試。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同焊接材料在不同焊接參數(shù)下得到的接頭抗拉強(qiáng)度均大于母材強(qiáng)度（實(shí)測578MPa），見表2。斷裂位置均位于母材，這表明3種不同焊接材料的熔敷金屬抗拉強(qiáng)度均高于母材。

表2 不同焊接材料條件下焊縫金屬拉伸性能

3.4 焊縫金屬抗拉強(qiáng)度

為進(jìn)一步闡明3種不同焊接材料的熔敷金屬抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律及差異性，焊后分別沿焊縫方向取2組棒狀拉伸試樣，拉伸斷裂后試樣如圖7所示。根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果可知，不同焊接材料的焊縫抗拉強(qiáng)度均大于母材，尤其是藥芯焊絲平均抗拉強(qiáng)度顯著高于其余兩種焊接材料。這可以結(jié)合3種不同焊接材料的焊縫微觀組織進(jìn)一步解釋：實(shí)芯焊絲和金屬粉芯焊絲焊后晶粒大小無明顯變化，焊縫組織均為塊狀鐵素體和珠光體，故焊縫金屬抗拉強(qiáng)度基本一致；而藥芯焊絲由于細(xì)晶強(qiáng)化和微合金元素Mn的固溶強(qiáng)化作用，焊縫金屬平均抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于其余兩種焊接材料。

圖7 不同焊接材料的焊縫金屬拉伸后試樣

3.5 接頭低溫沖擊性能

為表征焊接接頭斷裂韌性，焊后在接頭位置截取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，并在焊縫中心開V型缺口，隨后在－40℃下進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，實(shí)芯焊絲焊后試樣隨著焊接熱輸入增加，其低溫沖擊性能顯著下降，這可能與合金元素?zé)龘p增加有關(guān)。藥芯焊絲焊后試樣低溫沖擊性能最優(yōu)，這與圖6所示的細(xì)晶強(qiáng)化有關(guān)。相關(guān)資料表明，晶粒細(xì)化不僅可提高焊縫金屬強(qiáng)度，還可以增加韌性。金屬粉芯焊絲焊后試樣低溫沖擊性能介于兩者之間。經(jīng)分析主要與兩方面因素有關(guān)：一是金屬粉芯焊絲90%以上成分是硅鐵和錳鐵[2]，鐵粉燃燒時(shí)會(huì)吸收大量熱量；二是金屬粉芯焊絲合金成分設(shè)計(jì)時(shí)Ni元素高于實(shí)芯焊絲，分別為0.5%、0.15%，這有助于低溫?cái)嗔堰^程螺旋型位錯(cuò)交滑移，阻礙裂紋擴(kuò)展[3]。因此，金屬粉芯焊絲在晶粒大小未明顯變化的前提下，沖擊性能有一定程度的提高。

圖8 不同焊接材料的焊接接頭低溫沖擊性能對比

4 結(jié)束語

1）對于窄間隙打底焊（2～3mm），金屬粉芯焊絲和藥芯焊絲在小電流條件下焊接冶金反應(yīng)不充分，易產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合等缺陷，可采用實(shí)芯焊絲打底焊工藝來實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。

2）3種焊接材料在合理焊接參數(shù)條件下，蓋面層焊縫晶粒大小基本一致，組織均為較大的塊狀鐵素體和珠光體。藥芯焊絲填充層焊縫金屬由于焊后重結(jié)晶冷卻速度慢，以及細(xì)晶強(qiáng)化和Mn元素推遲過冷奧氏體相變，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小鐵素體和粒狀珠光體。

3）3種焊接材料焊后接頭抗拉強(qiáng)度均高于母材（578MPa），斷裂位置均位于母材。其中，實(shí)芯焊絲與金屬粉芯焊絲焊縫金屬抗拉強(qiáng)度相近，而藥芯焊絲焊后接頭在細(xì)晶強(qiáng)化、合金元素固溶強(qiáng)化作用下，強(qiáng)韌性最優(yōu)。

4）與實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲相比，金屬粉芯焊絲在保證組織性能優(yōu)良前提下，焊接效率更具優(yōu)勢。