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一种高效焊接技术——添加合金粉末埋弧焊

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:534
在满足焊接接头力学性能要求的前提下,提高熔敷速率可以提高生产率。用常规的埋弧焊(saw)焊接中厚板结构,如果提高熔敷速率,就要加大焊接线能量,其结果是焊接熔池变大,母材熔化量增加,焊缝化学成分变差,焊缝组织粗化,焊接热影响区扩大并且性能变坏。添加合金粉末的埋弧焊(submerged arc welding with alloyed metal powders,saw-amp)是一种能够提高熔敷速率,又不使焊接接头性能变差的高效焊接技术。基本做法是在坡口中预先铺放一层金属粉末(或金属细粒、切断的短焊丝等),然后进行埋弧焊。国外从60年代末期至今一直在研究、开发和应用这种技术,已研究了系列合金粉末、焊剂和合金粉末添加装置,广泛用于造船、压力容器、重型机器、桥梁、建筑和海洋石油平台等领域。
笔者用该技术焊接了q235钢和16mnr钢,并应用于实际焊接生产。
1 材料及焊接工艺
1.1 材料
母材板厚为18 mm,试板尺寸为300 mm×500 mm,焊丝直径为4.0 mm,焊剂粒度为8~60目,合金粉末粒度为80~200目。化学成分见表1。
表1 母材、焊丝和合金粉末的化学成分单位:%
材料csimnsptini
20g0.120.230.550.0220.025<0.05<0.1
16mnr0.150.351.460.0240.028<0.05<0.1
h08a0.050.0260.360.0100.028<0.05<0.1
h10mn20.090.0261.760.0250.020<0.05<0.1
ap30.220.183.0~5.50.0250.0300.5~1.00.5~2.0
ap50.210.262.0~3.50.0230.0320.5~1.00.5~2.0

1.2 焊接工艺
对接,焊接规范见表2。焊机为mz-1000,dcrp。v型坡口,saw角度为60°~65°,钝边为4 mm;saw-amp角度为40°~45°,钝边为2 mm。
表2 焊接工艺规范
编号母材焊丝焊剂粉末层数电流
(a)
电压
(v)
焊接速度
(mm/min)
线能量
(kj/mm)
0320gh08ahj4315500~52030~325001.6~1.7
0420gh08asj3015500~53030~325001.6~1.7
5316mnrh10mn2hj4316500~520325001.6~1.7
5416mnrh10mn2sj3016500~520325001.6~1.7
0120gh08ahj431ap51750383504.2
0220gh08asj301ap51700383503.9
5116mnrh08ahj431ap31720383504.0
5216mnrh08asj301ap31700383503.9

2 试验结果及讨论
2.1 焊缝化学成分
采用saw和saw-amp技术焊接的20g、16mnr钢焊缝化学成分见表3。结果表明,用sj301焊接的焊缝,c、si和mn元素增加,p含量与hj431焊缝相当,s含量却没有减少。由于sj301和hj431本身的s、p含量对其焊缝中的s和p含量有相当显著的影响,而不同厂家生产的焊剂s、p含量有很大差别,故可以理解本文的成分分析结果。saw-amp焊缝的s含量与saw焊缝相当,p含量显著减少,但均低于0.030%,焊缝的成分完全符合gb6654-86的要求。添加合金粉末有利于焊缝脱s和脱p。
表3 焊缝的化学成分单位:%
编号csimnsptini
030.060.371.200.0150.027<0.05<0.1
040.100.601.510.0220.027<0.05<0.1
530.090.481.850.0180.033<0.05<0.1
540.130.782.200.0260.033<0.05<0.1
010.150.321.170.0170.0230.0310.19
020.120.450.910.0230.0240.0310.18
510.150.451.630.0170.0270.0250.27
520.160.601.850.0200.0290.0340.21

2.2 焊缝和haz的显微组织
saw的线能量一般为1.6 kj/mm,焊接18 mm厚的钢板需要5~6道焊满,未经再热的焊缝组织细小,针状铁素体较多,先共析铁素体少且窄,柱状晶方向性不明显,haz粗晶区晶粒尺寸较小。如果采用大线能量,线能量达到3.6 kj/mm,18 mm厚的钢板2道即可焊满,但是焊缝组织粗大,几乎无针状铁素体,先共析铁素体宽,haz粗晶区晶粒尺寸较大,有较多的魏氏组织。
用大线能量、saw-amp技术,18 mm厚的钢板一道就可焊满,但是,合金粉末的成分对焊缝抗裂性和组织有显著影响。合金粉末中mn、ti等合金元素含量非常少,其成本较低,但焊接过程中电弧燃烧不稳定,焊道忽宽忽窄,焊缝组织中几乎没有针状铁素体,先共析铁素体连成一片,焊缝与haz在熔合区明显分开。采用含有较少mn、ti元素的合金粉末焊接,焊缝中针状铁素体细小且多,先共析铁素体较少,焊缝的柱状晶不明显,但是,焊缝成分有偏析,出现裂纹。调整合金粉末的成分,使之含有适当的mn、ti等合金元素,获得ap3和ap5粉末,配用h08a焊丝,分别焊接16mnr和20g,焊缝针状铁素体多且细小,先共析铁素体变窄且断续分布,先共析铁素体晶粒细小且量少。结果表明,在埋弧焊缝中添加适当成分的合金粉末,改善了焊缝的微观组织;haz粗晶区的珠光体增加,魏氏组织减少,haz微观组织并未由于线能量增大而恶化,说明saw-amp对线能量适应性强。
2.3 焊接接头力学性能
按jb4708-92进行拉伸和标准charpy v型缺口试样冲击试验。表4的试验结果表明,采用saw-amp技术焊接的接头力学性能完全满足要求,其中用sj301焊剂的接头力学性能更好。
表4 焊接接头常温拉伸性能和charpy v型缺口试样冲击韧性
编号屈服
强度
(mpa)
抗拉
强度
(mpa)
延伸率
(%)
断面
收缩率
(%)
冲击韧性(j)
焊缝haz
0336643322.151.38791
0436943619.856.410788
5345158720.442.84743
5447758716.743.04839
0131244925.154.24190
0234344624.057.25475
5143660518.137.63541
5244960815.636.55244

2.4 焊缝和haz的晶粒大小及几何尺寸
在埋弧焊坡口中添加合金粉末焊接,母材的熔合比降低,焊接电弧的大部分热量用来熔化焊丝和粉末。用定量金相的方法测量了焊缝组织中先共析铁素体和haz粗晶区原始奥氏体的晶粒大小。结果表明,添加合金粉末后,尽管采用了大线能量焊接,焊缝中先共析铁素体的平均尺寸由50 μm~100 μm减小为20 μm~30 μm,而且添加合金粉末后针状铁素体含量明显增加,先共析铁素体减少,柱状晶的方向性减小,添加的合金粉末有利于改善焊缝组织。添加合金粉末并采用大线能量,尽管整个haz及其粗晶区的宽度有所增加,但对接头性能有重要影响的haz粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸基本保持为60 μm~80 μm,受线能量的影响并不显著,见图1。添加合金粉末焊缝的熔深增加,深宽比显著升高,见表5。
表5 saw和saw—amp的焊缝深宽比、熔敷速率、熔敷系数和接头角变形
编号粉末线能量
(kj/mm)
熔池
深宽比
熔敷速率
(kg/h)
熔敷系数
(g/a*h)
角变形
(°)
031.6-1.70.586.512.812
041.6-1.70.468.115.913
531.6-1.70.415.711.216
541.6-1.70.396.514.015
01ap54.20.6311.715.72
02ap53.90.7112.117.33
51ap34.00.6515.922.12
52ap33.90.6112.918.42


图1 焊接线能量与haz宽度及其粗晶区宽度的关系
2.5 焊接接头的角变形
在焊接前没有进行反变形,焊接过程中也没有拘束,但从表5看出,用saw—amp技术焊接的试板角变形远小于用saw技术焊接的同样板厚的试件。
2.6 熔敷速率和熔敷系数
焊接熔敷速率与熔敷系数是标志焊接熔敷效率的参数。saw-amp的焊接熔敷速率和熔敷系数是saw的近2倍,焊接熔敷效率明显提高。
2.7 saw—amp技术能够采用大线能量的原因
添加合金粉末改善了大线能量焊接时的焊缝组织。如表1所示,saw-amp所用的合金粉末中含有较高的mn、ti等元素,一方面在焊接熔池中脱去粉末自身带来的氧,另一方面参与焊缝的合金化,增加了焊缝合金元素含量,焊缝中针状铁素体增多,先共析铁素体减少,柱状晶的方向性减小。这与我们对大线能量手工电弧焊接接头的研究结果是一致的[4]。
焊缝深宽比显著提高,熔池单位面积线能量降低,焊缝及haz组织晶粒没有粗化。在测量和计算了单道saw和saw-amp焊缝的熔池周长和面积之后,计算得到的单位熔池周长和面积上的线能量见图2和图3。线能量增大,熔池单位周长上的线能量缓慢升高,但是,熔池单位

图2 单道焊缝熔池单位周长上的线能量

图3 单道焊缝熔池单位面积上的线能量
面积上的线能量反而缓慢下降。焊缝和haz的显微组织除了受合金元素影响外,还受焊接过程的热循环,包括加热速度、最高温度、高温停留时间、冷却速度等的影响。采用saw-amp技术时,虽然表面上焊接线能量显著增大,输入熔池的热量增加,实际上焊缝深宽比加大,单道焊缝熔池单位面积上的线能量下降,热量传导的途径增多,焊缝和haz并未严重过热。与saw相比,添加合金粉末对热影响区800℃~500℃的冷却时间没有影响,焊缝的高温停留时间略有增加。

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