原作者:兰州大学 夏天东 周游 李浩河 出处:
【论文摘要】采用普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技术，焊接了20G和16MnR钢，结果表明，添加合金粉末埋弧自动焊技术能够采用大线能量(因为添加的合金粉末改善了焊缝组织，焊缝深宽比显著提高，而焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化)，焊接工艺性能良好，焊接熔敷速率是传统埋弧焊的2倍，接头角变形明显减小，焊接接头的力学性能满足要求。
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 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Ti |
Ni |
| 20G |
0.12 |
0.23 |
0.55 |
0.022 |
0.025 |
<0.05 |
<0.1 |
| 16MnR |
0.15 |
0.35 |
1.46 |
0.024 |
0.028 |
<0.05 |
<0.1 |
| H08A |
0.05 |
0.026 |
0.36 |
0.010 |
0.028 |
<0.05 |
<0.1 |
| H10Mn2 |
0.09 |
0.026 |
1.76 |
0.025 |
0.020 |
<0.05 |
<0.1 |
| AP3 |
0.22 |
0.18 |
3.0～5.5 |
0.025 |
0.030 |
0.5～1.0 |
0.5～2.0 |
| AP5 |
0.21 |
0.26 |
2.0～3.5 |
0.023 |
0.032 |
0.5～1.0 |
0.5～2.0 |
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) |
| 03 |
20G |
H08A |
HJ431 |
无 |
5 |
500～520 |
30～32 |
500 |
1.6～1.7 |
| 04 |
20G |
H08A |
SJ301 |
无 |
5 |
500～530 |
30～32 |
500 |
1.6～1.7 |
| 53 |
16MnR |
H10Mn2 |
HJ431 |
无 |
6 |
500～520 |
32 |
500 |
1.6～1.7 |
| 54 |
16MnR |
H10Mn2 |
SJ301 |
无 |
6 |
500～520 |
32 |
500 |
1.6～1.7 |
| 01 |
20G |
H08A |
HJ431 |
AP5 |
1 |
750 |
38 |
350 |
4.2 |
| 02 |
20G |
H08A |
SJ301 |
AP5 |
1 |
700 |
38 |
350 |
3.9 |
| 51 |
16MnR |
H08A |
HJ431 |
AP3 |
1 |
720 |
38 |
350 |
4.0 |
| 52 |
16MnR |
H08A |
SJ301 |
AP3 |
1 |
700 |
38 |
350 |
3.9 |
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 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Ti |
Ni |
| 03 |
0.06 |
0.37 |
1.20 |
0.015 |
0.027 |
<0.05 |
<0.1 |
| 04 |
0.10 |
0.60 |
1.51 |
0.022 |
0.027 |
<0.05 |
<0.1 |
| 53 |
0.09 |
0.48 |
1.85 |
0.018 |
0.033 |
<0.05 |
<0.1 |
| 54 |
0.13 |
0.78 |
2.20 |
0.026 |
0.033 |
<0.05 |
<0.1 |
| 01 |
0.15 |
0.32 |
1.17 |
0.017 |
0.023 |
0.031 |
0.19 |
| 02 |
0.12 |
0.45 |
0.91 |
0.023 |
0.024 |
0.031 |
0.18 |
| 51 |
0.15 |
0.45 |
1.63 |
0.017 |
0.027 |
0.025 |
0.27 |
| 52 |
0.16 |
0.60 |
1.85 |
0.020 |
0.029 |
0.034 |
0.21 |
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 |
| 03 |
366 |
433 |
22.1 |
51.3 |
87 |
91 |
| 04 |
369 |
436 |
19.8 |
56.4 |
107 |
88 |
| 53 |
451 |
587 |
20.4 |
42.8 |
47 |
43 |
| 54 |
477 |
587 |
16.7 |
43.0 |
48 |
39 |
| 01 |
312 |
449 |
25.1 |
54.2 |
41 |
90 |
| 02 |
343 |
446 |
24.0 |
57.2 |
54 |
75 |
| 51 |
436 |
605 |
18.1 |
37.6 |
35 |
41 |
| 52 |
449 |
608 |
15.6 |
36.5 |
52 |
44 |
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
(°) |
| 03 |
无 |
1.6-1.7 |
0.58 |
6.5 |
12.8 |
12 |
| 04 |
无 |
1.6-1.7 |
0.46 |
8.1 |
15.9 |
13 |
| 53 |
无 |
1.6-1.7 |
0.41 |
5.7 |
11.2 |
16 |
| 54 |
无 |
1.6-1.7 |
0.39 |
6.5 |
14.0 |
15 |
| 01 |
AP5 |
4.2 |
0.63 |
11.7 |
15.7 |
2 |
| 02 |
AP5 |
3.9 |
0.71 |
12.1 |
17.3 |
3 |
| 51 |
AP3 |
4.0 |
0.65 |
15.9 |
22.1 |
2 |
| 52 |
AP3 |
3.9 |
0.61 |
12.9 |
18.4 |
2 |
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。
