熔接设备焊接电流的大小对焊接接头性能及组织的影响

前    言
         熔接设备中埋弧焊是目前工业生产中常用的焊接方法, 由于其焊缝成形美观、焊接效率较高、节约焊接材料、劳动强度低等优点而广泛应用于锅炉压力容器生产制造行业[1-2]。但在实际生产过程中，许多单位往往通过增大埋弧焊焊接电流来提高生产效率。为此本文通过埋弧焊在不同焊接电流下对Q345R 钢焊接接头力学性能及组织的影响分析，来说明焊接电流对对压力容器焊接接头安全性的影响。
 
1    实验材料及试板准备
         试验母材为正火态Q345R钢板，厚度为40mm, 制备焊接试板S1和S2，其化学成分见表1；显微组织为珠光体（P）+铁素体（F），见图1。
 
         实验采用的坡口型式为V形，见图2。埋 弧 焊焊丝为EM13K（Φ4.0mm），焊剂为CHF101， 试板S1焊接电流为550~600A，试板S2焊接电流为650~700A，具体焊接工艺参数见表2。
 
         反面采用碳弧气刨清根，清除未焊透等焊接缺陷，使用打磨机磨掉刨槽内外的渗碳及氧化层。焊后热处理工艺为（610±10）℃×4hr， 装炉温度≤400℃，升降温速度≤55℃/hr，试板随炉冷至400℃以下出炉空冷。
 
2    实验结果与分析
2.1    焊缝区化学成分检测
        焊缝区化学成分按《GB/T4336-2002碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱法分析方法》进行，焊缝金属化学成分检测结果见表3。
         从表3数据可看出，S1、S2试板中焊缝金属化学元素含量相近，通过碳当量公式Ceq=C+Mn/6 +（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15计算知，S1、S2 试板焊缝金属的碳当量也相近。一般低合金钢焊缝金属拉伸强度及冲击韧性要受碳当量的影响[3]，但在本实验中增大埋弧焊电流对焊缝金属化学成分及碳当量的影响不大。
 
2.2    焊接接头力学性能检测
         在试板垂直和平行于焊缝方向按《GB/T228 -2010金属材料拉伸试验方法》截取标准拉伸试样进行常温拉伸；按照《GB/T229-2007金属材料夏比冲击摆锤试验方法》在焊接接头的焊缝及热影响区，截取10mm×10mm×55mm的标准冲击试样进行0℃、-10℃、-20℃、-30℃冲击实验；在试板垂直于焊缝方向按《GB/T2653-2008 焊接接头弯曲试验方法》截取侧弯试样进行常温弯曲实验；按照《GB/4340-20091金属材料维氏硬度试验》对焊接接头的焊缝及热影响区进行硬度检测。

         各项力学性能实验结果见表4，接头拉伸均断于母材；冲击功在不同实验温度下的变化趋势见图3。

        表4实验结果说明：试板S1、S2焊接接头的塑性满足实验要求；热影响区及焊缝的硬度检测结果几乎接近；随着焊接电流的增大，焊接接头及焊缝金属的抗拉强度基本一致，但屈服强度下降较多。

         从图3看出：随着实验温度的降低，试板S1 和S2焊缝及热影响区冲击功呈下降趋势；当焊接电流较大时，热影响区冲击功在低于-10℃时下降明显，说明大电流对热影响区的低温冲击韧性有较大影响。

         综上分析，增大埋弧焊焊接电流对焊接接头的塑形、硬度、抗拉强度影响不大，但对焊接接头的屈服强度及热影响区低温冲击韧性影响较大。

2.3    焊接接头金相组织分析
         按照《GB/T13298-1991金属显微组织检验方法》对焊接接头进行微观金相分析，焊缝区显微组织如图4所示，其中图4a、4b所示两试件的焊缝组织均为索氏体（S）+铁素体（F），但S1焊缝组织的铁素体为网状铁素体，S2焊缝组织的铁素体为块状铁素体，这是因为S1的焊接电流较小、热输入量少、冷却速度快、高温停留时间短，铁素体沿晶界析出形成网状结构；而S2的焊接电流较大、热输入量大、冷却速度慢、高温停留时间长，铁素体沿晶界析出形成块状铁素体，块状铁素体易发生脆性断裂，则焊接接头韧性降低。另外，S1、S2焊缝区金相组织的奥氏体晶粒度分别为5.9、5.5，说明S1焊缝的晶粒尺寸略小于S2，证明S2高温停留时间长，金属晶粒较大。

         以上分析说明，埋弧焊焊接电流增大，则热输入量增加，焊缝金属的晶粒尺寸长大，冲击韧性降低。

        图5为热影响区显微金相组织，由图5a、5b 对比可知，试件S1热影响区组织为珠光体（P） +铁素体（F），试件S2热影响区组织为珠光体（P）+铁素体（F）+少量的魏氏体（W）。这是由于S2焊接电流较大，热输入量增多，热影响区过热奥氏体晶粒长大严重，使析出的网状铁素体中生长出相互平行的针状铁素体，然后富碳的奥氏体转变为珠光体，即形成魏氏体组织[4]。魏氏体是一种淬硬性组织，易使焊接热影响区性能指标下降，尤其是塑韧性显著降低，容易引起脆性断裂，这也是图5b中S2试件热影响区低温冲击功在低于-10℃时显著下降的重要原因。
 
3    结束语
3.1    随着埋弧焊焊接电流的增大，焊缝金属的化学成分、焊接接头的塑性、硬度、抗拉强度均满足标准要求，但焊缝金属的屈服强度及热影响区的低温冲击韧性有所降低；
3.2    埋弧焊电流的增大，热输入量也增加，易使焊缝金属晶粒长大，且热影响区中出现魏氏体组织，可造成焊接接头使用性能下降；
3.3    试板S1的焊接接头的各项力学性能优于试板S2，对于工作条件要求较高（如高压、低温环境下）的压力容器，在制造时应采用试板S1的焊接电流。