一種高效焊接技術(shù)--添加合金粉末埋弧焊

摘要　采用普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技術(shù)，焊接了20G和16MnR鋼，結(jié)果表明，添加合金粉末埋弧自動(dòng)焊技術(shù)能夠采用大線能量(因?yàn)樘砑拥暮辖鸱勰└纳屏撕缚p組織，焊縫深寬比顯著提高，而焊縫及HAZ組織晶粒沒(méi)有粗化)，焊接工藝性能良好，焊接熔敷速率是傳統(tǒng)埋弧焊的2倍，接頭角變形明顯減小，焊接接頭的力學(xué)性能滿足要求。 

關(guān)鍵詞　埋弧焊　合金粉末　低碳鋼　低合金高強(qiáng)鋼 

   在滿足焊接接頭力學(xué)性能要求的前提下，提高熔敷速率可以提高生產(chǎn)率。用常規(guī)的埋弧焊（SAW）焊接中厚板結(jié)構(gòu)，如果提高熔敷速率，就要加大焊接線能量，其結(jié)果是焊接熔池變大，母材熔化量增加，焊縫化學(xué)成分變差，焊縫組織粗化，焊接熱影響區(qū)擴(kuò)大并且性能變壞。添加合金粉末的埋弧焊(submerged arc welding with alloyed metal powders，SAW-AMP）是一種能夠提高熔敷速率，又不使焊接接頭性能變差的高效焊接技術(shù)�；�本做法是在坡口中預(yù)先鋪放一層金屬粉末(或金屬細(xì)粒、切斷的短焊絲等)，然后進(jìn)行埋弧焊。國(guó)外從60年代末期至今一直在研究、開發(fā)和應(yīng)用這種技術(shù)，已研究了系列合金粉末、焊劑和合金粉末添加裝置，廣泛用于造船、壓力容器、重型機(jī)器、橋梁、建筑和海洋石油平臺(tái)等領(lǐng)域。 

筆者用該技術(shù)焊接了Q235鋼和16MnR鋼，并應(yīng)用于實(shí)際焊接生產(chǎn)。 

1　材料及焊接工藝 

1.1　材料 
母材板厚為18 mm，試板尺寸為300 mm×500 mm，焊絲直徑為4.0 mm，焊劑粒度為8～60目，合金粉末粒度為80～200目�；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1。 

1.2　焊接工藝 

對(duì)接，焊接規(guī)范見(jiàn)表2。焊機(jī)為MZ-1000，DCRP。V型坡口，SAW角度為60°～65°，鈍邊為4 mm；SAW-AMP角度為40°～45°，鈍邊為2 mm。 

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論 

2.1　焊縫化學(xué)成分 

   采用SAW和SAW-AMP技術(shù)焊接的20G、16MnR鋼焊縫化學(xué)成分見(jiàn)表3。結(jié)果表明，用SJ301焊接的焊縫，C、Si和Mn元素增加，P含量與HJ431焊縫相當(dāng)，S含量卻沒(méi)有減少。由于SJ301和HJ431本身的S、P含量對(duì)其焊縫中的S和P含量有相當(dāng)顯著的影響，而不同廠家生產(chǎn)的焊劑S、P含量有很大差別，故可以理解本文的成分分析結(jié)果。SAW-AMP焊縫的S含量與SAW焊縫相當(dāng)，P含量顯著減少，但均低于0.030%，焊縫的成分完全符合GB6654-86的要求。添加合金粉末有利于焊縫脫S和脫P(yáng)。 

2.2　焊縫和HAZ的顯微組織 

   SAW的線能量一般為1.6 kJ/mm，焊接18 mm厚的鋼板需要5～6道焊滿，未經(jīng)再熱的焊縫組織細(xì)小，針狀鐵素體較多，先共析鐵素體少且窄，柱狀晶方向性不明顯，HAZ粗晶區(qū)晶粒尺寸較小。如果采用大線能量，線能量達(dá)到3.6 kJ/mm，18 mm厚的鋼板2道即可焊滿，但是焊縫組織粗大，幾乎無(wú)針狀鐵素體，先共析鐵素體寬，HAZ粗晶區(qū)晶粒尺寸較大，有較多的魏氏組織。 

   用大線能量、SAW-AMP技術(shù)，18 mm厚的鋼板一道就可焊滿，但是，合金粉末的成分對(duì)焊縫抗裂性和組織有顯著影響。合金粉末中Mn、Ti等合金元素含量非常少，其成本較低，但焊接過(guò)程中電弧燃燒不穩(wěn)定，焊道忽寬忽窄，焊縫組織中幾乎沒(méi)有針狀鐵素體，先共析鐵素體連成一片，焊縫與HAZ在熔合區(qū)明顯分開。采用含有較少M(fèi)n、Ti元素的合金粉末焊接，焊縫中針狀鐵素體細(xì)小且多，先共析鐵素體較少，焊縫的柱狀晶不明顯，但是，焊縫成分有偏析，出現(xiàn)裂紋。調(diào)整合金粉末的成分，使之含有適當(dāng)?shù)腗n、Ti等合金元素，獲得AP3和AP5粉末，配用H08A焊絲，分別焊接16MnR和20G，焊縫針狀鐵素體多且細(xì)小，先共析鐵素體變窄且斷續(xù)分布，先共析鐵素體晶粒細(xì)小且量少。結(jié)果表明，在埋弧焊縫中添加適當(dāng)成分的合金粉末，改善了焊縫的微觀組織；HAZ粗晶區(qū)的珠光體增加，魏氏組織減少，HAZ微觀組織并未由于線能量增大而惡化，說(shuō)明SAW-AMP對(duì)線能量適應(yīng)性強(qiáng)。 

2.3　焊接接頭力學(xué)性能 
   按JB4708-92進(jìn)行拉伸和標(biāo)準(zhǔn)Charpy V型缺口試樣沖擊試驗(yàn)。表4的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用SAW-AMP技術(shù)焊接的接頭力學(xué)性能完全滿足要求，其中用SJ301焊劑的接頭力學(xué)性能更好。 

2.4　焊縫和HAZ的晶粒大小及幾何尺寸 

   在埋弧焊坡口中添加合金粉末焊接，母材的熔合比降低，焊接電弧的大部分熱量用來(lái)熔化焊絲和粉末。用定量金相的方法測(cè)量了焊縫組織中先共析鐵素體和HAZ粗晶區(qū)原始奧氏體的晶粒大小。結(jié)果表明，添加合金粉末后，盡管采用了大線能量焊接，焊縫中先共析鐵素體的平均尺寸由50 μm～100 μm減小為20 μm～30 μm，而且添加合金粉末后針狀鐵素體含量明顯增加，先共析鐵素體減少，柱狀晶的方向性減小，添加的合金粉末有利于改善焊縫組織。添加合金粉末并采用大線能量，盡管整個(gè)HAZ及其粗晶區(qū)的寬度有所增加，但對(duì)接頭性能有重要影響的HAZ粗晶區(qū)原始奧氏體的晶粒平均尺寸基本保持為60 μm～80 μm，受線能量的影響并不顯著。添加合金粉末焊縫的熔深增加，深寬比顯著升高。 

2.5　焊接接頭的角變形 

   在焊接前沒(méi)有進(jìn)行反變形，焊接過(guò)程中也沒(méi)有拘束，但從表5看出，用SAW—AMP技術(shù)焊接的試板角變形遠(yuǎn)小于用SAW技術(shù)焊接的同樣板厚的試件。 

2.6　熔敷速率和熔敷系數(shù) 
   焊接熔敷速率與熔敷系數(shù)是標(biāo)志焊接熔敷效率的參數(shù)。SAW-AMP的焊接熔敷速率和熔敷系數(shù)是SAW的近2倍，焊接熔敷效率明顯提高。 

2.7　SAW—AMP技術(shù)能夠采用大線能量的原因 
   添加合金粉末改善了大線能量焊接時(shí)的焊縫組織。如表1所示，SAW-AMP所用的合金粉末中含有較高的Mn、Ti等元素，一方面在焊接熔池中脫去粉末自身帶來(lái)的氧，另一方面參與焊縫的合金化，增加了焊縫合金元素含量，焊縫中針狀鐵素體增多，先共析鐵素體減少，柱狀晶的方向性減小。這與我們對(duì)大線能量手工電弧焊接接頭的研究結(jié)果是一致的。 

   焊縫深寬比顯著提高，熔池單位面積線能量降低，焊縫及HAZ組織晶粒沒(méi)有粗化。在測(cè)量和計(jì)算了單道SAW和SAW-AMP焊縫的熔池周長(zhǎng)和面積之后，計(jì)算得到的單位熔池周長(zhǎng)和面積上的線能量見(jiàn)圖2和圖3。線能量增大，熔池單位周長(zhǎng)上的線能量緩慢升高，但是，熔池單位面積上的線能量反而緩慢下降。焊縫和HAZ的顯微組織除了受合金元素影響外，還受焊接過(guò)程的熱循環(huán)，包括加熱速度、最高溫度、高溫停留時(shí)間、冷卻速度等的影響。采用SAW-AMP技術(shù)時(shí)，雖然表面上焊接線能量顯著增大，輸入熔池的熱量增加，實(shí)際上焊縫深寬比加大，單道焊縫熔池單位面積上的線能量下降，熱量傳導(dǎo)的途徑增多，焊縫和HAZ并未嚴(yán)重過(guò)熱。與SAW相比，添加合金粉末對(duì)熱影響區(qū)800℃～500℃的冷卻時(shí)間沒(méi)有影響，焊縫的高溫停留時(shí)間略有增加。