不同CO₂氣保焊工藝對Q345鋼焊接接頭的影響

周培山，謝芋江，楊 昕，敖 攀

(1.西南石油大學應用技術學院，四川南充 637000;2.四川石油天然氣建設工程有限公司，四川成都 610213)

0 前言

CO2氣體保護焊因其生產效率高、操作簡單、成本低、焊接質量好等特點，在汽車制造、船舶制造、金屬結構及機械制造等方面得到了廣泛的應用［1］。Q345為低合金高強度結構鋼，不但具有良好的焊接性和綜合力學性能，而且價格低廉［2－4］。針對某氣田用Q345結構鋼，采用連續(xù)和脈沖CO2焊進行了焊接工藝研究。

1 試驗

1.1 試驗方法及材料

分別采用CO2連續(xù)焊和脈沖焊對Q345鋼板(δ=4 mm)進行焊接工藝試驗，優(yōu)選 H08Mn2Si(φ1.0)焊絲。

1.2 焊接工藝參數(shù)

通過對所用焊絲直徑、熔滴過渡方式等因素綜合考慮，在多次試驗性焊接后，確定本次試驗的焊接工藝參數(shù)(見表1)，連續(xù)焊焊接電流分別為100 A、130 A、160 A，脈沖焊焊接電流為125 A、163 A、200 A，脈沖焊的上升段時間為0.1 s，加載段時間為0.2 s，下降段時間 0.1 s，維弧段時間為 0.3 s。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫外觀形貌

用粗砂紙將焊好的試樣表面雜物打理干凈，連續(xù)焊和脈沖焊試樣外觀形貌如圖1所示。

圖1 焊接試樣焊縫外觀形貌

可以看出，連續(xù)焊和脈沖焊焊接試樣均存在不同程度的飛濺，連續(xù)焊的焊縫比脈沖焊的焊縫粗大，脈沖焊的焊縫外觀形貌更加美觀，焊縫成形更好。

2.2 熱影響區(qū)寬度

在維氏硬度計上，利用旋動距離鼓輪測量目鏡視野中圖像由熔合區(qū)到金屬母材的距離來確定焊接接頭熱影響區(qū)的寬度。

熱影響區(qū)尺寸如圖2所示，焊接電流逐漸增大，其他焊接參數(shù)相同的情況下，連續(xù)焊A1到A3和脈沖焊B1到B3的熱影響區(qū)尺寸均逐漸增大，且相同焊接參數(shù)下脈沖焊焊縫熱影響區(qū)尺寸小于連續(xù)焊焊縫熱影響區(qū)尺寸。由于脈沖焊時維弧時間相對連續(xù)焊時的短，因而焊接時輸入的能量相對要少，焊接線能量小，所以焊接熱影響區(qū)尺寸相對要小些。

圖2 熱影響區(qū)尺寸

2.3 接頭金相組織分析

2.3.1 焊縫組織

圖3為焊接接頭焊縫中心區(qū)域顯微組織，可以看出，連續(xù)焊、脈沖焊焊接接頭焊縫組織中均含有晶界鐵素體、側板條狀鐵素體、珠光體及少量的針狀鐵素體，且連續(xù)焊焊縫晶界鐵素體明顯多于脈沖焊焊縫，而側板條鐵素體含量較脈沖焊焊縫少。這是由于奧氏體晶界析出晶界鐵素體量的多少與焊接熱循環(huán)的冷卻條件有關，連續(xù)焊焊縫高溫停留時間更長，冷卻速度較慢，晶界鐵素體析出較多;而脈沖焊熱輸入更低，高溫停留時間短，冷卻較快，為側板條鐵素體的形成創(chuàng)造了有利條件［5］。

圖4 熔合區(qū)顯微組織(400×)

圖3 焊縫顯微組織(400×)

2.3.2 熔合區(qū)組織

圖4為焊接接頭熔合區(qū)顯微組織，可以看出，脈沖焊熔合區(qū)由焊縫向過熱區(qū)過渡比連續(xù)焊更均勻，熔合區(qū)兩邊是焊縫和過熱區(qū)，它們之間的性能相差特別大，因此熔合區(qū)具有明顯的組織、性能不均勻性，對焊接接頭的性能有較大影響。

2.3.3 熱影響區(qū)組織

圖5為焊接接頭熱影響區(qū)的過熱區(qū)顯微組織，可以看出，連續(xù)焊的熱影響區(qū)有較多的魏氏組織，脈沖焊的熱影響區(qū)魏氏組織含量較少。連續(xù)焊焊接接頭過熱區(qū)受到焊接熱循環(huán)的影響晶粒相對粗大，且冷卻速度較脈沖焊慢，在有利于形成魏氏組織的冷卻速度范圍內，因此連續(xù)焊焊接接頭的過熱區(qū)產生了較多的魏氏組織，使其接頭性能較脈沖焊焊接接頭差。

圖5 熱影響區(qū)顯微組織(400×)

2.4 硬度測試

利用維氏顯微硬度計分別測試連續(xù)焊和脈沖焊焊接接頭各個區(qū)域的顯微硬度，測試結果如圖6所示。

圖6 焊接接頭顯微硬度曲線

可以看出，母材硬度值最低，而兩組試樣焊接接頭的焊縫金屬硬度略高于母材或與母材基本相同，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)硬度值最高，但隨著與母材的靠近有所下降。因此從硬度方面看，熱影響區(qū)值最高，其塑性和韌性最差。

連續(xù)焊試樣的各部分顯微硬度值均大于脈沖焊試樣的顯微硬度值，是由于脈沖焊焊接時使用的是脈沖電流，維弧時間相對連續(xù)焊的時間短，因而焊接時輸入熱量相對較少，焊接線能量小，金屬組織在焊接時接收的熱量相對少些，焊接后組織受熱發(fā)生的變化更小。連續(xù)焊焊接時線能量相對較高，焊接時輸入熱量較多，金屬組織由于受到高溫后冷卻，形成了粗大的組織。

3 結論

(1)焊接熱影響區(qū)尺寸主要受焊接電流的影響。隨著焊接電流的增大，焊接熱影響區(qū)尺寸逐漸增大，且脈沖焊焊接接頭熱影響區(qū)尺寸小于連續(xù)焊焊接接頭熱影響區(qū)尺寸。

(2)脈沖焊焊接接頭組織較連續(xù)焊更為均勻，產生魏氏組織較少。

(3)兩種焊接工藝條件下的焊接接頭顯微硬度峰值均位于過熱區(qū)，連續(xù)焊焊接接頭各部位顯微硬度略高于脈沖焊焊接接頭。

(4)采用脈沖CO2焊焊接Q345鋼得到的焊接接頭焊縫形狀更合理，焊接熱影響區(qū)尺寸更小，顯微硬度更低。

:

［1］ 鐘良文.焊接速度對雙絲CO2焊的影響研究［J］.電焊機，2010，40(12):31 －35.

［2］ 張中祥.Q345鋼在模擬油田采出介質中的腐蝕行為研究［J］.材料保護，2008，40(1):13 －15.

［3］ 方 圓.張宏艷.崔 陽，等.微量B對微Ti處理低合金高強度鋼組織性能的影響［J］.熱加工工藝，2013，42(14):34－39.

［4］ Bai D Q，Yue S，Maccagno T M，et al.Continuous cooling transformation temperatures determined by compression tests in low carbon bainitic grades［J］.Metallurgical and Materials Transactions，1998(A29):989－1001.

［5］ 崔 琦.Q345DR與ZG20SiMn鑄鋼焊接接頭的微觀組織與低溫性能［J］.電焊機，2010，40(1):75 －78.