焊接工藝對(duì)HS13/5L焊絲熔敷金屬伸長率影響研究

王國佛，賈玉力，劉厚濤，張勝鵬，金喜慶，王慧源

哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

HS13/5L屬于馬氏體不銹鋼焊絲，具有很好的抗疲勞裂紋和抗汽蝕磨損性能，用于0Cr13Ni5Mo同類馬氏體不銹鋼，以及相近的410、410S和405母材的焊接。尤其適合于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪馬氏體不銹鋼的同材質(zhì)焊接及補(bǔ)焊，也適合于同類泵體、閥門的補(bǔ)焊，已大量成熟應(yīng)用于三峽等水電機(jī)組。焊縫塑韌性差、伸長率不穩(wěn)定是HS13/5L焊絲熔敷金屬力學(xué)性能在檢驗(yàn)和使用中存在的問題，也是造成產(chǎn)品焊后開裂的主要原因[1-3]。

HS13/5L通過優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)和冶煉工藝，提高了熔敷金屬塑韌性，尤其是伸長率已達(dá)到10%以上。但是在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有部分爐號(hào)焊絲出現(xiàn)熔敷金屬伸長率偏低，拉伸試樣發(fā)生脆斷的問題。針對(duì)此問題通過對(duì)比試驗(yàn)不同爐號(hào)性能、不同熔敷金屬金相組織和斷口形貌等研究了影響焊縫伸長率的因素。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)焊絲為哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為HS13/5L實(shí)芯焊絲，焊絲爐號(hào)分別為ET5662和WB6028，規(guī)格均為φ1.2mm，用推薦的Ar+5%CO2保護(hù)氣體及焊接參數(shù)焊制熔敷金屬試件，焊接參數(shù)見表1，對(duì)應(yīng)熔敷金屬化學(xué)成分見表2。利用光學(xué)金相顯微鏡、掃描電鏡等分析方法，對(duì)熔敷金屬的組織、拉伸斷口形貌等進(jìn)行了對(duì)比研究，探索影響熔敷金屬伸長率的因素。

表1 焊接參數(shù)

表2 試驗(yàn)焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）熔敷金屬力學(xué)性能 兩種焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表3，WB6028爐號(hào)伸長率偏低，發(fā)生無縮頸脆斷。兩種材料冶煉及制備工藝無區(qū)別，熔敷金屬成分也無明顯波動(dòng)。

（2）掃描斷口分析 利用掃描電鏡觀察了2個(gè)爐號(hào)熔敷金屬拉伸試樣斷口，其結(jié)果如圖1～圖4所示。其中ET5662爐號(hào)熔敷金屬拉伸斷口形貌均為均勻小的韌窩。WB6028爐號(hào)熔敷金屬拉伸斷口在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的斷口形貌，起裂區(qū)斷口表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂，韌窩尺寸不均勻；擴(kuò)展區(qū)形貌如圖3所示，斷裂方式由韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂過渡。瞬斷區(qū)斷口形貌為明顯的脆性斷裂（見圖4），斷口呈冰糖狀形貌，且在其斷口可以清晰地看到沿柱狀晶斷裂的平滑大平面。

表3 試驗(yàn)焊絲熔敷金屬室溫力學(xué)性能

圖1 ET5662 拉伸斷口形貌（1000×）

圖2 WB6028拉伸斷口起裂區(qū)形貌（1000×）

圖3 WB6028 拉伸斷口擴(kuò)展區(qū)形貌（1000×）

圖4 WB6028 拉伸斷口瞬斷區(qū)形貌（300×）

圖5 ET5662焊縫組織

圖6 WB6028焊縫組織

（3）金相組織分析 分別在拉伸試樣上截取金相試樣，使用金相顯微鏡在500倍的條件下對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5和圖6所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)2個(gè)試樣的組織類型相同，均為板條馬氏體，馬氏體的尺寸相差不大，通過對(duì)2個(gè)試樣比較發(fā)現(xiàn)，ET5662的焊道比較窄，重?zé)釁^(qū)多，等軸晶多，柱狀晶少，柱狀晶區(qū)域大約占整個(gè)試樣的60%；WB6028的焊道比較寬，重?zé)釁^(qū)少，等軸晶少，柱狀晶多，柱狀晶區(qū)域占整個(gè)試樣的70%以上。

在50倍金相試樣上觀察發(fā)現(xiàn)，2個(gè)試樣整個(gè)試樣截面上在焊道層間部位交界處有部分是等軸晶，其他部位均為柱狀晶。由2個(gè)試樣的粗晶照片可以明顯地看出焊接過程中焊道分布，其中WB6028試樣蓋面焊道較厚，即熔深較大。

由金相分析結(jié)果可知，焊縫伸長率高時(shí)熔敷金屬柱狀晶比例略高；由掃描斷口分析結(jié)果可知，焊縫伸長率低，熔敷金屬斷口形貌為明顯的脆性斷裂斷口，有沿柱狀晶方向開裂的大平面。由宏觀金相可知，塑性好的拉伸試樣取樣涉及4層熔敷金屬，塑性差的拉伸試樣取樣涉及3層熔敷金屬。塑性差的拉伸試樣表層焊道所占面積較大，接近一半。表層焊道熔敷金屬晶粒粗大，同時(shí)改變柱狀晶和等軸晶的比例，柱狀晶比例增多。由此分析，塑性下降的主要原因是拉伸試樣熔敷金屬中表層焊道所占比例較大，柱狀晶比例大。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)論，選擇伸長率低的WB6028焊絲減小擺動(dòng)幅度進(jìn)行焊接，測(cè)試其焊縫性能，并與上述正常焊接參數(shù)熔敷金屬性能對(duì)比。熔敷金屬焊接參數(shù)見表4，拉伸試樣出現(xiàn)縮頸。此結(jié)果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長率低的主要原因的結(jié)論正確。

在多層多道焊接過程中，后續(xù)焊道對(duì)前道次焊道有回火作用。對(duì)于此HS13/5L材料回火會(huì)促使部分馬氏體分解轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儕W氏體，從而增加熔敷金屬的塑韌性。蓋面時(shí)焊道擺寬大，熔深大，減少熔敷金屬拉伸試樣焊接道次會(huì)導(dǎo)致熔敷金屬拉伸試樣中經(jīng)過回火處理的焊道比例降低，因此會(huì)出現(xiàn)塑性偏低現(xiàn)象[4-6]。

表4 小擺動(dòng)焊接參數(shù)

表5 小擺動(dòng)焊接參數(shù)熔敷金屬力學(xué)性能

焊接電流和電壓與之前試驗(yàn)相當(dāng)；試驗(yàn)結(jié)果見表5。WB6028焊絲采用小擺動(dòng)焊接后熔敷金屬伸長率達(dá)到了10%以上，有明顯提高，強(qiáng)度等性能無明顯變化，拉伸試樣出現(xiàn)縮頸。此結(jié)果表明，上述分析蓋面焊道柱狀晶比例大是造成焊縫拉伸試樣伸長率低的主要原因的結(jié)論正確。

5 結(jié)束語

1）HS13/5L焊絲熔敷金屬焊縫伸長率偏低，拉伸發(fā)生脆斷是由于焊道擺動(dòng)寬度大、熔敷金屬柱狀晶比例大、自回火組織比例少。

2）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：減小擺動(dòng)幅度后，焊縫熔敷金屬伸長率提高10%以上，分析原因正確，采用措施有效。

3）為避免焊縫熔敷金屬塑性性能不穩(wěn)定，在焊接過程中，應(yīng)控制每道的擺動(dòng)寬度和熱輸入，必要時(shí)蓋面多焊1層作為工藝焊道，保證焊縫熔敷金屬塑性性能優(yōu)異。