ER70S-6型無(wú)鍍銅焊絲焊接接頭性能及組織

張江楠，張思宇，胡 冰，任 鶴

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869；2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

近年來(lái)，隨著國(guó)家推行“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念，對(duì)于工業(yè)制造行業(yè)而言，環(huán)境的保護(hù)同樣至關(guān)重要。焊接作為生產(chǎn)制造的特殊過(guò)程，通常在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，既不利于環(huán)境保護(hù)又給焊接操作者的職業(yè)健康帶來(lái)較大的影響，同時(shí)，又成為焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的主要污染源。傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊的焊絲，為了增強(qiáng)焊絲的抗腐蝕性，均在焊絲表面鍍一層銅。但在焊接過(guò)程中，由于電弧熱影響，在焊絲上的鍍銅層會(huì)電離成煙塵，成為焊接煙塵中的主要的污染源。而近年來(lái)，無(wú)鍍銅焊絲技術(shù)逐漸成熟，無(wú)鍍銅焊絲通過(guò)特殊的表面處理工藝替代了傳統(tǒng)的鍍銅工藝，焊絲表面不再有鍍銅層，因此在焊接過(guò)程中會(huì)大幅度降低焊接煙塵。為進(jìn)一步改善焊接操作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，本課題以ER70S-6型無(wú)鍍銅焊絲為研究對(duì)象，通過(guò)分析其技術(shù)特點(diǎn)，與鍍銅焊絲進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在保證焊接效率的基礎(chǔ)上，選擇合理的焊接工藝參數(shù)并通過(guò)嚴(yán)格的過(guò)程控制手段[1]，得到符合母材Q345R使用要求的焊接工藝，滿足-29℃低溫工況的使用要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑镼345R，滿足GB713標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。焊接材料為天津金橋公司生產(chǎn)的無(wú)鍍銅焊絲H08Mn2SiA，滿足AWSA5.18ER70S-6標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格ф1.2mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。試驗(yàn)采用熔化極氣體保護(hù)焊，水平位置對(duì)接焊，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

表2 Q345R鋼的力學(xué)性能

2 焊接及熱處理工藝

試驗(yàn)選用的焊接試板尺寸為300mm×300mm×20mm，采用水平位置焊接，兩塊試板采用水平位置對(duì)接后，焊接坡口尺寸為60°，X型，鈍邊2mm，拼裝對(duì)接間隙2mm。焊接時(shí)采用多層多道焊接，具體的試板拼裝形式見(jiàn)圖1。針對(duì)背面焊縫進(jìn)行清根，采用手工修磨根部焊縫，對(duì)打底焊道進(jìn)行液體滲透檢測(cè)（PT），合格后再進(jìn)行背面焊縫的焊接。

圖1 試板焊接坡口及拼裝示意圖

為了驗(yàn)證無(wú)鍍銅焊絲與鍍銅焊絲是否有差異，試驗(yàn)選用了鍍銅焊絲常用的焊接參數(shù)。焊接的線能量為21.6kJ/cm。焊前預(yù)熱溫度80℃，層間溫度200℃。在焊接后為控制和消除殘余應(yīng)力的影響，焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，溫度為（590～610）℃，保溫時(shí)間2～3h。

表4 試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

3 無(wú)鍍銅焊絲使用情況

經(jīng)過(guò)焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用無(wú)鍍銅焊絲焊接的焊縫外觀成型良好。為了對(duì)無(wú)銅焊絲焊接工藝性能做進(jìn)一步研究，選擇了相同廠家、相同牌號(hào)的鍍銅焊絲和無(wú)鍍銅焊絲在相同的焊接工藝下同時(shí)進(jìn)行焊接，對(duì)比觀察焊絲工藝性、熔敷效率、飛濺情況、焊接發(fā)塵量等。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)鍍銅焊絲的焊接操作較鍍銅焊絲無(wú)任何異常，且焊絲焊接過(guò)程中送絲過(guò)渡感覺(jué)更加順暢，熔敷效率更高。焊接飛濺較鍍銅焊絲有所降低。在長(zhǎng)時(shí)間的焊接操作過(guò)程中，無(wú)鍍銅焊絲的發(fā)塵量有明顯減小，短時(shí)間焊接時(shí)發(fā)塵量變化不明顯。

表1 Q345R鋼的化學(xué)成分（w%）

表3 焊絲的化學(xué)成分（w%）

無(wú)鍍銅焊絲取消了鍍銅環(huán)節(jié)，因此不需要焊絲在鍍銅前，表面準(zhǔn)備階段的酸液清洗、堿液清洗環(huán)節(jié)以及鍍銅環(huán)節(jié)和鍍銅后的各種清洗環(huán)節(jié)。生產(chǎn)環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化使無(wú)鍍銅焊絲在水、電、煤等能源的消耗，污水、廢酸、廢堿的排放和處理方面擁有鍍銅焊絲無(wú)法相比的優(yōu)勢(shì)。也正是因?yàn)樯鲜錾a(chǎn)環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化，使無(wú)鍍銅焊絲在危險(xiǎn)、廢物處理成本上有了顯著的下降[1]。并且由于無(wú)鍍銅焊絲表面沒(méi)有銅層，在焊接過(guò)程中沒(méi)有銅煙的產(chǎn)生，這對(duì)焊接操作者健康的傷害也有明顯的降低。據(jù)相關(guān)資料顯示，無(wú)鍍銅焊絲焊接飛濺量小，焊接煙塵小，綜合成本較鍍銅焊絲低[2]。

圖2 ER70S-6無(wú)鍍銅焊絲

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)所選的焊接試板經(jīng)過(guò)X射線檢測(cè)合格，證明無(wú)鍍銅焊絲焊接工藝性良好，焊接時(shí)未產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。依據(jù)ASME IX標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接試板進(jìn)行切割，依據(jù)具體的性能試樣圖紙要求制備力學(xué)性能試樣，通過(guò)拉伸、沖擊、硬度和金相試驗(yàn)論述無(wú)鍍銅焊絲的焊接工藝性能。下面將從力學(xué)性能和微觀組織兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平均抗拉強(qiáng)度為575MPa，斷裂位置在母材，說(shuō)明試驗(yàn)所選擇的焊絲的強(qiáng)度滿足使用要求，且焊接接頭具有較高的強(qiáng)度，焊絲中Mn含量較高，對(duì)焊縫強(qiáng)度的提高帶來(lái)直接的影響。由于考慮極端工作條件，并為了驗(yàn)證無(wú)鍍銅焊絲的力學(xué)性能，本試驗(yàn)選用了超過(guò)Q345R鋼標(biāo)準(zhǔn)使用的工況溫度，-29℃進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證。其中焊接接頭-29℃的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，焊縫中心的平均沖擊功為106J，熱影響區(qū)的平均沖擊功達(dá)到了107J，可見(jiàn)，在試驗(yàn)中所選用的焊接線能量和層間溫度控制情況下，焊接接頭的沖擊性能很好。

無(wú)鍍銅焊絲在焊接過(guò)程中合金元素?zé)龘p更少，更有利于保證焊接接頭的沖擊性能。通過(guò)對(duì)焊接接頭硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫硬度平均值162HBW、熱影響區(qū)硬度平均值188HBW、母材硬度平均值181HBW。焊縫及熱影響區(qū)的硬度比母材稍高，但均滿足NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低合金鋼在酸性環(huán)境下的使用要求。綜合來(lái)看，采用無(wú)鍍銅焊絲焊接的Q345R鋼焊接接頭的力學(xué)性能表現(xiàn)非常好，適用于-29℃工況。

表5 焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

4.2 焊接接頭組織分析

焊接金相試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，分別觀察焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織。圖3（a）（b）分別為ER70S-6型無(wú)鍍銅焊絲焊接的Q345R低合金鋼焊縫和熱影響區(qū)的金相組織。圖3（a）焊縫的組織為鐵素體，組織均勻且細(xì)小，各晶粒間的分布呈大角度狀態(tài)，這與試驗(yàn)范圍選擇的焊接線能量有關(guān)系，適當(dāng)?shù)偷木€能量可以使焊縫組織均勻細(xì)化，從而提高了焊縫的沖擊性能，本試驗(yàn)中的焊接接頭沖擊性能可以滿足-29℃的使用要求。從焊縫金相組織可以看出，試驗(yàn)所選用焊接工藝參數(shù)較為合理，無(wú)鍍銅焊絲焊接時(shí)電弧穩(wěn)定性高，短路過(guò)渡時(shí)間較鍍銅焊絲短[3]，因此有利于焊接時(shí)的控制，進(jìn)而保證焊接質(zhì)量。由圖3（b）可以看出，熱影響區(qū)位置熔合區(qū)以外的正火區(qū)的部位由于受到焊接熱循環(huán)的影響，組織較焊縫更為細(xì)小，這與控制焊接線能量是分不開(kāi)的，試驗(yàn)通過(guò)合理制定各項(xiàng)焊接工藝參數(shù)，保證了組織的均勻性，從而提升了熱影響區(qū)的力學(xué)性能。

圖3 焊接接頭金相組織

5 結(jié)論

（1）Q345R低合金鋼焊接選擇熔化極氣體保護(hù)焊，無(wú)鍍銅H08Mn2SiA焊絲，線能量為21.6kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到575MPa，-29℃焊縫沖擊功平均值達(dá)到106J，熱影響區(qū)沖擊功平均值達(dá)到107J，焊縫硬度162HBW、熱影響區(qū)硬度188HBW，可以滿足Q345R低合金鋼焊接要求。

（2）無(wú)鍍銅焊絲的使用在焊接過(guò)程中，焊縫成型良好，焊縫組織均勻，焊接工藝性良好，長(zhǎng)時(shí)間焊接中發(fā)塵量明顯減小，適合于熔化極氣體保護(hù)焊的焊接。