一种高效焊接技术--添加合金粉末埋弧焊

2016-04-27 13:01:00
sawchina
原创
3707
摘要:采用普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技术,焊接了20G和16MnR钢,结果表明,添加合金粉末埋弧自动焊技术能够采用大线能量(因为添加的合金粉末改善了焊缝组织,焊缝深宽比显著提高,而焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化),焊接工艺性能良好,焊接熔敷速率是传统埋弧焊的2倍,接头角变形明显减小,焊接接头的力学性能满足要求。

采用普通埋弧焊 和添加合金粉末埋弧焊技术,焊接了20G和16MnR钢,结果表明,添加合金粉末埋弧自动焊技术能够采用大线能量(因为添加的合金粉末改善了焊缝组织,焊缝深宽比显著提高,而焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化),焊接工艺 性能良好,焊接熔敷速率是传统埋弧焊的2倍,接头角变形明显减小,焊接接头的力学性能满足要求。 

关键词埋弧焊合金粉末低碳钢低合金高强钢 

在满足焊接接头力学性能要求的前提下,提高熔敷速率可以提高生产率。用常规的埋弧焊(SAW )焊接中厚板结构,如果提高熔敷速率,就要加大焊接线能量,其结果是焊接熔池变大,母材熔化量增加,焊缝化学成分变差,焊缝组织粗化,焊接热影响区扩大并且性能变坏。添加合金粉末的埋弧焊(submerged arc welding with alloyed metal powders,SAW-AMP)是一种能够提高熔敷速率,又不使焊接接头性能变差的高效焊接技术 。基本做法是在坡口中预先铺放一层金属粉末(或金属细粒、切断的短焊丝等),然后进行埋弧焊。国外从60年代末期至今一直在研究、开发和应用这种技术,已研究了系列合金粉末、焊剂和合金粉末添加装置,广泛用于造船、压力容器、重型机器、桥梁、建筑和海洋石油平台等领域。 

笔者用该技术焊接了Q235钢和16MnR钢,并应用于实际焊接生产。 

1材料及焊接工艺 

1.1材料 
母材板厚为18 mm,试板尺寸为300 mm×500 mm,焊丝直径为4.0 mm,焊剂粒度为8~60目,合金粉末粒度为80~200目。化学成分见表1。 

1.2焊接工艺 

对接,焊接规范见表2。焊机为MZ-1000,DCRP。V型坡口,SAW角度为60°~65°,钝边为4 mm;SAW-AMP角度为40°~45°,钝边为2 mm。

2试验结果及讨论 

2.1焊缝化学成分 

采用SAW和SAW-AMP技术焊接的20G、16MnR钢焊缝化学成分见表3。结果表明,用SJ301焊接的焊缝,C、Si和Mn元素增加,P含量与HJ431焊缝相当,S含量却没有减少。由于SJ301和HJ431本身的S、P含量对其焊缝中的S和P含量有相当显著的影响,而不同厂家生产的焊剂S、P含量有很大差别,故可以理解本文的成分分析结果。SAW-AMP焊缝的S含量与SAW焊缝相当,P含量显著减少,但均低于0.030%,焊缝的成分完全符合GB6654-86的要求。添加合金粉末有利于焊缝脱S和脱P。 

2.2焊缝和HAZ的显微组织 

SAW的线能量一般为1.6 kJ/mm,焊接18 mm厚的钢板需要5~6道焊满,未经再热的焊缝组织细小,针状铁素体较多,先共析铁素体少且窄,柱状晶方向性不明显,HAZ粗晶区晶粒尺寸较小。如果采用大线能量,线能量达到3.6 kJ/mm,18 mm厚的钢板2道即可焊满,但是焊缝组织粗大,几乎无针状铁素体,先共析铁素体宽,HAZ粗晶区晶粒尺寸较大,有较多的魏氏组织。 

用大线能量、SAW-AMP技术,18 mm厚的钢板一道就可焊满,但是,合金粉末的成分对焊缝抗裂性和组织有显著影响。合金粉末中Mn、Ti等合金元素含量非常少,其成本较低,但焊接过程中电弧燃烧不稳定,焊道忽宽忽窄,焊缝组织中几乎没有针状铁素体,先共析铁素体连成一片,焊缝与HAZ在熔合区明显分开。采用含有较少Mn、Ti元素的合金粉末焊接,焊缝中针状铁素体细小且多,先共析铁素体较少,焊缝的柱状晶不明显,但是,焊缝成分有偏析,出现裂纹。调整合金粉末的成分,使之含有适当的Mn、Ti等合金元素,获得AP3和AP5粉末,配用H08A焊丝,分别焊接16MnR和20G,焊缝针状铁素体多且细小,先共析铁素体变窄且断续分布,先共析铁素体晶粒细小且量少。结果表明,在埋弧焊缝中添加适当成分的合金粉末,改善了焊缝的微观组织;HAZ粗晶区的珠光体增加,魏氏组织减少,HAZ微观组织并未由于线能量增大而恶化,说明SAW-AMP对线能量适应性强。 

2.3焊接接头力学性能 
按JB4708-92进行拉伸和标准Charpy V型缺口试样冲击试验。表4的试验结果表明,采用SAW-AMP技术焊接的接头力学性能完全满足要求,其中用SJ301焊剂的接头力学性能更好。 

2.4焊缝和HAZ的晶粒大小及几何尺寸 

在埋弧焊坡口中添加合金粉末焊接,母材的熔合比降低,焊接电弧的大部分热量用来熔化焊丝和粉末。用定量金相的方法测量了焊缝组织中先共析铁素体和HAZ粗晶区原始奥氏体的晶粒大小。结果表明,添加合金粉末后,尽管采用了大线能量焊接,焊缝中先共析铁素体的平均尺寸由50 μm~100 μm减小为20 μm~30 μm,而且添加合金粉末后针状铁素体含量明显增加,先共析铁素体减少,柱状晶的方向性减小,添加的合金粉末有利于改善焊缝组织。添加合金粉末并采用大线能量,尽管整个HAZ及其粗晶区的宽度有所增加,但对接头性能有重要影响的HAZ粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸基本保持为60 μm~80 μm,受线能量的影响并不显著,见图1。添加合金粉末焊缝的熔深增加,深宽比显著升高,见表5。 

 
图1焊接线能量与HAZ宽度及其粗晶区宽度的关系

2.5焊接接头的角变形 

在焊接前没有进行反变形,焊接过程中也没有拘束,但从表5看出,用SAW—AMP技术焊接的试板角变形远小于用SAW技术焊接的同样板厚的试件。 

2.6熔敷速率和熔敷系数 
焊接熔敷速率与熔敷系数是标志焊接熔敷效率的参数。SAW-AMP的焊接熔敷速率和熔敷系数是SAW的近2倍,焊接熔敷效率明显提高。 

2.7SAW—AMP技术能够采用大线能量的原因 
添加合金粉末改善了大线能量焊接时的焊缝组织。如表1所示,SAW-AMP所用的合金粉末中含有较高的Mn、Ti等元素,一方面在焊接熔池中脱去粉末自身带来的氧,另一方面参与焊缝的合金化,增加了焊缝合金元素含量,焊缝中针状铁素体增多,先共析铁素体减少,柱状晶的方向性减小。这与我们对大线能量手工电弧焊 接接头的研究结果是一致的[4]。 

 
图2单道焊缝熔池单位周长上的线能量

 
图3单道焊缝熔池单位面积上的线能量


焊缝深宽比显著提高,熔池单位面积线能量降低,焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化。在测量和计算了单道SAW和SAW-AMP焊缝的熔池周长和面积之后,计算得到的单位熔池周长和面积上的线能量见图2和图3。线能量增大,熔池单位周长上的线能量缓慢升高,但是,熔池单位面积上的线能量反而缓慢下降。焊缝和HAZ的显微组织除了受合金元素影响外,还受焊接过程的热循环,包括加热速度、最高温度、高温停留时间、冷却速度等的影响。采用SAW-AMP技术时,虽然表面上焊接线能量显著增大,输入熔池的热量增加,实际上焊缝深宽比加大,单道焊缝熔池单位面积上的线能量下降,热量传导的途径增多,焊缝和HAZ并未严重过热。与SAW相比,添加合金粉末对热影响区800℃~500℃的冷却时间没有影响,焊缝的高温停留时间略有增加。 
(end)

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