一種高效焊接技術(shù)--添加合金粉末埋弧焊

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焊技術(shù)能夠采用大線能量(因為添加的合金粉末改善了焊縫組織，焊縫深寬比顯著提高，而焊縫及HAZ組織晶粒沒有粗化)，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鋼 

在滿足焊接接頭力學性能要求的前提下，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，焊縫化學成分變差，焊縫組織粗化，焊接熱影響區(qū)擴大并且性能變壞。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)。基本做法是在坡口中預先鋪放一層金屬粉末(或金屬細粒、切斷的短焊絲等)，然后進行埋弧焊。國外從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、重型機器、橋梁、建筑和海洋石油平臺等領(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。化學成分見表1。 

1.2焊接工藝 

對接，焊接規(guī)范見表2。焊機為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試驗結(jié)果及討論 

2.1焊縫化學成分 

采用SAW和SAW-AMP技術(shù)焊接的20G、16MnR鋼焊縫化學成分見表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，S含量卻沒有減少。由于SJ301和HJ431本身的S、P含量對其焊縫中的S和P含量有相當顯著的影響，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，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。 

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，但焊接過程中電弧燃燒不穩(wěn)定，焊道忽寬忽窄，焊縫組織中幾乎沒有針狀鐵素體，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Mn、Ti元素的合金粉末焊接，焊縫中針狀鐵素體細小且多，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?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小，先共析鐵素體變窄且斷續(xù)分布，先共析鐵素體晶粒細小且量少。結(jié)果表明，在埋弧焊縫中添加適當成分的合金粉末，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，說明SAW-AMP對線能量適應(yīng)性強。 

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

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熔化焊絲和粉末。用定量金相的方法測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HAZ及其粗晶區(qū)的寬度有所增加，但對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，見圖1。添加合金粉末焊縫的熔深增加，深寬比顯著升高，見表5。 

 

2.5焊接接頭的角變形 

在焊接前沒有進行反變形，焊接過程中也沒有拘束，但從表5看出，用SAW—AMP技術(shù)焊接的試板角變形遠小于用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。 

2.7SAW—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。這與我們對大線能量手工電弧焊接接頭的研究結(jié)果是一致的［4］。