CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研究

金属结构车间,金属结构车间是沈阳水泵股份有限公司焊接工艺技术归口单位。设有焊接工艺研究室和焊接工艺技术室，主要负责：全公司新产品、新工艺、新材料工艺研究及科研攻关。重点产品、军工、核电产品的焊接工艺评定。新产品焊接工艺文件编制及焊接标准制定。焊接质量培训及焊接工人技术培训及资格取证等。全公司各车间及分厂焊接技术服务及金属结构车间技术质量归口，数控下料编程。多年来，在公司及总师办的领导下，各部门的支持和配合下，焊接工艺技术工作取得了突出的成绩，为水泵产品的焊接做出了重大贡献！,研究报告,课题名称：CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研究负责单位：金属结构车间课题负责人：王润军、吴天笑起止时间：2005.12005.10,CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研究,一.课题来源二.试验方案论证及确定三.焊接试件检测项目及依据四.试验及检测结果试验五.结果分析及结论,课题来源,近几年来随着机械行业经济迅速发展，我公司产品定货量逐年成倍增长，以手工电弧焊为主已远远满足不了我公司焊接产品生产的需要。采用气体保护焊焊接将大大提高生产效率、降低成本和改善劳动条件，逐步采用气体保护焊取代手工电弧焊势在必行，尤其我公司有相当部分产品为奥氏体不锈钢焊接和碳钢表面堆焊不锈钢焊层。近年来药芯焊丝气体保护焊焊接不锈钢已在我国的造船、汽车、机械制造等行业中逐步得到推广应用并取得了满意的效果，但是这种焊接技术在泵类行业中尚未得到应用。因此我们针对产品技术和质量要求，对药芯焊丝气体保护焊焊接奥氏体不锈钢和碳钢表面堆焊进行焊接工艺研究，意在为产品生产提供可靠的理论依据和合理的焊接工艺，从而使我公司产品质量得到进一步改善，生产效率提高、生产成本降低，为泵类产品的焊接作出更大的贡献。,返回,试验方案论证及确定,本试验研究试验针对我公司奥氏体不锈钢结构件焊接和低碳钢表面堆焊不锈钢所进行的，试验研究参照ASME标准进行。对接焊接试板及堆焊试板的确定焊接材料选择焊接工艺及规范的确定热处理规范选择及确定,对接焊接试板及堆焊试板的确定,按ASME第九卷QW202.2规定对接焊接试板评定厚度的范围应当满足产品所用母材和熔敷焊缝金属的厚度范围。按QW451的规定，试板厚度选用25mm评定结果在550mm内有效，能够满足我公司不锈钢结构件焊接的厚度范围。按其所要作试验试样的数量及尺寸确定试板尺寸为41515025mm。其试板尺寸及坡口型式见图1。并选择6组试板采用两种保护气体和不同的工艺规范进行焊接试验。,对接焊接试板及堆焊试板的确定,按QW214.1、QW453和QW462.5规定的试件尺寸、评定范围、实验和取样的要求，选用的堆焊试板尺寸为25025030mm，评定后母材评定的公称厚度为：25最大厚度不限，能够满足我公司堆焊产品的厚度范围。试件堆焊表面型式及尺寸见图2。试件的化学成份是焊接工艺规程（WPS）的重要变素，为了保证试验与产品的一至性，焊接试件采用与产品相同的化学成份的板材，即对接试板选择为1Cr18Ni9Ti材料，按国家标准（GB4237-84）规定1Cr18Ni9Ti化学成份及力学性能见表1、2。堆焊试板材料为Q235，按国家标准（GB700-79）规定Q235化学成份表3。,图1：,图2,表1、2、3,焊接材料选择,药芯焊丝气体保护焊焊接材料的选择是比较重要的，它包括焊丝和气体，而且焊丝中药芯的成分与保护气体是相对应的。对于对接试板，我们选择同材质的E347T1-1（AWS标准）药芯焊丝，这样焊接时不存在熔合区化学成份稀释和碳迁移问题，热膨胀系数相近，产生的焊接应力比较小，在焊接过程中不会产生裂纹。焊丝化学成份见表4。从目前的标准和资料中可以知道，气体的选用都是按不同的焊丝药芯的分类推荐采用纯CO2气体或Ar-CO2/O2的混合气体。按焊丝标准中的推荐，E347T1-1保护气应采用纯CO2气体。但我们也了解到对于该类别的焊丝有采用混合气体作为保护气的，因此我们为了进行对比试验，在选用气体时还选择了Ar-CO2混合气体。,焊接材料选择,对于Q235堆焊工艺研究我们采用E309LT1-1/-4药芯焊丝，该焊接材料为超低碳、高铬、高镍化学成份，降低了熔合区和过渡层化学成份稀释和碳迁移，从而保证了堆焊层的化学成份和耐腐蚀性能。按E309LT1-1/-4标准推荐，可以选用CO2气体和Ar-CO2混合气体做为保护气体。但考虑我们的实际应用，试验时选用CO2气体做保护气。焊丝化学成份见表5。,表4、5,焊接工艺及规范的确定,1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢。试件焊接时应采用小的线能量，控制层间温度。为选择正确的焊接工艺参数，我们选用了三组不同的参数做试验。为了防止晶间腐蚀及热裂纹的产生，层间温度控制在170以下，采用多层多道焊，在1G水平位置焊接。焊接试验采用直流电源，极性为EN，焊丝规格为1.2mm，具体规范见表6。Q235堆焊工艺研究是采用E309LT1-1/-4药芯焊丝为堆焊材料，试件堆焊时层间温度控制在170以下，采用多层多道焊，在1G水平位置焊接，采用直流电源，极性为EN，焊丝规格为1.2mm，具体规范见表7。,表6、7,热处理规范选择及确定,对于1Cr18Ni9Ti对接焊接工艺研究，按照产品的正常工序，焊后不作热处理，因此试板焊后也不进行热处理。对于Q235堆焊工艺研究，因为产品焊后进行580600消应力退火热处理，因此试板焊后选择与之相同的热处理规范。,焊接试件检测项目及依据,（一）对于1Cr18Ni9Ti对接试板焊接工艺研究1试板坡口面、焊缝着色检验（PT），按QJ/sh51.01进行。2焊缝射线检验（RT），按QJ/sh51.03进行。3试件力学性能试验，按ASME进行。1）弯曲试验：焊接接头采用侧弯试验。2）拉伸试验：焊接接头常温拉伸试验。3）冲击试验：焊缝、母材及热影响区的常温冲击试验。4）硬度试验：焊缝、母材及热影响区硬度试验。4晶间腐蚀试验：焊接接头的晶间腐蚀试验，按GB4334.5-2000进行。5金相检验：焊接接头的宏观及微观金相检验，按GB226-91进行。6化学成份分析：母材和焊缝化学成份分析。,焊接试件检测项目及依据,（二）对于Q235堆焊工艺研究1.试板坡口面、焊缝着色检验（PT），按QJ/sh51.01进行。2.焊缝射线检验（RT），按QJ/sh51.03进行。3.试件力学性能试验，按ASME进行。弯曲试验：焊接接头侧弯试验。4.晶间腐蚀试验：堆焊层晶间腐蚀试验，按GB4334.5-2000进行。5.金相检验：焊接接头宏及微观金相检验，按GB226-91进行。6.化学成份分析：母材及焊缝化学成份分析。7.硫酸铜检验：堆焊层硫酸铜检验，按502ZN83标准进行。,试验及检测结果,经过对采用不同的工艺参数及不同的保护气体的试板进行射线检验及断面检查，发现对接试板采用混合气体作为保护气的对接试板均有大量的条状夹渣，采用纯CO2气体作为保护气的对接试板探伤焊缝X射线检验报告均为级。我们选用2号试板进行力学性能实验。经探伤堆焊试板堆焊层X射线检验均为级，我们也选用了2号试板进行力学性能实验。（一）1Cr18Ni9Ti对接试板的实验结果（二）对于Q235堆焊工艺研究试验结果,1Cr18Ni9Ti对接试板的实验结果,1焊前坡口着色检验合格证书编号：2005-832焊后焊缝着色检验合格证书编号：2005-843焊后焊缝X射线检验报告级证书编号：2005-24力学性能试验结果：1）侧弯试验结果见表8（试验温度20）2）拉伸试验结果见表9（试验温度20）3）冲击试验结果见表10（试验温度20）4）硬度试验结果见表11（试验温度20）,表8侧弯试验结果证书编号：2005-726,表9拉伸试验结果证书编号：2005-726,表10冲击试验结果证书编号：2005-726,表11硬度试验结果证书编号：P2005-726,晶间腐蚀试验见证书编号：P2005-149,按GB4334.52000进行晶间腐蚀检验，检验结果全部通过。金相检验见证书编号：P2005-149金相检验见图3、4、5、6,宏观金相：在焊缝和溶合线未发现气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷,微观金相,母材：奥氏体+铁素体,熔合线：左侧为焊缝金属，右上侧为母材,焊缝：奥氏体+铁素体,化学成份分析见表12证书编号：H2005-125,对于Q235堆焊工艺研究试验结果,1焊前坡口着色检验合格证书编号：2005-432焊后焊缝着色检验合格证书编号：2005-443热处理后焊缝着色检验合格证书编号：2005-854焊后焊缝X射线检验报告级证书编号：2005-55硫酸铜检验合格证书编号：2005-746力学性能试验结果侧向弯曲性能试验结果见表13（试验温度20）7晶间腐蚀试验见证书编号：2005-21按GB4334.52000进行晶间腐蚀检验，检验结果全部通过。8金相检验见证书编号：2005-21,表13证书编号：2005-726,宏观金相：在焊缝和溶合线未发现气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷,微观金相,母材珠光体+铁素体，金相清晰组织正常,熔合线：下部为母材呈魏氏体组织，上部为堆焊层,堆焊层：奥氏体+铁素体,化学成份分析见表14证书编号：H2005-125,试验结果分析,1、从焊接材料选择方面进行分析，选用E347T1-1药芯焊丝，采用CO2气体保护焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢可以得到优质的焊缝，由于是采用了气、渣联合保护，减小了飞溅和气孔顷向，而且焊缝成型美观。选用同种药芯焊丝E347T1-1而采用75%Ar+25%CO2混合气体作为保护气体焊接时，焊后焊缝内存质量不好，夹渣严重。我们初步分析认为：我们选用的E347T1-1药芯焊丝成份属钛型渣系酸性渣，由于该药芯成份改变了纯CO2气体电弧气氛的物理、化学性质，熔滴过渡为细颗粒过渡，使产生熔渣粘度降低，且纯CO2气体对熔池的搅拌强于混合气体，因此采用纯CO2气体保护用利于熔渣和气体浮出。而采用混合气其活性较差，溶池反应没有纯CO2充分，并且采用混合气保护易形成“指状”熔深，这些都将影响熔渣浮出，故可能造成夹渣。至于改变保护气类型对焊接过程及溶池反应的影响及造成夹渣具体原因还有待进一步探索。,试验结果分析,2、对焊接接头和堆焊层的力学性能试验结果分析，对于1Cr18Ni9Ti对接接头，焊缝的抗拉强度和屈服强度、延伸率、弯曲结果，说明焊接接头具有较高的强度和良好的塑性，满足标准要求。试验结果表明焊缝的强度比母材低、冲击值比母材低、硬度高于母材。其主要原因是由于焊后没有进行固溶化处理，焊缝结晶方向性较强，形成TiC沉淀于晶界没有来得及溶入固溶体中，造成焊缝强度比母材低，焊缝的屈强比s/b相对较大，焊缝的冲击值下降而硬度较母略高。对于Q235表面堆焊不锈钢，从堆焊层射线检验、弯曲试验结果来看，堆焊层的溶合很好，堆焊层及过渡层塑性较好，能满足产品的技术要求。,试验结果分析,3、从金相组织和化学成份分析，焊缝及堆焊层未发现有气孔、夹渣、裂纹等缺陷，结晶方向较明显。从微观金相看，母材、焊缝组织均为奥氏体+铁素体，分别大约5%和10%的铁素体均匀分布于奥氏体基体上，组织正常。由于上述两种因素，使焊缝力学性能低于母材。堆焊过渡层熔合线附近母材有魏氏体组织出现，其原因是焊接过程中母材重复受焊接热循环作用局部产生过热形成的。两种焊接接头晶间腐蚀均通过检验，满足奥氏体不锈钢的对腐蚀性能的要求。,试验结论,综上所述，焊接1Cr18Ni9Ti选用E347T1-1药芯焊丝采用纯CO2气体作为保护气体、Q235表面堆焊选用E309LT1-1/-4药芯焊丝采用纯CO2气体作为保护气体所采用焊接工艺规程能够满足我公司产品焊接和堆焊的性能要求。药芯焊丝与保护气体的匹配选用应按标准推荐来选用，否则可能会影响焊接的质量。从奥氏体材料的性能及焊接特点来看，其焊接时具有热裂纹和晶间腐蚀性顷向。奥氏体+铁素体的焊缝组织如果在焊接时在500900长时间受热会有利于相的形成即，同时在堆焊的过渡层附近母材可能会有魏氏