超窄间隙熔化极混合气体保护自动焊接高强钢

超窄间隙熔化极混合气体保护自动焊接高强钢

0极混合气体保护自动焊接热输入低合金高强度钢是近年来发展最快的钢铁材料之一。由于其良好的性能和显著的经济效益，它被广泛应用于桥梁、汽车、船舶、压力容器、石油管道、海上钻井平台、军事产品等的强度超过1000mpa。随着钢种强度级别的提高,热影响区的性能也越来越重要,它直接决定着焊接接头可否作为可靠的焊接结构来使用。低合金高强钢的焊接热影响区往往会产生不同程度的软化或失强,这将严重影响该部位作为焊接结构的力学性能和承载能力。本研究采用武汉卓创智能设备有限公司研发的超窄间隙熔化极混合气体保护自动焊接技术,通过控制焊接热输入,在不同热输入条件下对NK-HITEN610U2施焊。力求找到可获得宽度较窄的热影响区,性能较为优异的焊接接头的焊接热输入范围。1试验材料及试件结构试验选用的NK-HITEN610U2钢是日本JFE钢铁集团开发的一种典型低合金调质高强钢,目前已广泛应用压力及化工容器的制造,如我国三峡工程中的引水压力钢管,蜗壳及扬子石化公司储运厂的丙烯球罐的制造都选用了这种钢,其化学成分和机械性能分别见表1和表2。供货状态为调质处理后获得的索氏体和铁素体组织。试验采用超窄间隙熔化极混合气体φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保护焊工艺,焊前不预热,采用多种不同的焊接热输入实施焊接。填充金属为ER50-6焊丝,直径为1.2mm,其化学成分和力学分别见表3和表4。根据焊接热输入的不同,如表5所示,其中2、3组热输入值代表了超窄间隙熔化极保护焊接常用的热输入范围,4、5组热输入低于埋弧焊接常用的热输入值。试件分为5组,试件尺寸为110mm×65mm×51mm,分别开槽作为焊接坡口,如图1所示。试件1号,槽宽B=6mm;试件2号和3号,槽宽B=8mm;试件4号和5号,槽宽B=10mm。焊后切割试件,用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀以观察微观组织并测定微区硬度值。腐蚀后的表面由光学显微镜进行观察,断面微观情况由扫描电镜来观察。2试验结果与分析2.1热输入的影响5组焊接接头试样横截面的宏观形貌如图2所示,因金相观察所需,厚度方向切去了25mm。在深度为8mm处分别测量各组试样的热影响区宽度,结果如图3所示,随着焊接热输入的增大,焊接热影响区相应呈增宽趋势。在超窄间隙普遍采用的热输入下,焊接热影响区的宽度仅为1.2~2.1mm,而当热输入提高到22kJ/cm时,热影响区宽度则增加到3mm。熔焊时,由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量可由式(1)进行计算:式中E为热输入量(单位:kJ/cm);U为电压(单位:V);I为电流(单位:A);vw为焊接速度(单位:cm/s);η(效率)的取值取决于所采用的焊接工艺。此次试验所设计的5组热输入值,随着热输入的增大,焊接速度逐步减小。在1、2、3组热输入范围内,焊接速度在7.74~3.32mm/s之间,在4、5组热输入下,焊接速度低于3mm/s。在超窄间隙焊接状态下,焊接热源直径较传统小,能量更为集中;板厚较大,焊接熔池可视为三维散热;再加上焊接速度比传统方法快得多,这些因素使得在超窄间隙方法下,有效提高了熔池的冷却速率,减小了相变温度以上焊接热循环的作用范围和停留时间,因此焊接热影响区的宽度更窄。上述试验是在体积尺寸较小的试样上完成的,在实际生产中焊接构件体积尺寸更大的情况下,热影响区的宽度可能更窄。更窄的焊接热影响区,十分有利于提高就焊接接头的承载能力。2.2热影响区土壤热-热相互作用由于焊接热循环的作用,热影响区的组织成分是最不均匀的。其中,熔合区和过热区容易出现晶粒粗化,是性能最薄弱的区域。随着焊接热输入的提高,熔合区附近除晶粒长大外,晶粒长大的范围也有所扩大。1、3、5组试样热影响区过热区金相图如图4所示。当热输入为6kJ/cm时,热影响区过热区组织特征为:晶界有少量先共析铁素体及向晶内平行生长的无碳贝氏体。晶内主要是珠光体类转变,晶内有珠光体和针状铁素体,还有少量粒状贝氏体。随着热输入的增大,晶粒长大趋势较为明显,组织也越来越粗大。当热输入为14kJ/cm时,热影响区过热区以贝氏体类转变组织为主。晶界的先共析铁素体较第1组试样减少。晶内为珠光体和少量粒状贝氏体,针状铁素体较第1组试样大为减少,粒状贝氏体增多。当热输入为22kJ/cm时,晶粒进一步长大。少量无碳贝氏体向晶内生长。晶内为珠光体和粒状贝氏体,碳化物分布过于弥散,细小的颗粒状夹杂物逐渐减少。图5为1、3、5组试样热影响区过热区SEM形貌。图5a左侧可明显看出珠光体类型特征,和图4a所得出的结果一致。同样,图5b、图5c中可见部分珠光体类型特征,伴有贝氏体类型组织特征。2.3热影响区的硬度对不同焊接热输入条件下获得的焊接接头进行了微区硬度的测试,结果如图6所示。可以看出,热影响区的最高硬度均出现在过热区,但最高硬度值不高于270HV,仅比母材的平均硬度高出12%,这说明过热区未产生硬度较高韧性较差的高碳马氏体组织。热影响区的最低硬度出现在不完全正火区,不完全正火区因为部分正火的组织晶粒细小,而部分未正火组织晶粒较正火组织稍大,所以硬度值会有上下浮动。但最低硬度值均在210HV左右,仅比母材平均硬度低10%。综上所述,针对NK-HITEN610U2低合金高强,试验条件下采用超窄间隙MAG焊工艺技术,其焊接热影响区的脆化和软化现象均不明显。3焊接热输入的影响(1)随着焊接热输入的增加,热影响区的宽度从1.2mm增加到了3.0mm。采用超窄间隙熔化极气体保护焊其较低的热输入可有效地减小热影响区的宽度,这为低合金高强钢用于