張忠科，王小龍，王希靖，向 凱

（1.蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730050）

0 前 言

目前國內(nèi)的許多機(jī)械制造企業(yè)對(duì)16Mn鋼小直徑圓管的焊接大都是通過手工焊接的方式來實(shí)現(xiàn)的[1]。但是手工操作具有不穩(wěn)定性，焊接過程中焊池通道容易燒穿或在仰焊位置形成根焊內(nèi)凹，坡口經(jīng)過打磨清理，焊道外觀成型存在超高、過窄、咬肉等缺陷，接頭強(qiáng)度和硬度受到影響，焊后存在著薄厚不均的情況[2]。同時(shí)利用手工焊的工作效率和工件的合格率都較低。

本研究利用TIG管道焊接機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了16Mn鋼小直徑圓管的自動(dòng)化焊接[3-4]，找到了自動(dòng)化焊接的最佳工藝參數(shù)[5-6]。筆者分析了工藝參數(shù)對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響[7-10]，以期能夠應(yīng)用于該行業(yè)中來改善目前的手工焊所帶來的一些問題。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)采用管壁厚度6 mm的16Mn鋼小直徑圓管，尺寸為φ57 mm×6 mm，表1為 16Mn鋼材料化學(xué)成分。

試驗(yàn)所用的焊機(jī)是專門為小直徑圓管焊接設(shè)計(jì)的TIG管道焊接機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)小直徑圓管的自動(dòng)化焊接。焊絲選用φ1.2 mm的H0Cr20Ni10Ti實(shí)芯焊絲，焊前開60°～65°V形坡口，焊接電流90～120 A，填絲速度0.3～0.4 mm/min焊接速度為55 mm/min。

試驗(yàn)按GB 4708—2000的規(guī)定來完成試件的制備，小直徑圓管焊接完成后截取所需試樣并進(jìn)行機(jī)械拋光，然后用硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，腐蝕后分別利用MeF3大型光學(xué)顯微鏡下觀察分析焊接參數(shù)的變化對(duì)焊接接頭組織及晶粒大小的影響。并利用島津AG－10TA程控萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)通過拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)按GB/T 228規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。拉伸試樣尺寸如圖1所示，彎曲試驗(yàn)尺寸見表2。彎曲試驗(yàn)按GB/T 232規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的完好性和塑性。6 mm厚16Mn鋼小直徑圓管焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 16Mn鋼的化學(xué)成分%

圖1 焊接接頭拉伸試樣

表2 彎曲試驗(yàn)尺寸

表3 6 mm厚16Mn鋼小管徑圓管工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接電流對(duì)焊縫組織的影響

圖2～圖4是16Mn低合金鋼在不同電流下的焊接接頭組織金相照片。焊縫金屬熔化焊時(shí)，經(jīng)歷了重新熔化、結(jié)晶凝固和A轉(zhuǎn)變過程，其組織特征呈現(xiàn)出一次結(jié)晶的鑄態(tài)組織粗大樹枝晶狀的特點(diǎn)，在冷卻速度較快情況下，鐵素體從晶界出發(fā)，與基體金屬保持一定位向關(guān)系，向晶內(nèi)生長，構(gòu)成魏氏組織形態(tài)（見圖2（a），圖3 （a）和圖4（a））。在由液態(tài)向固態(tài)過渡的熔合區(qū)內(nèi)，可觀察到鑄態(tài)組織與晶粒粗大的過熱組織混合 （見圖 2（b），圖 2（c），圖 3（b），圖 3 （c），圖 4 （b）和圖4（c）），然而3組焊接試驗(yàn)得到的正火區(qū)晶粒明顯細(xì)小、 均勻（見圖 2 （d），圖 3（d）和圖 4（d））。 分別對(duì)比圖2和圖3的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、過熱區(qū)和正火區(qū)4個(gè)區(qū)域，可見，隨著焊接電流由小到大變化時(shí)，同一特征區(qū)域的晶粒趨于細(xì)化，但是通過對(duì)比圖2、圖3與圖4可以觀察到，焊接電流為120 A和110 A的焊件的熔合區(qū)的鐵素體和珠光體晶粒均比焊接電流為90 A的粗大 （見圖3（b）和4（b）），由于鐵素體晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好，粒狀珠光體的機(jī)械性能較片狀珠光體優(yōu)良；焊接電流為120 A和110 A的焊件的過熱區(qū)組織中出現(xiàn)大塊鐵珠光體晶粒，并且魏氏體組織過多，這是由于在焊速一定的情況下，焊接電流大時(shí)，焊接線能量大，冷卻速度較小，先共析鐵素體以塊狀析出，魏氏組織鐵素體片變厚 （見圖3 （c）和圖4（c）），并且在 120 A 的焊接電流的情況下，焊件的接頭組織有缺陷。由此可以得知，在3種電流中，焊接電流為90 A的焊件的接頭接顯微組織最優(yōu)。

圖2 電流為90 A焊接后的焊接接頭組織

圖3 電流為110 A焊接后焊接接頭組織

2.2 組對(duì)間隙對(duì)接頭組織的影響

先對(duì)不同的組對(duì)間隙焊成的試件的焊接接頭熱影響區(qū)中的組織變化進(jìn)行分析，并且跟鐵－碳相圖作比較。不完全相變區(qū)金相組織形貌如圖5所示，正火區(qū)金相組織形貌如圖6所示。

由圖5可以看出，整個(gè)組織由未發(fā)生轉(zhuǎn)變的鐵素體和經(jīng)部分相變后形成的細(xì)小鐵素體和珠光體組成，結(jié)合鐵－碳相圖可以推斷出，此處的加熱溫度在Ac1～Ac3之間，即 700～900℃。在焊接過程中，當(dāng)溫度超過Ac1時(shí)，珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；溫度進(jìn)一步升高時(shí)，部分鐵素體逐步溶解于奧氏體中，溫度越高，溶解的越多，直至Ac3時(shí)，鐵素體將全部溶解在奧氏體中，焊后冷卻時(shí)又從奧氏體中析出細(xì)小的鐵素體，一直冷卻到Ar1時(shí)，殘余的奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鼋M織－珠光體。由此可以看出，此區(qū)域只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，而始終未熔入奧氏體的鐵素體，在加熱過程中長大，變成較粗大的鐵素體組織，所以該區(qū)域的金屬組織不是均勻的，晶粒也大小不一，一部分是經(jīng)過重結(jié)晶的晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體。由于該區(qū)域組織的不均勻性，決定了機(jī)械性能的各處不同。由于針狀鐵素體的力學(xué)性能較大塊狀和側(cè)板條鐵素體的好，結(jié)合圖5可以得出：組對(duì)間隙為1.0 mm的組織中針狀鐵素體分布較多，其機(jī)械性能也就相對(duì)較好。

圖4 電流為120 A焊接后的焊接接頭組織

圖5 不完全相變區(qū)金相組織形貌

圖6 正火區(qū)金相組織形貌

圖6中的金相組織由均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織構(gòu)成，結(jié)合鐵－碳相圖可以推斷：此處的加熱溫度范圍為Ac3～Tks（Tks為晶粒開始急劇粗化的溫度），即此區(qū)域加熱溫度為Ac3～1 100℃，在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，產(chǎn)生了金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于Ac3，奧氏體晶粒尚未長大，冷卻后將獲得均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火狀態(tài)的母材組織細(xì)小。由圖6可以得知，組對(duì)間隙為1.0 mm時(shí)鐵素體組織更加細(xì)小，力學(xué)性能更加良好。

圖7為過熱區(qū)金相組織形貌，該區(qū)域中較大的針狀鐵素體－魏氏體組織和珠光體組織。結(jié)合鐵－碳相圖可知加熱溫度在Tks～Tm（Tm為熔點(diǎn)）之間，奧氏體晶粒劇烈長大。該區(qū)域的加熱溫度范圍為1 100～1 350℃，由于受熱溫度較高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長大現(xiàn)象，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，故稱為過熱區(qū)。此區(qū)域的塑性和韌性最差，并且導(dǎo)熱條件不是很好，這種情況下形成了部分魏氏體組織。通過對(duì)金相組織的觀察分析發(fā)現(xiàn)，組對(duì)間隙為1.0 mm時(shí)得到的焊縫，其過熱區(qū)的寬度要比組對(duì)間隙1.5 mm的窄，由于過熱區(qū)是焊接熱影響區(qū)中性能最差的區(qū)域，其晶粒粗大，力學(xué)性能較差，塑性下降較大，呈脆性。要想提高焊接接頭的性能，就要盡量獲得較窄的過熱區(qū)，另外，焊接結(jié)構(gòu)失效多發(fā)生在過熱區(qū)，這說明組對(duì)間隙為1.0 mm的焊接接頭比組對(duì)間隙為1.5 mm的焊接接頭在過熱區(qū)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的可能性小，因此間隙為1.0 mm的焊接接頭的性能優(yōu)于組對(duì)間隙為1.5 mm。

圖7 過熱區(qū)金相組織形貌

圖8 熔合區(qū)金相組織形貌

圖8為熔合區(qū)金相組織形貌。該區(qū)域晶粒粗大，組織不太均勻，由很難分辨清的魏氏體組織和珠光體組織構(gòu)成。該區(qū)域?qū)τ诤附咏宇^的強(qiáng)度和塑性都有很大影響，在多數(shù)情況下，該區(qū)域是產(chǎn)生裂紋或局部脆性破壞的發(fā)源地。焊接時(shí)，該區(qū)域的金屬處于局部熔化狀態(tài)，加熱溫度在固液相溫度區(qū)間，在一般的焊接條件下，此區(qū)域有2～3個(gè)晶粒的寬度，即使在顯微鏡下也難以辨認(rèn)。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及分析

圖9為拉伸試樣斷裂照片。從圖9可以看出，兩組焊接參數(shù)下得到的拉伸試件均斷裂于母材，而未在焊縫處斷裂，可見無論組對(duì)間隙是1.0 mm還是1.5 mm，焊接工藝均能達(dá)到生產(chǎn)要求。

在拉伸試驗(yàn)中，組對(duì)間隙為1.0 mm的試樣的抗拉強(qiáng)度為551.5 MPa，延伸率為36%；組對(duì)間隙為1.5 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度為426.5 MPa，延伸率為23%。組對(duì)間隙為1.0 mm的抗拉強(qiáng)度高于組對(duì)間隙為1.5 mm的，并且組對(duì)間隙1.0 mm的拉伸試件的延伸率也比組對(duì)間隙1.5 mm的好。

試樣彎曲到規(guī)定的角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有單條長度大于3 mm的裂紋或者缺陷，試樣的棱角開裂一般不計(jì)，但是由夾渣或其他焊接缺陷引起的棱角開裂長度應(yīng)該計(jì)入在內(nèi)。焊縫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，即在彎曲角度達(dá)到180°時(shí)，均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，并且試樣表面沒有裂紋，這說明在這兩個(gè)參數(shù)下焊縫均具有較好的韌性，均可達(dá)到應(yīng)用所需的要求。

圖9 拉伸試樣斷裂照片

圖10 焊縫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）用TIG管道自動(dòng)焊接機(jī)可以實(shí)現(xiàn)16 Mn鋼小直徑圓管的焊接，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下可以得到整潔美觀，無變形焊接接頭。

（2）16 Mn鋼小管徑薄壁圓管焊接過程中組對(duì)間隙對(duì)接頭塑性影響較大，焊接電流對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。

（3）焊接接頭的熔合區(qū)組織較粗大，隨著焊接電流的增大，熔合區(qū)內(nèi)的條狀鐵素體組織增多，使得接頭性能變差，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

（4）16 Mn鋼小管徑圓管的最優(yōu)工藝參數(shù)：焊接電流為90 A，組對(duì)間隙為1.0 mm。

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