張少健 呂奎清 楊宗全
金屬粉芯藥芯焊絲具有生產(chǎn)成本低、焊接效率高、飛濺小、焊接接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),與實(shí)芯焊絲相比具有更高的熔敷速率,與普通藥芯焊絲相比減少了熔渣清理工作,縮短焊接周期,加快生產(chǎn)進(jìn)度,降低了生產(chǎn)成本,可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、管道、汽車等鋼結(jié)構(gòu)的焊接。近年來成為國際上焊材發(fā)展的新趨勢(shì),但是國內(nèi)對(duì)金屬粉芯藥芯焊絲的重視程度尚不夠,因此開發(fā)此類金屬粉芯藥芯焊絲十分必要。
(1)渣系、保護(hù)氣體 普通的鈦型、堿型、鈦-堿型氣體保護(hù)藥芯焊絲均不能確保藥芯焊絲滿足該強(qiáng)度下擴(kuò)散氫含量(不經(jīng)過表面處理水銀法或色譜法≤4mL/100g)的要求。由于金屬粉芯藥芯焊絲與普通藥芯焊絲相比具有熔渣少、抗裂性好、熔敷效率高等特點(diǎn);與實(shí)芯焊絲相比具有飛濺小、成形美觀、成分調(diào)整方便等特點(diǎn),因此采用金屬粉芯渣系。
當(dāng)采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí),因填充粉料幾乎全部為金屬粉,熔滴主要以大顆粒形式過渡,增加了焊接過程中的飛濺、惡化焊縫成形,同時(shí)增加焊后清理工作。而采用金屬粉芯渣系,配合80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù),能夠使該焊絲焊接過程中主要以細(xì)顆粒射流過渡,熔合良好,熔敷效率高,熔渣集聚易于清理,主要適用于平焊及平角焊。使用短路過渡或脈沖電弧方式時(shí),也可以使用在其他位置。
(2)藥芯組分及含量 采用C-Si-Mn合金系進(jìn)行聯(lián)合脫氧,減少焊縫中氧含量,同時(shí)輔以一定的Ti、B細(xì)化晶粒。因焊絲配方中合金成分含量較高,在造渣組分中加入穩(wěn)弧劑,以滿足焊接操作工藝性能要求。其余部分全部為鐵粉,提高焊接熔敷率。通過合理控制各種組分的比例,實(shí)現(xiàn)微合金化,使該金屬粉芯藥芯焊絲具有優(yōu)良的工藝性能和力學(xué)性能。
藥芯組分含量及其影響:Mn是焊縫中重要的脫氧、脫硫、去雜質(zhì)、改善塑性和抗裂性的元素,隨著錳含量增加,焊縫中針狀鐵素體數(shù)量增加,同時(shí)抑制部分先共析鐵素體的生成,細(xì)化焊縫微觀組織,提高低溫沖擊韌性,錳含量太低或太高都將影響焊縫強(qiáng)度和低溫沖擊韌性,最佳為1.2%~1.7%;在此錳含量的前提下,wC<0.12%時(shí)可增加焊縫中針狀鐵素體的比例,細(xì)化熔滴,增大電弧挺度;Si是重要的脫氧劑,可降低焊縫含氧量,提高低溫沖擊韌性,調(diào)節(jié)鐵液流動(dòng)性,硅含量太低或太高都將影響焊縫強(qiáng)度、鐵液流動(dòng)性及低溫沖擊韌性等,最佳為0.2%~0.8%;微量的Ti、B可以改善焊縫金屬低溫韌性;適當(dāng)?shù)姆€(wěn)弧劑可以提高電弧穩(wěn)定性,減少飛濺,穩(wěn)弧劑含量太低或太高都將影響電弧穩(wěn)定性、合金過渡及焊縫成形;焊絲藥芯組分和碳鋼外皮中的S、P、N等雜質(zhì)元素有增加焊縫裂紋、降低焊縫低溫沖擊韌性傾向,必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。藥芯組分及碳鋼外皮中S、P等雜質(zhì)元素在滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的情況下,盡可能控制到最低。
綜合考慮上述各因素,經(jīng)系列試驗(yàn)并參考相關(guān)文獻(xiàn),確定出熔敷金屬的化學(xué)成分(見表1)。
(3)相關(guān)過程的控制 原材料選擇原則:成分穩(wěn)定、純度高、粒度均勻。嚴(yán)格控制硫磷雜質(zhì)的含量,對(duì)生產(chǎn)過程中的粉料分別進(jìn)行烘焙,降低焊絲中擴(kuò)散氫含量。
藥芯組分中可以適當(dāng)增加穩(wěn)弧劑和造渣劑,提高電弧穩(wěn)定性和脫渣性。
制作焊絲使用鋼帶的規(guī)格為1.0mm×10mm,焊絲填充率為15.5%~16.0%,焊絲直徑為1.2mm。
(1)焊接工藝性能 首先,焊接電弧形態(tài)分析。對(duì)研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C采用80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù)平焊位置焊接,焊接參數(shù)如表2所示,圖1是熔滴一個(gè)過渡周期的電弧形態(tài),燃弧時(shí)弧根擴(kuò)展,熔滴的軸向性增強(qiáng),易于獲得軸向噴射過渡方式,此時(shí)電弧穩(wěn)定性好,呈明顯的細(xì)顆粒射流過渡。
其次,焊縫成形分析。圖2是平焊及平角焊焊縫的外觀,由圖可見焊縫成形美觀,焊道飽滿,飛濺小,熔渣少且集聚于焊道中間,易于脫渣、便于清理工作。
最后,熔敷率和熔敷速率。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,焊接效率主要體現(xiàn)在焊接材料的熔敷率和熔敷速率。為了檢測(cè)YCJMX50C焊絲的熔敷率和熔敷速率,本次試驗(yàn)采用80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù),270A/30V焊接參數(shù),進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出,YCJMX50C與實(shí)芯焊絲WH50—6、神鋼同類型金屬粉芯焊絲MX—A100熔敷率相當(dāng),與高速平角焊藥芯焊絲YCJMX50相比有較高的熔敷率;YCJMX50C與實(shí)芯焊絲WH50—6相比有較高的熔敷速率,與高速平角焊藥芯焊絲YCJMX50、MX—A100相比熔敷速率稍低,但差距不大。因此YCJMX50C在富氬氣體保護(hù)下具有較高的熔敷率和熔敷速率,可有效提高焊接生產(chǎn)效率,降低焊接成本。
由上三點(diǎn)可以說明,所設(shè)計(jì)的焊絲具有優(yōu)良的焊接工藝性能。
(2)力學(xué)性能 采用80%Ar+20%CO2氣體保護(hù),采用DH36鋼板(300mm×150mm ×20mm),在平焊位置焊接,焊接參數(shù)如表2所示,力學(xué)性能如表4、表5所示。由表可以看出:金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C抗拉強(qiáng)度556MPa,屈服強(qiáng)度485MPa,具有較大的斷后伸長率28%,在-30℃具有較高的低溫沖擊吸收能量131J,滿足了AWS5.18標(biāo)準(zhǔn)中E70C—6M的相關(guān)要求。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 焊接參數(shù)
圖1 電弧形態(tài)(230A/28V)
圖2 平焊及平角焊焊縫外觀(230A/28V)
表3 4種焊絲熔敷率和熔敷速率的對(duì)比
表4 熔敷金屬力學(xué)性能
(3)化學(xué)成分 焊縫金屬主要化學(xué)成分如表6所示。從表6可以看出,S、P元素含量較低,說明原材料和冶金過程控制的比較合理,有效去除了有害雜質(zhì),提高了焊縫低溫韌性。
(4)焊縫金屬顯微組織 焊縫金屬微觀組織決定焊縫金屬的韌性,焊縫金屬縱截面微觀組織如圖3所示。通過對(duì)焊縫金屬試樣顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn):試樣組織中均勻分布大量細(xì)小的鐵素體和少量珠光體,由于細(xì)小的鐵素體的存在,會(huì)使熔敷金屬強(qiáng)度、韌性有所提高,對(duì)焊縫的力學(xué)性能有利。
(5)剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn) 采用80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù),在280A/30V,根部間距5mm參數(shù)下進(jìn)行背部剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn),試驗(yàn)焊縫在焊后在室溫下放置24h后,進(jìn)行清洗、著色、清洗和顯影,從圖4可以看出,試驗(yàn)焊縫表面未出現(xiàn)明顯紅色滲透劑,說明所設(shè)計(jì)的焊絲具有良好的抗裂紋能力。
(6)T形接頭角焊縫 在室溫下進(jìn)行T形接頭角焊縫試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下:①折斷試驗(yàn):未發(fā)現(xiàn)任何宏觀缺陷,合格。②硬度試驗(yàn):焊縫、熱影響區(qū)、母材和熔合線經(jīng)檢測(cè),最高硬度均小于HV410。
(7)焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫含量 采用水銀法檢測(cè)擴(kuò)散氫含量,檢測(cè)時(shí)采用的參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可看出,試驗(yàn)結(jié)果均小于4.0mL/100g,達(dá)到超低氫水平,因此所研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C具有良好的耐吸潮和抗裂性能。
所研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè),力學(xué)性能穩(wěn)定,滿足AWS5.18標(biāo)準(zhǔn)中E70C—6M的技術(shù)要求,具有良好的綜合性能。
采用金屬粉芯渣系,配合80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù),主要適用于平焊及平角焊。
表5 對(duì)接接頭力學(xué)性能
表6 焊縫金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
圖3 焊縫微觀組織
圖4 剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)
表7 焊接參數(shù)及擴(kuò)散氫含量
焊絲具有良好的焊接工藝適應(yīng)性,主要以細(xì)顆粒射流過渡為主,熔渣少且集聚易于清理。
焊縫金屬在-30℃具有較高的低溫沖擊韌性。焊絲熔敷金屬擴(kuò)散氫能夠達(dá)到超低氫要求,并具有良好的抗裂紋性能。焊縫微觀組織形貌為大量細(xì)小的鐵素體和少量的珠光體組織。
[1]喻萍,尹士科.國外金屬粉芯型焊絲簡介[J].焊接標(biāo)準(zhǔn),2008(2):31-35.
[2]田志凌,潘川,梁東圖.藥芯焊絲[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.
[3]栗卓新,史傳偉,牟淑坤.E71T-1型氣體保護(hù)藥芯焊絲的研究進(jìn)展[J].焊接,2009(12):39-42.
[4]張清輝,吳憲平,洪波.焊接材料研制理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.
[5]栗卓新,等.自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬韌化的機(jī)理[J].焊接學(xué)報(bào),2001,22(4):5-8.
[7]黃治軍,繆凱,胡倫驥.低合金高強(qiáng)鋼焊縫強(qiáng)韌性研究[J].電焊機(jī),2004,34(9):31-34.