一种高效焊接技术——添加合金粉末埋弧焊
【论文摘要】采用普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技术，焊接了20G和16MnR钢，结果表明，添加合金粉末埋弧自动焊技术能够采用大线能量(因为添加的合金粉末改善了焊缝组织，焊缝深宽比显著提高，而焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化)，焊接工艺性能良好，焊接熔敷速率是传统埋弧焊的2倍，接头角变形明显减小，焊接接头的力学性能满足要求。
在满足焊接接头力学性能要求的前提下，提高熔敷速率可以提高生产率。用常规的埋弧焊（SAW）焊接中厚板结构，如果提高熔敷速率，就要加大焊接线能量，其结果是焊接熔池变大，母材熔化量增加，焊缝化学成分变差，焊缝组织粗化，焊接热影响区扩大并且性能变坏。添加合金粉末的埋弧焊(submerged arc welding with alloyed metal powders，SAW-AMP）是一种能够提高熔敷速率，又不使焊接接头性能变差的高效焊接技术。基本做法是在坡口中预先铺放一层金属粉末(或金属细粒、切断的短焊丝等)，然后进行埋弧焊。国外从60年代末期至今一直在研究、开发和应用这种技术，已研究了系列合金粉末、焊剂和合金粉末添加装置，广泛用于造船、压力容器、重型机器、桥梁、建筑和海洋石油平台等领域。
笔者用该技术焊接了Q235钢和16MnR钢，并应用于实际焊接生产。
1材料及焊接工艺
1.1材料
母材板厚为18 mm，试板尺寸为300 mm×500 mm，焊丝直径为4.0 mm，焊剂粒度为8～60目，合金粉末粒度为80～200目。化学成分见表1。
表1母材、焊丝和合金粉末的化学成分
材料 C Si Mn S P Ti Ni 20G 0.12 0.23 0.55 0.022 0.025 <0.05 <0.1 16MnR 0.15 0.35 1.46 0.024 0.028 <0.05 <0.1 H08A 0.05 0.026 0.36 0.010 0.028 <0.05 <0.1 H10Mn2 0.09 0.026 1.76 0.025 0.020 <0.05 <0.1 AP3 0.22 0.18 3.0～5.5 0.025 0.030 0.5～1.0 0.5～2.0 AP5 0.21 0.26 2.0～3.5 0.023 0.032 0.5～1.0 0.5～2.0对接，焊接规范见表2。焊机为MZ-1000，DCRP。V型坡口，SAW角度为60°～65°，钝边为4 mm；SAW-AMP角度为40°～45°，钝边为2 mm。
表2焊接工艺规范
编号 母材 焊丝 焊剂 粉末 层数 电流(A) 电压
(V) 焊接速度
(mm/min) 线能量
(kJ/mm) 03 20G H08A HJ431 无 5 500～520 30～32 500 1.6～1.7 04 20G H08A SJ301 无 5 500～530 30～32 500 1.6～1.7 53 16MnR H10Mn2 HJ431 无 6 500～520 32 500 1.6～1.7 54 16MnR H10Mn2 SJ301 无 6 500～520 32 500 1.6～1.7 01 20G H08A HJ431 AP5 1 750 38 350 4.2 02 20G H08A SJ301 AP5 1 700 38 350 3.9 51 16MnR H08A HJ431 AP3 1 720 38 350 4.0 52 16MnR H08A SJ301 AP3 1 700 38 350 3.9
2试验结果及讨论
2.1焊缝化学成分
采用SAW和SAW-AMP技术焊接的20G、16MnR钢焊缝化学成分见表3。结果表明，用SJ301焊接的焊缝，C、Si和Mn元素增加，P含量与HJ431焊缝相当，S含量却没有减少。由于SJ301和HJ431本身的S、P含量对其焊缝中的S和P含量有相当显著的影响，而不同厂家生产的焊剂S、P含量有很大差别，故可以理解本文的成分分析结果。SAW-AMP焊缝的S含量与SAW焊缝相当，P含量显著减少，但均低于0.030%，焊缝的成分完全符合GB6654-86的要求。添加合金粉末有利于焊缝脱S和脱P。
单位：%
表3焊缝的化学成分
编号 C Si Mn S P Ti Ni 03 0.06 0.37 1.20 0.015 0.027 <0.05 <0.1 04 0.10 0.60 1.51 0.022 0.027 <0.05 <0.1 53 0.09 0.48 1.85 0.018 0.033 <0.05 <0.1 54 0.13 0.78 2.20 0.026 0.033 <0.05 <0.1 01 0.15 0.32 1.17 0.017 0.023 0.031 0.19 02 0.12 0.45 0.91 0.023 0.024 0.031 0.18 51 0.15 0.45 1.63 0.017 0.027 0.025 0.27 52 0.16 0.60 1.85 0.020 0.029 0.034 0.212.2焊缝和HAZ的显微组织
SAW的线能量一般为1.6 kJ/mm，焊接18 mm厚的钢板需要5～6道焊满，未经再热的焊缝组织细小，针状铁素体较多，先共析铁素体少且窄，柱状晶方向性不明显，HAZ粗晶区晶粒尺寸较小。如果采用大线能量，线能量达到3.6 kJ/mm，18 mm厚的钢板2道即可焊满，但是焊缝组织粗大，几乎无针状铁素体，先共析铁素体宽，HAZ粗晶区晶粒尺寸较大，有较多的魏氏组织。
用大线能量、SAW-AMP技术，18 mm厚的钢板一道就可焊满，但是，合金粉末的成分对焊缝抗裂性和组织有显著影响。合金粉末中Mn、Ti等合金元素含量非常少，其成本较低，但焊接过程中电弧燃烧不稳定，焊道忽宽忽窄，焊缝组织中几乎没有针状铁素体，先共析铁素体连成一片，焊缝与HAZ在熔合区明显分开。采用含有较少Mn、Ti元素的合金粉末焊接，焊缝中针状铁素体细小且多，先共析铁素体较少，焊缝的柱状晶不明显，但是，焊缝成分有偏析，出现裂纹。调整合金粉末的成分，使之含有适当的Mn、Ti等合金元素，获得AP3和AP5粉末，配用H08A焊丝，分别焊接16MnR和20G，焊缝针状铁素体多且细小，先共析铁素体变窄且断续分布，先共析铁素体晶粒细小且量少。结果表明，在埋弧焊缝中添加适当成分的合金粉末，改善了焊缝的微观组织；HAZ粗晶区的珠光体增加，魏氏组织减少，HAZ微观组织并未由于线能量增大而恶化，说明SAW-AMP对线能量适应性强。
2.3焊接接头力学性能
按JB4708-92进行拉伸和标准Charpy V型缺口试样冲击试验。表4的试验结果表明，采用SAW-AMP技术焊接的接头力学性能完全满足要求，其中用SJ301焊剂的接头力学性能更好。
Charpy V型缺口试样冲击韧性
表4焊接接头常温拉伸性能和
编号 屈服强度
(Mpa) 抗拉
强度
(Mpa) 延伸率
(%) 断面
收缩率
(%) 冲击韧性(J) 焊缝 HAZ 03 366 433 22.1 51.3 87 91 04 369 436 19.8 56.4 107 88 53 451 587 20.4 42.8 47 43 54 477 587 16.7 43.0 48 39 01 312 449 25.1 54.2 41 90 02 343 446 24.0 57.2 54 75 51 436 605 18.1 37.6 35 41 52 449 608 15.6 36.5 52 44
2.4焊缝和HAZ的晶粒大小及几何尺寸
在埋弧焊坡口中添加合金粉末焊接，母材的熔合比降低，焊接电弧的大部分热量用来熔化焊丝和粉末。用定量金相的方法测量了焊缝组织中先共析铁素体和HAZ粗晶区原始奥氏体的晶粒大小。结果表明，添加合金粉末后，尽管采用了大线能量焊接，焊缝中先共析铁素体的平均尺寸由50 μm～100 μm减小为20 μm～30 μm，而且添加合金粉末后针状铁素体含量明显增加，先共析铁素体减少，柱状晶的方向性减小，添加的合金粉末有利于改善焊缝组织。添加合金粉末并采用大线能量，尽管整个HAZ及其粗晶区的宽度有所增加，但对接头性能有重要影响的HAZ粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸基本保持为60 μm～80 μm，受线能量的影响并不显著，见图1。添加合金粉末焊缝的熔深增加，深宽比显著升高，见表5。
表5SAW和SAW—AMP的焊缝深宽比、
编号 粉末 线能量(kJ/mm) 熔池
深宽比 熔敷速率
(kg/h) 熔敷系数
(g/A*h) 角变形
(°) 03 无 1.6-1.7 0.58 6.5 12.8 12 04 无 1.6-1.7 0.46 8.1 15.9 13 53 无 1.6-1.7 0.41 5.7 11.2 16 54 无 1.6-1.7 0.39 6.5 14.0 15 01 AP5 4.2 0.63 11.7 15.7 2 02 AP5 3.9 0.71 12.1 17.3 3 51 AP3 4.0 0.65 15.9 22.1 2 52 AP3 3.9 0.61 12.9 18.4 2
图1焊接线能量与HAZ宽度及其粗晶区宽度的关系
2.5焊接接头的角变形
在焊接前没有进行反变形，焊接过程中也没有拘束，但从表5看出，用SAW—AMP技术焊接的试板角变形远小于用SAW技术焊接的同样板厚的试件。
2.6熔敷速率和熔敷系数
焊接熔敷速率与熔敷系数是标志焊接熔敷效率的参数。SAW-AMP的焊接熔敷速率和熔敷系数是SAW的近2倍，焊接熔敷效率明显提高。
2.7SAW—AMP技术能够采用大线能量的原因
添加合金粉末改善了大线能量焊接时的焊缝组织。如表1所示，SAW-AMP所用的合金粉末中含有较高的Mn、Ti等元素，一方面在焊接熔池中脱去粉末自身带来的氧，另一方面参与焊缝的合金化，增加了焊缝合金元素含量，焊缝中针状铁素体增多，先共析铁素体减少，柱状晶的方向性减小。这与我们对大线能量手工电弧焊接接头的研究结果是一致的〔4〕。
焊缝深宽比显著提高，熔池单位面积线能量降低，焊缝及HAZ组织晶粒没有粗化。在测量和计算了单道SAW和SAW-AMP焊缝的熔池周长和面积之后，计算得到的单位熔池周长和面积上的线能量见图2和图3。线能量增大，熔池单位周长上的线能量缓慢升高，但是，熔池单位
图2单道焊缝熔池单位周长上的线能量
图3单道焊缝熔池单位面积上的线能量面积上的线能量反而缓慢下降。焊缝和HAZ的显微组织除了受合金元素影响外，还受焊接过程的热循环，包括加热速度、最高温度、高温停留时间、冷却速度等的影响。采用SAW-AMP技术时，虽然表面上焊接线能量显著增大，输入熔池的热量增加，实际上焊缝深宽比加大，单道焊缝熔池单位面积上的线能量下降，热量传导的途径增多，焊缝和HAZ并未严重过热。与SAW相比，添加合金粉末对热影响区800℃～500℃的冷却时间没有影响，焊缝的高温停留时间略有增加。
单位：%
