本文通過埋弧焊在不同焊接電流下，對40mm厚Q345R低合金鋼焊接接頭力學(xué)性能和金相組織的研究分析，發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流的增大，焊縫金屬晶粒有增大傾向，其屈服強度進一步降低，熱影響區(qū)有魏氏體組織生成。魏氏體易造成焊接接頭的使用性能下降，使壓力容器產(chǎn)品安全性能降低。因此，對于高壓容器的焊接，禁用增大焊接電流的工藝來提高生產(chǎn)效率。
前 言
埋弧焊是目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的焊接方法, 由于其焊縫成形美觀、焊接效率較高、節(jié)約焊接材料、勞動強度低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于鍋爐壓力容器生產(chǎn)制造行業(yè)[1-2]。但在實際生產(chǎn)過程中，許多單位往往通過增大埋弧焊焊接電流來提高生產(chǎn)效率。為此本文通過埋弧焊在不同焊接電流下對Q345R 鋼焊接接頭力學(xué)性能及組織的影響分析，來說明焊接電流對對壓力容器焊接接頭安全性的影響。
1 實驗材料及試板準(zhǔn)備
試驗?zāi)覆臑檎饝B(tài)Q345R鋼板，厚度為40mm, 制備焊接試板S1和S2，其化學(xué)成分見表1；顯微組織為珠光體（P）+鐵素體（F），見圖1。
實驗采用的坡口型式為V形，見圖2。埋 弧 焊焊絲為EM13K（Φ4.0mm），焊劑為CHF101， 試板S1焊接電流為550~600A，試板S2焊接電流為650~700A，具體焊接工藝參數(shù)見表2。
反面采用碳弧氣刨清根，清除未焊透等焊接缺陷，使用打磨機磨掉刨槽內(nèi)外的滲碳及氧化層。焊后熱處理工藝為（610±10）℃×4hr， 裝爐溫度≤400℃，升降溫速度≤55℃/hr，試板隨爐冷至400℃以下出爐空冷。
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 焊縫區(qū)化學(xué)成分檢測
焊縫區(qū)化學(xué)成分按《GB/T4336-2002碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜法分析方法》進行，焊縫金屬化學(xué)成分檢測結(jié)果見表3。
從表3數(shù)據(jù)可看出，S1、S2試板中焊縫金屬化學(xué)元素含量相近，通過碳當(dāng)量公式Ceq=C+Mn/6 +（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15計算知，S1、S2 試板焊縫金屬的碳當(dāng)量也相近。一般低合金鋼焊縫金屬拉伸強度及沖擊韌性要受碳當(dāng)量的影響[3]，但在本實驗中增大埋弧焊電流對焊縫金屬化學(xué)成分及碳當(dāng)量的影響不大。
2.2 焊接接頭力學(xué)性能檢測
在試板垂直和平行于焊縫方向按《GB/T228 -2010金屬材料拉伸試驗方法》截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進行常溫拉伸；按照《GB/T229-2007金屬材料夏比沖擊擺錘試驗方法》在焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)，截取10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進行0℃、-10℃、-20℃、-30℃沖擊實驗；在試板垂直于焊縫方向按《GB/T2653-2008 焊接接頭彎曲試驗方法》截取側(cè)彎試樣進行常溫彎曲實驗；按照《GB/4340-20091金屬材料維氏硬度試驗》對焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)進行硬度檢測。
各項力學(xué)性能實驗結(jié)果見表4，接頭拉伸均斷于母材；沖擊功在不同實驗溫度下的變化趨勢見圖3。
表4實驗結(jié)果說明：試板S1、S2焊接接頭的塑性滿足實驗要求；熱影響區(qū)及焊縫的硬度檢測結(jié)果幾乎接近；隨著焊接電流的增大，焊接接頭及焊縫金屬的抗拉強度基本一致，但屈服強度下降較多。
從圖3看出：隨著實驗溫度的降低，試板S1 和S2焊縫及熱影響區(qū)沖擊功呈下降趨勢；當(dāng)焊接電流較大時，熱影響區(qū)沖擊功在低于-10℃時下降明顯，說明大電流對熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性有較大影響。
綜上分析，增大埋弧焊焊接電流對焊接接頭的塑形、硬度、抗拉強度影響不大，但對焊接接頭的屈服強度及熱影響區(qū)低溫沖擊韌性影響較大。
2.3 焊接接頭金相組織分析
按照《GB/T13298-1991金屬顯微組織檢驗方法》對焊接接頭進行微觀金相分析，焊縫區(qū)顯微組織如圖4所示，其中圖4a、4b所示兩試件的焊縫組織均為索氏體（S）+鐵素體（F），但S1焊縫組織的鐵素體為網(wǎng)狀鐵素體，S2焊縫組織的鐵素體為塊狀鐵素體，這是因為S1的焊接電流較小、熱輸入量少、冷卻速度快、高溫停留時間短，鐵素體沿晶界析出形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而S2的焊接電流較大、熱輸入量大、冷卻速度慢、高溫停留時間長，鐵素體沿晶界析出形成塊狀鐵素體，塊狀鐵素體易發(fā)生脆性斷裂，則焊接接頭韌性降低。另外，S1、S2焊縫區(qū)金相組織的奧氏體晶粒度分別為5.9、5.5，說明S1焊縫的晶粒尺寸略小于S2，證明S2高溫停留時間長，金屬晶粒較大。
以上分析說明，埋弧焊焊接電流增大，則熱輸入量增加，焊縫金屬的晶粒尺寸長大，沖擊韌性降低。
圖5為熱影響區(qū)顯微金相組織，由圖5a、5b 對比可知，試件S1熱影響區(qū)組織為珠光體（P） +鐵素體（F），試件S2熱影響區(qū)組織為珠光體（P）+鐵素體（F）+少量的魏氏體（W）。這是由于S2焊接電流較大，熱輸入量增多，熱影響區(qū)過熱奧氏體晶粒長大嚴重，使析出的網(wǎng)狀鐵素體中生長出相互平行的針狀鐵素體，然后富碳的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，即形成魏氏體組織[4]。魏氏體是一種淬硬性組織，易使焊接熱影響區(qū)性能指標(biāo)下降，尤其是塑韌性顯著降低，容易引起脆性斷裂，這也是圖5b中S2試件熱影響區(qū)低溫沖擊功在低于-10℃時顯著下降的重要原因。
3 結(jié)束語
3.1 隨著埋弧焊焊接電流的增大，焊縫金屬的化學(xué)成分、焊接接頭的塑性、硬度、抗拉強度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但焊縫金屬的屈服強度及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性有所降低；
3.2 埋弧焊電流的增大，熱輸入量也增加，易使焊縫金屬晶粒長大，且熱影響區(qū)中出現(xiàn)魏氏體組織，可造成焊接接頭使用性能下降；
3.3 試板S1的焊接接頭的各項力學(xué)性能優(yōu)于試板S2，對于工作條件要求較高（如高壓、低溫環(huán)境下）的壓力容器，在制造時應(yīng)采用試板S1的焊接電流。
