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 實驗材料及試板準備
試驗母材為正火態(tài)Q345R鋼板，厚度為40mm, 制備焊接試板S1和S2，其化學成分見表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 實驗結果與分析
2.1 焊縫區(qū)化學成分檢測
焊縫區(qū)化學成分按《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，焊縫金屬化學成分檢測結果見表3。
從表3數(shù)據(jù)可看出，S1、S2試板中焊縫金屬化學元素含量相近，通過碳當量公式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成分及碳當量的影響不大。
2.2 焊接接頭力學性能檢測
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》截取標準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的標準沖擊試樣進行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。
各項力學性能實驗結果見表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)狀結構；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 結束語
3.1 隨著埋弧焊焊接電流的增大，焊縫金屬的化學成分、焊接接頭的塑性、硬度、抗拉強度均滿足標準要求，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，在制造時應采用試板S1的焊接電流。
