高溫下16Mn鋼雙絲自動埋弧焊接頭性能分析

閆 霞，屈金山，韓志偉，黃 峰

(西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

高溫下16Mn鋼雙絲自動埋弧焊接頭性能分析

閆 霞，屈金山，韓志偉，黃 峰

(西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

以厚20 mm的16Mn鋼為母材，采用雙絲自動埋弧焊工藝，在相同焊接速度和焊接線能量的條件下進行焊接。并在500℃、600℃、700℃進行了高溫拉伸試驗。分別對相應溫度下熱處理后的接頭金屬組織進行分析和硬度測試，研究了高溫下焊接接頭的力學性能。結果表明，高溫拉伸試驗中，隨著溫度升高，接頭金屬的抗拉強度下降，而延伸率和斷面收縮率隨溫度的升高而增加。比較熱處理后與常溫下的焊接接頭金屬組織，發現熱處理后鐵素體組織減少，珠光體組織增多，鐵素體組織的形態發生了變化。焊接接頭金屬硬度隨著熱處理溫度的提高而增加。

埋弧焊工藝；高溫拉伸試驗；拉伸強度；硬度

0 前言

隨著現代工業的發展，對焊件性能的要求也越來越高。16Mn鋼是我國應用最廣的熱軋鋼，主要用于鍋爐制造、高壓容器、橋梁、船舶、車輛、輸油輸氣管道、大型鋼結構等設備。有些零件需要長期在高溫條件下工作，對于制造這類零件的金屬材料，如果僅考慮常溫短時靜載下的力學性能，顯然是不夠的，因為溫度對金屬材料的力學性能影響很大[1]。雙絲埋弧焊是一種先進高效的焊接方法，雙絲的引入減少了焊接道次，焊接生產效率得到顯著提高，通過調節前、后絲的焊接電流，能夠在較寬的范圍內控制焊接線能量的輸入，從而滿足不同使用條件下的性能要求[2]。采用雙絲埋弧焊可節省焊接材料和電能，提高焊接生產效率，且改善了勞動條件，能夠獲得高質量的焊接接頭。因此，研究16Mn鋼高溫下雙絲埋弧焊接頭的性能對我國工業的發展具有重大意義。

在此采用成都華遠電器設備有限公司生產的MZS-1250型通用型雙絲自動埋弧焊設備，在板厚20 mm的16Mn鋼母材上進行了雙絲埋弧焊工藝試驗。金屬的強度、彈性、塑性是金屬性能指標，金屬組織和組織形態也影響工件的性能，這些性能決定了工件工作是否安全以及工件的壽命，因此，通過高溫拉伸試驗和硬度測試分析了雙絲自動埋弧焊焊接接頭的高溫相變和高溫力學性能，為生產實踐提供試驗依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗母材選用厚20 mm的16Mn鋼板，16Mn屬于低合金高強鋼中的熱軋鋼，一般在熱軋狀態下使用，強化機理是沉淀強化和細晶強化。其化學成分和力學性能如表1和表2所示[3]。

表116 Mn鋼的化學成分Tab.1 Chemical constitution of 16Mn %

表216 Mn鋼的力學性能Tab.2 Mechanical property of 16Mn

焊材選用H08MnA，焊絲直徑4 mm，焊劑采用SJ301。由于雙絲埋弧焊時焊接電流超過了1 000 A，若采用熔煉型焊劑，則熔池上部熔化的焊劑呈劇烈的翻騰狀態，焊劑不能很好地覆蓋弧光，熔池保護效果不理想，將出現夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷[4]。采用燒結焊劑SJ301即可避免上述情況的發生。

1.2 試驗條件及方法

焊接時將母材加工成60°帶鈍邊的V型坡口，鈍邊高度8 mm，裝配間隙0～1 mm。采用雙面焊接工藝，第一面施焊時背面采用焊劑襯墊。焊前仔細清理接頭坡口周圍兩側30 mm范圍內的鐵銹、油污、水分等。雙絲埋弧焊時前導焊絲使用直流，后續焊絲使用交流，前后絲間距25～30 mm，焊絲間夾角約10°。雙絲埋弧焊接過程中，前絲和后絲使用的焊接電流共同決定了熱輸入、最終組織形態和接頭性能。前絲和后絲的作用不同，一般前絲的電流較大而電壓較小，影響焊道的熔深；后絲電流較小而電壓較大，可保證一定的熔寬和焊縫成形。具體工藝如表3所示。

表3 雙絲埋弧焊焊接參數Tab.3 Welding procedure parameters of double submerged arc welding

2 結果與分析

2.1 高溫下焊接接頭金屬組織

采用配制的4%硝酸酒精腐蝕劑擦蝕出雙絲埋弧自動焊接頭組織，并采用OLYMPUS-TOKYO型金相顯微鏡觀察焊縫金屬顯微組織。16Mn母材組織在常溫下為大塊狀鐵素體與片狀珠光體組織呈帶狀分布，對于母材組織來說，將其分別加熱到500℃、600℃、700℃，這三個溫度沒有達到A1線，所以相對于常溫下的母材來說，組成相沒有太大變化，仍以鐵素體和珠光體為主。隨著溫度的提高，16Mn鋼中鐵素體減少，珠光體增加。700℃熱處理后的組織分布與前兩個溫度的差異較大，其珠光體顯著增多，鐵素體呈網狀分布，組織晶粒明顯細化。

2.1.1 熱影響區金屬組織

同一焊接工藝條件下接頭熱影響區顯微組織如圖1所示。圖1a為常溫下接頭金屬熱影響區組織，其中過熱區組織為塊狀先共析鐵素體，呈網狀沿原奧氏體晶界分布，鐵素體附近有少量珠光體(黑色)，晶內有針狀鐵素體，個別地區有針狀鐵素體出現，且由晶界向晶內生長；正火區組織為細小鐵素體與珠光體，略呈帶狀組織混雜分布，不完全重結晶區組織為細小塊狀鐵素體與因重結晶而細化的珠光體塊，稍呈帶狀組織分布，個別部位有粗片針狀鐵素體。500℃、600℃時的接頭熱影響區組織與常溫下組織基本一致，鐵素體塊體變小，珠光體稍有增加，且組織較均勻，略呈帶狀分布。由于鐵素體和珠光體交替層狀分布的組織為帶狀組織，使鋼的機械性能產生各向異性，即沿帶狀縱向的強度高，韌性好，橫向的強度低，韌性差，熱處理時容易產生變形，甚至出現熱裂紋[5]。700℃時與前兩種溫度下熱影區組織相比，差別較大，鐵素體塊體變大，且出現粒狀貝氏體，少量粒狀珠光體鑲嵌其中。

2.1.2 焊縫區金屬組織

在上述焊接工藝條件下，不同溫度下雙絲埋弧焊焊縫組織如圖2所示。常溫下埋弧焊焊縫組織均為鐵素體+少量珠光體，珠光體分布于大塊狀鐵素體之間。500℃時焊縫組織與常溫下基本一致，鐵素體呈均勻的小塊狀，少量珠光體分布其間；600℃焊縫組織尺寸較500℃時明顯增大，有側板條鐵素體形成，片狀珠光體鑲嵌其中，表明其強度和硬度提高，因此，焊縫的塑性和沖擊韌性均降低，脆性轉折溫度也升高[5]。700℃焊縫組織形態有了明顯變化，粗大先共析鐵素體呈塊狀，晶內為針狀鐵素體，球狀珠光體鑲嵌于鐵素體中，與圖1d中熱影響區組織相比較，組織呈不均勻性且晶粒度大，說明焊縫塑性及韌性降低，此時焊縫是焊接接頭的薄弱環節。

2.2 焊接接頭的硬度

焊接接頭力學性能的不均勻性及軟化情況可以通過其硬度分布得到反映，硬度與強度有一定的對應關系[6]。因此，焊接接頭的硬度分布情況也反映了接頭各部分強度的大小。采用HVS-1000型顯微硬度計測量焊縫硬度，施加載荷F＝0.98 N，從母材向焊縫中心測試硬度，其中三個區域均勻的測點間距為0.5 mm，硬度值分布曲線如圖3所示。

隨著溫度的變化，與常溫相比，焊接接頭各區域的硬度發生了變化。在500℃時接頭部分區域的硬度值比常溫下小，由于低碳合金鋼中珠光體的轉變溫度約在A1～550℃，組成相沒有變化，經過加熱使組織均勻化，使接頭強度、硬度稍有提高；600℃時的接頭組織中珠光體增多，其硬度與前兩種情況相比有所提高；700℃時焊接接頭金屬因組成相及組織形態發生了很大變化，與前三種情況相比，硬度明顯升高，這說明了提高溫度對焊接接頭的硬度有一定的影響。隨著硬度的升高，強度也隨之升高，但延性和韌性下降。

2.3 焊接接頭的高溫力學性能

分別在500℃、600℃、700℃下對雙絲埋弧焊焊接接頭取樣并進行拉伸試驗。高溫拉伸試驗結果見表4。

表4 高溫拉伸實驗結果Tab.4 The result of the high-temperture tensile test

500℃、600℃時焊接接頭母材的屈服強度平均值分別為251 MPa和171 MPa，抗拉強度平均值分別為380MPa和205MPa，延伸率平均值分別為17%和22%，斷面收縮率平均值分別為41%和45%。表明在高溫狀態下隨著溫度的提高，接頭母材的屈服強度和抗拉強度明顯減小，同時延伸率和斷面收縮率略有增大。在700℃時焊縫金屬的屈服強度(平均值為89 MPa)、抗拉強度(平均值為93 MPa)比以上兩者更??；而其延伸率、斷面收縮率與以上兩者相比顯著增大，表明溫度對焊接接頭的力學性能影響比較顯著。500℃、600℃焊接接頭拉伸斷裂位置發生在母材，焊接接頭屈服強度和抗拉強度大于母材。700℃時斷裂位置發生在焊接接頭，說明焊接接頭的屈服強度和拉伸強度低于母材，隨著溫度的提高抗拉強度降低，但隨著溫度的提高焊接接頭金屬的延伸率和斷面收縮率明顯增大。

3 結論

(1)常溫下埋弧焊焊縫金屬組織為鐵素體和少量珠光體，500℃時組織最為細小，600℃、700℃焊縫組織形態明顯變化，700℃時，焊縫塑性及韌性降低。焊縫區成為焊接接頭最薄弱環節。

(2)高溫下熱影響區金屬組織較均勻，隨著熱處理溫度的提高，組織晶粒越來越粗大。700℃組織的帶狀分布消失。

(3)隨著溫度的提高硬度升高，說明提高溫度對焊接接頭的硬度有一定影響。為保證其使用性能，焊后熱處理溫度不能高于700℃。

(4)在500℃、600℃、700℃的高溫拉伸試驗中，500℃、600℃時斷裂發生在母材金屬上，而700℃時試樣斷裂發生在焊縫區金屬上。

[1]束德林.工程材料力學性能(第一版)[M].北京：機械工業出版社，2003：182-183.

[2]王宗杰.熔焊方法及設備(第一版)[M].北京：機械工業出版社，2006：97-99.

[3]錢在中.焊接技術手冊[M].太原：山西科學技術出版社，2001：495-498.

[4]Wang Y，shi Q，Tsai HL.Modling of the Effects of Surfaceactive Elements on Flow Pattern and Weld Penetration[J].Metallurgical and Materials Transactions B，2001(2)：145-161.

[5]陳平昌，朱六妹，李 贊.材料成型原理(第一版)[M].北京：機械工業出版社，2005：118-123.

[6] Alex.E Javitz.Materials Science and Technology for Design Engineers[S].Hayden Book Company Inc.，1972.

Property analysis of welded joint of 16Mn alloy steel by automatic double wire submerged arc welding process in high temperature

YAN Xia，QU Jin-shan，HAN Zhi-wei，HUANG Feng
(School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The welding of 20 mm thick base metal 16Mn alloy steel is performed at the same welding speed and engery input by using the double wire automatic submerged arc welding process.The high temperature tensile tests of welded joint obtained are conducted at 500℃，600℃ and 700℃，respectively.The microstructure of these welded joints with heat-treatment at the relavant temperature chosen are analyzed，and the hardness of these welded joint metals are measured and studied.The results show that the high temperature tensile strength of these joints is decreased when the temperature is increased，but both the elongation percentage and rate of contraction of crose-section are augmented.The microstructure of the welded joints under high temperature are compared with the microstructure of the welded joint at ambient temperature.The amount of reduced ferrite and increased pearlite microstructure is found，the morphology of ferrite microstructure is changed.As the temperature of heat-treatment rises the hardness of these welded joint metals is increased.

submerged arc welding process；high temperature tensile test；tensile strength；hardness

TG445

B

1001-2303(2010)01-0086-04

2009-03-26

閆 霞(1983—)，女，河南周口人，碩士，主要從事新材料焊接工藝及焊接接頭質量控制方面的研究工作。