不同CO2气保焊工艺对Q345钢焊接接头的影响

周培山，谢芋江，杨 昕，敖 攀

(1.西南石油大学应用技术学院，四川南充 637000;2.四川石油天然气建设工程有限公司，四川成都 610213)

0 前言

CO2气体保护焊因其生产效率高、操作简单、成本低、焊接质量好等特点，在汽车制造、船舶制造、金属结构及机械制造等方面得到了广泛的应用［1］。Q345为低合金高强度结构钢，不但具有良好的焊接性和综合力学性能，而且价格低廉［2－4］。针对某气田用Q345结构钢，采用连续和脉冲CO2焊进行了焊接工艺研究。

1 试验

1.1 试验方法及材料

分别采用CO2连续焊和脉冲焊对Q345钢板(δ=4 mm)进行焊接工艺试验，优选 H08Mn2Si(φ1.0)焊丝。

1.2 焊接工艺参数

通过对所用焊丝直径、熔滴过渡方式等因素综合考虑，在多次试验性焊接后，确定本次试验的焊接工艺参数(见表1)，连续焊焊接电流分别为100 A、130 A、160 A，脉冲焊焊接电流为125 A、163 A、200 A，脉冲焊的上升段时间为0.1 s，加载段时间为0.2 s，下降段时间 0.1 s，维弧段时间为 0.3 s。

表1 焊接工艺参数

2 试验结果及分析

2.1 焊缝外观形貌

用粗砂纸将焊好的试样表面杂物打理干净，连续焊和脉冲焊试样外观形貌如图1所示。

图1 焊接试样焊缝外观形貌

可以看出，连续焊和脉冲焊焊接试样均存在不同程度的飞溅，连续焊的焊缝比脉冲焊的焊缝粗大，脉冲焊的焊缝外观形貌更加美观，焊缝成形更好。

2.2 热影响区宽度

在维氏硬度计上，利用旋动距离鼓轮测量目镜视野中图像由熔合区到金属母材的距离来确定焊接接头热影响区的宽度。

热影响区尺寸如图2所示，焊接电流逐渐增大，其他焊接参数相同的情况下，连续焊A1到A3和脉冲焊B1到B3的热影响区尺寸均逐渐增大，且相同焊接参数下脉冲焊焊缝热影响区尺寸小于连续焊焊缝热影响区尺寸。由于脉冲焊时维弧时间相对连续焊时的短，因而焊接时输入的能量相对要少，焊接线能量小，所以焊接热影响区尺寸相对要小些。

图2 热影响区尺寸

2.3 接头金相组织分析

2.3.1 焊缝组织

图3为焊接接头焊缝中心区域显微组织，可以看出，连续焊、脉冲焊焊接接头焊缝组织中均含有晶界铁素体、侧板条状铁素体、珠光体及少量的针状铁素体，且连续焊焊缝晶界铁素体明显多于脉冲焊焊缝，而侧板条铁素体含量较脉冲焊焊缝少。这是由于奥氏体晶界析出晶界铁素体量的多少与焊接热循环的冷却条件有关，连续焊焊缝高温停留时间更长，冷却速度较慢，晶界铁素体析出较多;而脉冲焊热输入更低，高温停留时间短，冷却较快，为侧板条铁素体的形成创造了有利条件［5］。

图4 熔合区显微组织(400×)

图3 焊缝显微组织(400×)

2.3.2 熔合区组织

图4为焊接接头熔合区显微组织，可以看出，脉冲焊熔合区由焊缝向过热区过渡比连续焊更均匀，熔合区两边是焊缝和过热区，它们之间的性能相差特别大，因此熔合区具有明显的组织、性能不均匀性，对焊接接头的性能有较大影响。

2.3.3 热影响区组织

图5为焊接接头热影响区的过热区显微组织，可以看出，连续焊的热影响区有较多的魏氏组织，脉冲焊的热影响区魏氏组织含量较少。连续焊焊接接头过热区受到焊接热循环的影响晶粒相对粗大，且冷却速度较脉冲焊慢，在有利于形成魏氏组织的冷却速度范围内，因此连续焊焊接接头的过热区产生了较多的魏氏组织，使其接头性能较脉冲焊焊接接头差。

图5 热影响区显微组织(400×)

2.4 硬度测试

利用维氏显微硬度计分别测试连续焊和脉冲焊焊接接头各个区域的显微硬度，测试结果如图6所示。

图6 焊接接头显微硬度曲线

可以看出，母材硬度值最低，而两组试样焊接接头的焊缝金属硬度略高于母材或与母材基本相同，在热影响区的粗晶区硬度值最高，但随着与母材的靠近有所下降。因此从硬度方面看，热影响区值最高，其塑性和韧性最差。

连续焊试样的各部分显微硬度值均大于脉冲焊试样的显微硬度值，是由于脉冲焊焊接时使用的是脉冲电流，维弧时间相对连续焊的时间短，因而焊接时输入热量相对较少，焊接线能量小，金属组织在焊接时接收的热量相对少些，焊接后组织受热发生的变化更小。连续焊焊接时线能量相对较高，焊接时输入热量较多，金属组织由于受到高温后冷却，形成了粗大的组织。

3 结论

(1)焊接热影响区尺寸主要受焊接电流的影响。随着焊接电流的增大，焊接热影响区尺寸逐渐增大，且脉冲焊焊接接头热影响区尺寸小于连续焊焊接接头热影响区尺寸。

(2)脉冲焊焊接接头组织较连续焊更为均匀，产生魏氏组织较少。

(3)两种焊接工艺条件下的焊接接头显微硬度峰值均位于过热区，连续焊焊接接头各部位显微硬度略高于脉冲焊焊接接头。

(4)采用脉冲CO2焊焊接Q345钢得到的焊接接头焊缝形状更合理，焊接热影响区尺寸更小，显微硬度更低。

:

［1］ 钟良文.焊接速度对双丝CO2焊的影响研究［J］.电焊机，2010，40(12):31 －35.

［2］ 张中祥.Q345钢在模拟油田采出介质中的腐蚀行为研究［J］.材料保护，2008，40(1):13 －15.

［3］ 方 圆.张宏艳.崔 阳，等.微量B对微Ti处理低合金高强度钢组织性能的影响［J］.热加工工艺，2013，42(14):34－39.

［4］ Bai D Q，Yue S，Maccagno T M，et al.Continuous cooling transformation temperatures determined by compression tests in low carbon bainitic grades［J］.Metallurgical and Materials Transactions，1998(A29):989－1001.

［5］ 崔 琦.Q345DR与ZG20SiMn铸钢焊接接头的微观组织与低温性能［J］.电焊机，2010，40(1):75 －78.