焊接工艺对焊缝金属柱状晶形态的影响研究

涂治略

摘要：本文通过对主梁对接接头试样进行金相组织分析、显微形貌观察，借助能谱仪进行成分分析，分析不同焊接工艺状态下，焊接接头各区域所发生的变化。通过对显微组织进行深入的分析，定性地把握焊接工艺对其所带来的影响，推断接头性能变化。通过焊接工艺改进，减少或消除实际生产中缺陷的发生，为获得高质量的焊接接头提供保障。

关键词：焊接工艺；显微组织；焊接缺陷

中图分类号：P755.1 文献标识码：A

随着生产力的发展，起重机作为重要的运输设备，在各个领域的应用越来越普及。为了能够进一步提高起重机在实际生产应用中的安全性，对起重机的重要部件--主梁的焊接工艺进行研究十分有意义。

对于低碳钢的焊接，其焊缝组织为一次凝固组织经二次相变而形成的。一次结晶组织是熔化液体金属经形核和长大完成结晶时的高温组织形态。熔化金属的结晶直接影响焊缝金属的组织，对焊缝性能起重要作用，焊接过程中许多缺陷，如：气孔、夹杂、偏析，尤其是裂纹等，也都是在熔化结晶过程中产生的，因而，焊缝金属的结晶形态及一次组织对控制焊接质量具有十分重要意义。

1试验

1.1试验材料及设备

试验所用的母材为Q235B。分别采用CO2半自动焊接和电弧焊焊接工艺进行焊接。其中，CO2气体保护焊所用焊丝为TWE-711，直径为1.2。熔敷金属的化学成分见表1-1。

表1-1 熔敷金属的化学成分

元素 C Mn Si S P

质量分数ω% 0.036 1.40 0.52 0.011 0.013

设备名称为CL500气保焊机。

手工电弧焊所用焊接材料为J507焊条， 熔敷金属的化学成分见表1-2。

表1-2J507焊条熔敷金属的化学成分

化学成分 C Mn Si S P Ni Mo Cr V

熔敷金属ω% 0.08 1.10 0.45 0.020 0.020 0.15 0.15 0.10 0.05

设备名称为500交流焊机。

1.2 焊接工艺

在CO2气体保护时采用的焊接工艺参数见表1-3。

表1-3 CO2气体保护焊焊接工艺参数

焊丝 焊接方法 电流 电压 焊接速度 送气速度

TWE-711 手工焊 200～260A 36V 0.35m/min 15～20L/min

手工电弧焊接试验参数见表1-4。

表1-4 手工电弧焊接试验参数

焊条 焊接方法 电流 电压 焊接速度

J507 手工焊 210A 21V 140mm/min

J507 手工焊 150A 21V 170mm/min

焊后经X射线探伤，将产生焊接缺陷的部位用线切割方法取出，用于微观分析。另外，从表1-4中两组试验数据所对应的试样中分别取出四块，标号依次为：1、2、3、4与5、6、7、8，并对其进行金相显微分析。

2试验结果及分析

由图可明显的观察到焊缝中典型的柱状晶组织。由于焊接方法、焊接线能量等工艺参数的不同，使得焊缝中显微组织形貌呈现出许多差异。在图1-1中，柱状晶十分明显，且非常粗大，这是由于焊缝中的液态金属在凝固过程中在固液界面前沿的液态金属中存在较大的成分过冷，又由于柱状晶的生长方向与液态金属凝固时的散热方向一致性较强，从而促进了柱状晶的生长，在金相照片中可看到方向性很强的粗大的柱状晶。图1-4为手弧焊焊缝的金相显微照片，可以看出，照片中的柱状晶具有一定的方向性，但不如图1-1中的柱状晶明显粗大，这与其焊接方法不同而造成的热输入量或许有关。

图1-2与图1-3是在不同的焊接线能量条件下得到的金相显微照片。在这两张照片中，柱状晶的方向性不是特别明显，但依稀可以看出图1-2较图1-3方向性强一些，这是由于线能量的不同所造成的。在其它相关因素一定的情况下，焊接电流小时，热输入量也小，那么，熔合区附近过热程度小，结晶时温度梯度大，在焊缝金属的固液界面前沿的液相中存在较小的成分过冷，不利于柱状晶的生长；而当线能量较大的时候，意味着热输入量较大，那么，熔合区附近过热程度大，温度梯度小，成分过冷度增加，促进焊缝中柱状晶的生成。在上面四幅图片中均可看到先共析铁素体的生成，只是铁素体的形貌存在很大差异。在图1-1中可以看到块状的生于奥氏体晶界上的自由铁素体。这种铁素体形成于高温，在奥氏体晶界上形核，然后长大形成完全扩散型的转变产物。在图1-1中还可看到在原始奥氏体晶粒内生成针状的铁素体。由文献[1]介绍，一般针状铁素体都是2μm 厚，相邻铁素体晶粒之间取向大于20°，针与针之间分布着过冷奥氏体的转变产物，它可能是珠光体型的铁素体-碳化物复合组织，也可能是M-A组织。晶内针状铁素体的形成温度要低于魏氏组织铁素体，在原始奥氏体晶粒内以平行的针状(片状)构成一定的几何形状，即所谓筐篮状结构。从图1-4中可以观察到粗大的针状铁素体，有时也被称为魏氏组织铁素体，在粗大的针状铁素体之间夹杂着少量的细小的针状铁素体。然而，我们理想的焊缝中应当分布着较多的细小针状铁素体，因为细小的针状铁素体能够有效的提高接头的韧性。如果是粗大的铁素体出现于焊缝，意味着在粗大的铁素体之间存在着粗大的渗碳体，粗大的渗碳体对基体产生割裂作用，当焊接构件受到外加载荷的拉伸作用时，由于粗大渗碳体的割裂作用，再加上渗碳体较差的塑变性能，使得接头在较小的拉伸力作用下因无法以较大的塑变来缓和外加应力而发生断裂破坏。对于密集的细小针状铁素体，由于铁素体之间的渗碳体细小，对渗碳体基体不会产生不利的割裂作用。

图1-3 2号试样焊缝显微组织（×100）图1-4手弧焊焊缝显微组织（×100）

相反，当外加载荷作用于构件时，通过分布于铁素体基体上的细小渗碳体的滑移来缓和应力集中，能够有效的提高接头的韧性，尤其是冲击韧性。在图1-1与图1-4中出现的铁素体，尤其是在原奥氏体晶界上出现的先共析铁素体的形态差异如此大，我个人认为这与焊接方法不同而造成的热输入量不同有关。此处手工电弧焊焊条的直径远大于CO2气体保护焊焊丝，其熔化焊条所输入的热量要远大于CO2焊的热输入量。而先共析铁素体的产生是一种扩散相变的产物，它受温度的影响较大.温度越高，冷却越缓慢，那么扩散越充分，晶界上析出较多大块的铁素体，见图1-4。在图1-2与1-3中，由于线能量不同，在原奥氏体晶界上析出的铁素体形态存在差异。图1-2中，晶界上的先共析铁素体比较粗大，其中细小的针状铁素体较少，这与其较大的焊接线能量有关。由于较大的线能量输入，使得在图中可以看到魏氏组织铁素体，严重影响了接头的性能。在图1-3中，由于焊接线能量较小，先共析铁素体较图1-2中的要小很多，铁素体几乎成条状，没有出现明显的魏氏组织铁素体，并且，在原奥氏体晶粒内出现针状铁素体，有效的提高接头的冲击韧性。因此，合理地热输入量对获得满意的焊缝组织是十分重要的。

3 结论

通过焊接工艺改进，减少或消除实际生产中缺陷的发生，为获得高质量的焊接接头提供保障。

参考文献

[1] 邹家生. 材料连接原理与工艺[M]. 哈尔滨工业大学出版社. 2005:78～86.