金屬材料焊接接頭的組織與性能對比

齊羿　楊建全

摘 要：隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對金屬材料焊接技術(shù)的要求也越來越高。金屬材料的焊接性能一般包括接合性能與使用性能，金屬材料的焊接性與焊接時焊接接頭的組織和性能有關(guān)，為此，一定要尋找出合適的焊接方法，確保好焊接接頭的組織和性能，控制焊接能力參數(shù)，學(xué)會從組織的變化去研究和分析焊接性能的變化。

關(guān)鍵詞：金屬材料；焊接接頭的組織與性能；對比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.010

1 實驗材料、工藝及設(shè)備

1.1 實驗材料

（1）實驗選用的是長、寬、高分別為150mm、50mm、5mm的16Mn薄板；（2）直徑為3.2mm 的J507型焊條。

1.2 加工工藝及實驗設(shè)備

（1）焊接方法。本實驗要測定不同焊接參數(shù)下焊縫金相組織的變化，所以選擇焊條電弧焊進行焊接較為適合。

（2）實驗設(shè)備。1）焊接設(shè)備：帶數(shù)顯的逆變式直流電弧焊機；2）切割設(shè)備：DK7740型數(shù)控電火花線切割機床；3）試樣制備設(shè)備：MP-2型預(yù)磨機、MP-2型磨拋機；4）檢測設(shè)備CMM-55Z型金相顯微鏡。

1.3 焊接參數(shù)

（1）焊縫空間位置采用平對接焊縫；（2）坡口形式：I形；（3）焊件序號：1.2.3.4；（4）焊件厚度：1-5mm；（5）焊接電壓：22-28V

1.4 坡口加工、裝備及焊接

材料較薄，無需開坡口。預(yù)留裝配間隙1～2mm。母材較短，點固時在板材兩端各留30mm，然后再點固，定位焊長度為10～15mm

焊前點固。試板較短，選用中間接頭法。焊條與工件保持80°～90°夾角。板厚較薄，采用單面焊雙面成型，一般只焊一層。

2 實驗方案及檢測分析方法

2.1 實驗方案

（1）16Mn不同焊接參數(shù)下組織研究；（2）16Mn鋼的物理特性；（3）16Mn鋼的焊接性分析；（4）16Mn鋼的焊接工藝設(shè)計；（5）16Mn鋼的焊接；（6）金相組織分析；（7）結(jié)論。

2.2 實驗檢測分析方法

進行顯微組織觀察，具體是在焊接后試件上取樣，拋光、腐蝕，然后再觀察與分析焊接區(qū)的顯微組織，最后使用CMM-55Z型顯微鏡進行拍照。

3 金相檢驗

（1）試樣切取基本要求。1）不得加熱；2）焊接接頭試樣完整，試樣上、下表面平行，視場內(nèi)凸凹度不超過光學(xué)顯微鏡的景深；3）試樣表層不能有明顯磨痕、加工硬化、非金屬夾雜物剝落或其它使組織模糊的表面層；4）顯蝕方法得當、深淺適中、組織清晰。

（2）試樣切取。沿焊縫縱向?qū)⒃嚇觾啥烁鹘厝∫欢?，中間截取一段。

（3）試樣磨制。機械磨制，采用水砂紙。換砂紙須消除前道砂紙的痕跡，試樣垂直轉(zhuǎn)換90°。保證試樣磨面平整，以免影響金相觀察。

（4）試樣拋光。時間在3～5min之間較好。

（5）浸蝕。選用4%硝酸酒精溶液作為浸蝕液，浸蝕時間控制在8s左右。

（6）金相照片的拍制。將試樣輕放在顯微鏡物鏡上，調(diào)整顯微鏡，使可以清晰觀察到試樣顯微組織，然后拍照。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 金相組織分析

（1）焊縫區(qū)。1）鐵素體轉(zhuǎn)變。低合金鋼焊縫中的鐵素體轉(zhuǎn)變隨溫度不同而具有不同形態(tài)，大體有以下四種類型：先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體、細晶鐵素體；2）珠光體轉(zhuǎn)變。只有在冷卻速度很低的情況下，才能生成少量珠光體；3）貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，發(fā)生在550℃～Ms之間；4）馬氏體轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體保持在Ms點以下，就會發(fā)生擴散型的馬氏體轉(zhuǎn)變。

（2）熔合區(qū)。熔合區(qū)是過渡區(qū)，相當狹窄，因此其對焊接接頭的質(zhì)量影響不大。

（3）熱影響區(qū)。1）過熱區(qū)。在過熱區(qū)中粗大的奧氏體晶界上分布著魏氏組織鐵素體，并由晶界向晶內(nèi)生長，故而其性能尤其是韌性很差，是焊接接頭的最薄弱地區(qū)；2）正火區(qū)。在正火區(qū)的晶粒明顯小于過熱區(qū)，而且鐵素體與珠光體均勻混合分布，所以這個區(qū)域性能很好；3）不完全正火區(qū)。不完全正火區(qū)的焊后金相組織周圍聚集著經(jīng)過重結(jié)晶分解的細密鐵素體和珠光體，金屬組織不均勻，晶粒大小不一，力學(xué)性能很差；4）再結(jié)晶區(qū)。如果母材焊前未遭受冷加工變形，或雖遭受冷加工變形但已經(jīng)再結(jié)晶，組織性能自然恢復(fù)；5）藍脆區(qū)。藍脆的機理尚不十分清楚。

4.2 顯微組織對比分析

對比發(fā)現(xiàn)：焊接電流相同，焊接速度增大，熔池中心溫度梯度下降，熔池中心成分過冷加大，焊縫中心晶粒度增大，晶粒得到細化，有效增加焊縫強度；同時，焊接速度增加，縮短焊接過程中高溫停留時間，過熱區(qū)晶粒來不及長大，過熱區(qū)范圍減少，減少產(chǎn)生焊接缺陷的來源；正火區(qū)范圍增大，提高了焊接接頭的力學(xué)性能。

對比發(fā)現(xiàn)：焊接速度相同，焊接電流減小，焊縫區(qū)晶粒度增大，晶粒得到細化，有效改善焊接接頭的力學(xué)性能。

4.3 16Mn的焊接性分析

16Mn的焊接性是指鋼材對于焊接加工的適應(yīng)性，即獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。由于鋼的焊接性主要取決于鋼的化學(xué)成分，而16Mn的碳及合金元素的含量都比較低，總體來說焊接性比較好，所以在焊接過程中一般不會產(chǎn)生缺陷。

（1）熱裂紋。熱裂紋一般是在焊接高溫下產(chǎn)生的，最嚴重的是結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋主要是在結(jié)晶后期，由低熔點物質(zhì)所形成的液態(tài)薄膜而引發(fā)的，在正常情況下，16 Mn鋼是不會出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的。

（2）冷裂紋。大量的生產(chǎn)實踐和理論研究表明，鋼種的淬硬傾向、一定的含氫量和足夠的拘束應(yīng)力是焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。

5 結(jié)論

實驗表明，厚度為5mm的16Mn薄板焊條電弧焊時的焊接工藝規(guī)范：焊條直徑：3.2mm，焊接電流112A，焊接電壓：22-28V，焊接速度：40cm/min。

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