環(huán)境壓力對(duì)焊縫組織和性能的影響

張永明，黃松濤，周燦豐，馮艷鵬，石庭深

（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

環(huán)境壓力對(duì)焊縫組織和性能的影響

張永明，黃松濤，周燦豐，馮艷鵬，石庭深

（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

為了研究不同環(huán)境壓力（與水深相當(dāng)）對(duì)Q345鋼焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律，采用GMAW焊接方法對(duì)Q345鋼進(jìn)行坡口堆焊試驗(yàn)，并對(duì)所得焊縫進(jìn)行組織分析和力學(xué)性能檢驗(yàn)。試驗(yàn)表明，不同壓力環(huán)境下，焊縫的宏觀形貌變化明顯，參數(shù)不變的情況下0.4 MPa和0.5 MPa下所得焊縫出現(xiàn)氣孔和未熔合現(xiàn)象；隨著環(huán)境壓力增加，焊縫熔池中金屬的冷卻速度變快，焊縫組織中上貝氏體含量增加，先先共析鐵素體的形態(tài)由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體；環(huán)境壓力越高，焊縫過(guò)熱去冷卻速度變快，在過(guò)冷奧氏體晶界上鐵素體魏氏組織含量逐漸增加。隨著環(huán)境壓力變大，焊縫的維氏硬度略有提高；不同環(huán)境壓力中，采用相同工藝參數(shù)所得的焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度大于母材抗拉強(qiáng)度，拉伸試件均斷于母材。

環(huán)境壓力；熔化極惰性氣體保護(hù)焊；焊縫組織；力學(xué)性能

0 前言

隨著海洋油氣資源的大力開(kāi)發(fā)，海底管道和海洋結(jié)構(gòu)物的數(shù)量逐漸增多，水下干式高氣壓焊接方法已廣泛應(yīng)用在海洋工程設(shè)備的安裝和維護(hù)之中[1]。海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)具有高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)的特點(diǎn)，如何保證水下機(jī)械設(shè)備的維修和維護(hù)是挺近海洋的主要絆腳石[2]。目前世界各國(guó)研究和應(yīng)用的焊接技術(shù)很多，其中最為成熟的是電弧焊技術(shù)[3]。由于國(guó)內(nèi)的焊接技術(shù)起步較晚，海洋結(jié)構(gòu)物的修復(fù)以國(guó)外公司的技術(shù)服務(wù)為主，每次的維修成本高達(dá)上千萬(wàn)元，不僅維修成本昂貴，而且容易造成技術(shù)壟斷，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)[4]。因此，必須加快水下焊接方法的研究，這對(duì)提高我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。

高氣壓環(huán)境下，由于電弧受到環(huán)境壓力的壓縮作用，焊接電弧特性會(huì)發(fā)生改變。采用相同的焊接工藝參數(shù)，高氣壓環(huán)境下的焊接電弧形態(tài)、焊縫組織和性能與常壓環(huán)境下的不同。隨著環(huán)境壓力的增

加，周?chē)臍怏w密度變大，導(dǎo)熱性增強(qiáng)，使電弧燃燒過(guò)程中散熱加劇[5]。焊接電弧能量損失增加，同時(shí)焊縫熔池冷卻速度變快，焊縫金相組織和性能出現(xiàn)一定的變化。本研究通過(guò)試驗(yàn)對(duì)Q345鋼坡口堆焊的焊縫綜合性能進(jìn)行檢測(cè)，研究環(huán)境壓力對(duì)焊縫金相組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為高氣壓環(huán)境下取得高質(zhì)量的焊縫提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用北京石油化工學(xué)院的干式高氣壓環(huán)境焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣艙、高氣壓焊接實(shí)驗(yàn)艙、混合氣體配比器、流量計(jì)、松下YD-400GE數(shù)字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源以及三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。

圖1 高壓焊接試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1Hyperbaric welding test system

試驗(yàn)條件為：焊接母材為Q345鋼，試件厚度10 mm。焊絲牌號(hào)為ER50-6，直徑1.2 mm；焊絲干伸長(zhǎng)20 mm；焊接速度40 cm/min；焊接電壓28.8 V，平均焊接電流200 A；氬氣氣體流量20 L/min。

在不同環(huán)境壓力下分別進(jìn)行坡口堆焊，坡口截面尺寸如圖2所示。

圖2 坡口形狀及尺寸Fig.2Groove shape and size

在不同壓力環(huán)境下所得的焊縫中部位置截取金相試樣和拉伸試樣。采用Nikon SMZ 745T型號(hào)宏觀金相顯微鏡觀察試樣宏觀金相；采用Nikon ECLIPSE MA200金相顯微鏡拍攝試樣微觀組織；采用HVS-1000Z自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫橫截面維氏硬度；采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣抗拉強(qiáng)度，并觀察斷裂位置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同環(huán)境壓力下的焊縫宏觀金相

不同環(huán)境壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5 MPa）下采用相同工藝參數(shù)，純Ar保護(hù)進(jìn)行焊接。焊接接頭的宏觀金相圖片如圖3所示。

圖3 不同壓力環(huán)境下焊縫宏觀金相Fig.3Macro weld microstructure under different environmental pressures

由圖3可知，不同環(huán)境壓力下采取相同工藝參數(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，環(huán)境壓力對(duì)焊縫宏觀形貌有很大影響，0.3 MPa焊縫畫(huà)圈處出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，0.5 MPa焊縫左側(cè)出現(xiàn)氣孔。這是由于高氣壓環(huán)境下，脈沖GMAW焊接電弧受到一定程度的壓縮，電弧紊亂加劇，同時(shí)高壓環(huán)境下氣體導(dǎo)熱率的提高導(dǎo)致電弧能量損失增加，因而造成熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，進(jìn)而影響焊縫的質(zhì)量，產(chǎn)生氣孔和未熔合現(xiàn)象。

2.2 環(huán)境壓力對(duì)焊縫微觀組織的影響

2.2.1 不同環(huán)境壓力下的焊縫區(qū)微觀組織

金屬材料表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能，實(shí)際上是由金屬的微觀組織決定。0.1 MPa、0.3 MPa和0.5 MPa焊縫區(qū)顯微組織如圖4所示。圖4a、圖4b分別為0.1MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片。焊縫區(qū)組織為先共析鐵素體，先共析鐵素體隨著柱狀晶體的增多而不斷在晶界聚集，還有少量珠光體和粒狀貝氏體。

圖4c、圖4d分別為0.3 MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片，焊縫中上貝氏體含量增加，出現(xiàn)了魏氏組織，鐵素體由塊狀轉(zhuǎn)為針狀。圖4e、圖4f分別為0.5 MPa下焊縫組織放大200倍、500倍照片。對(duì)比圖4c、圖4d的焊縫組織可以看出，0.5 MPa下焊縫區(qū)上貝氏體含量明顯增加，焊縫區(qū)組織呈柱狀晶分布，晶界處為為鐵素體和粒狀貝氏體，晶內(nèi)為呈針狀鐵素體。

圖4 不同環(huán)境壓力下的焊縫微觀組織Fig.4Weld microstructure under different environmental pressures

2.2.2 不同環(huán)境壓力下的粗晶區(qū)顯微組織

不同環(huán)境壓力下的粗晶區(qū)顯微組織如圖5所示，放大倍數(shù)為500倍。由于受到不均勻的焊接熱循環(huán)作用，焊縫熱影響區(qū)（HAZ）組織分布不均勻，晶粒粗化，是焊接接頭的最薄弱部位。焊接接頭冷卻速度的快慢對(duì)熱影響區(qū)金相組織性能有很大影響。熱影響區(qū)組織性能還與焊接熱輸入、工件厚度和周?chē)釛l件有關(guān)。不同環(huán)境壓力下，由于周?chē)鷼怏w分子濃度不同，因而冷卻速度不同，得到的熱影響區(qū)組織也有差別。

不同環(huán)境壓力下，熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變基本相同，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻之后成粗大的鐵素體魏氏組織。但環(huán)境壓力越大，冷卻速度越快，在過(guò)冷奧氏體晶界上魏氏組織含量逐漸增加。魏氏體的存在會(huì)導(dǎo)致焊縫的塑形和沖擊韌性減小，影響焊接工件的綜合性能。

2.3 環(huán)境壓力對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響

2.3.1 不同環(huán)境壓力下焊縫維氏硬度分布

針對(duì)不同環(huán)境壓力（0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa）下所得的焊接接頭，根據(jù)焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)方法，測(cè)定焊接接頭不同位置的維氏硬度，如圖6所示。

由圖6可知，不同環(huán)境壓力下得到的脈沖GMAW焊接接頭的硬度整體分布趨勢(shì)相同，從熔合區(qū)開(kāi)始經(jīng)熱影響區(qū)到母材，其硬度逐漸降低。環(huán)境壓力對(duì)焊接接頭硬度有一定的影響，隨著環(huán)境壓力的增加，焊縫區(qū)維氏硬度略有增加。高氣壓環(huán)境下熔合區(qū)硬度均大于常壓（0.1 MPa）下熔合區(qū)的硬度。高氣壓環(huán)境

下焊縫區(qū)硬度整體略低于熔合區(qū)硬度。焊接接頭硬度實(shí)質(zhì)上是其微觀組織的宏觀表現(xiàn)，但由于焊接接頭的組織分布不均，且傳統(tǒng)的維氏硬度測(cè)量方法的硬度數(shù)值反映的不是某一個(gè)組織所反映的硬度，而有可能是具有某一組織的試樣的硬度，因而造成焊接接頭硬度數(shù)值變化較大。

圖5 不同環(huán)境壓力下焊縫粗晶區(qū)組織Fig.5Weld microstructure under different

圖6 不同環(huán)境壓力下焊接接頭硬度分布曲線Fig.6Welded joints hardness distribution curve under different environmental pressures

2.3.2 不同環(huán)境壓力下的焊縫抗拉強(qiáng)度

焊接接頭的拉伸試驗(yàn)是指在承受軸向力作用下測(cè)定焊接工件的材料特性。焊接接頭常溫拉伸試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)是焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不低于焊接母材抗拉強(qiáng)度值的下限較低一側(cè)的母材規(guī)定值。拉伸試驗(yàn)之后，觀察拉伸試件被拉斷之后是否斷裂在母材。如果拉伸試件斷裂于母材位置，并且拉伸試件的抗拉強(qiáng)度大于或等于母材的名義抗拉強(qiáng)度，則拉伸試樣性能符合要求。因此，對(duì)不同環(huán)境壓力下得到的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，試樣均在母材處發(fā)生斷裂。拉伸試

驗(yàn)在寬度方向上都產(chǎn)生塑性變形，母材收縮程度遠(yuǎn)大于焊縫，說(shuō)明焊縫抗拉強(qiáng)度大于母材，拉伸試樣合格。不同環(huán)境壓力下拉伸試樣拉伸強(qiáng)度如表1所示，表中數(shù)據(jù)均為多個(gè)試樣的平均值。

圖7 拉伸斷裂試樣Fig.7Tensile fracture specimens

表1 焊縫金屬橫向拉伸結(jié)果

3 結(jié)論

不同環(huán)境壓力下，焊縫的宏觀形貌變化比較明顯。在工藝參數(shù)不變的情況下，高氣壓環(huán)境下所得焊縫容易出現(xiàn)氣孔或未熔合現(xiàn)象。環(huán)境壓力越大，焊接過(guò)程中熔池冷卻速度越快，焊縫組織中上貝氏體含量增加，先先共析鐵素體的形態(tài)由塊狀轉(zhuǎn)為針狀鐵素體。焊縫區(qū)微觀組織呈柱狀晶分布，向焊縫中心生長(zhǎng)，其晶界處為鐵素體和粒狀貝氏體組織，晶內(nèi)為針狀鐵素體。隨著環(huán)境壓力的增大，冷卻速度變快，在過(guò)冷奧氏體晶界上鐵素體魏氏組織含量逐漸增加。隨著環(huán)境壓力增加焊縫的維氏硬度略有提高；從熔合區(qū)開(kāi)始經(jīng)熱影響區(qū)到母材區(qū)，其硬度逐漸降低。不同環(huán)境壓力下采用相同參數(shù)所得的焊縫，其拉伸強(qiáng)度均大于母材抗拉強(qiáng)度。

[1]王磊.高氣壓環(huán)境下脈沖MAG焊電弧及熔滴過(guò)渡行為特征研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2014.

[2]谷孝滿(mǎn)，焦向東，黃松濤，等.高氣壓環(huán)境下脈沖MIG焊熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定現(xiàn)象分析[J].焊接技術(shù)，2015，44（3）：9-12.

[3]朱加雷，余建榮，焦向東，等．水下焊接技術(shù)研究和應(yīng)用的進(jìn)展[J]．焊接技術(shù)，2005，34（4）：6－8.

[4]谷孝滿(mǎn).高氣壓環(huán)境下脈沖MIG焊脈沖波形對(duì)電弧的影響及其控制[D].北京：北京石油化工學(xué)院，2015.

[5]黃松濤，谷孝滿(mǎn)，焦向東，等.高氣壓環(huán)境下脈沖電流控制對(duì)熔滴過(guò)渡的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2015，36（7）：25－27.

Effects of environmental pressure on microstructure and properties of weld

ZHANG Yongming，HUANG Songtao，ZHOU Canfeng，F(xiàn)ENG Yanpeng，SHI Tingshen
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

In order tounderstand Q345 steel weld quality influence under the different environment pressure（in depth），usingthe MIG welding groove welding of Q345 steel，and the microstructure analysis and mechanical properties of the weld inspection.Experiments showed that under different ambient pressure，the macro morphology weld changed obviously，while parameters unchanged under 0.4 MPa and 0.5 MPa，the resultant weld appeared blowholes and incomplete penetration phenomenon;with the increase ofthe ambient pressure，in the process ofwelding molten pool cooling speed became faster，the upper bainite in content was becoming more，proeutectoid ferrite prime body shape by massive iron ferrite variable for acicular ferrite；with the increase of environmental pressure，cooling speed faster.In the supercooled austenite grain boundary ferrite and widmanstatten content increased gradually.With the increasing environmental pressure Vivtorinox hardness of weld slightly increased；different ambient pressure，the tensile strength of weld process parameters of the same income was greater than the tensile strength ofbase metal.

environmental stress；melting polar inert gas protection welding；weld microstructure；mechanical properties

TG444+.74

A

1001－2303（2016）09－0054-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.13

2016-03-07；

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175046）

張永明（1989—），男，河南新鄉(xiāng)人，在讀碩士，主要從事水下焊接工藝方面的研究工作。