SA508-3鋼回火焊道技術(shù)焊道搭接量的分析

秦 建 李世乾 張匯文 呂曉春 杜 兵

(1.洛陽船舶材料研究所,河南 洛陽 471000； 2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

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SA508-3鋼回火焊道技術(shù)焊道搭接量的分析

秦 建1李世乾1張匯文2呂曉春2杜 兵2

(1.洛陽船舶材料研究所,河南 洛陽 471000； 2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

針對核電設(shè)備常用鋼種SA508-3鋼，采用鎢極氬弧自動焊接方法，對該鋼種在使用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)時(shí)的焊道搭接量進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊道搭接量在0%～30%時(shí)，相鄰的焊道間有明顯的凹坑的存在，在后續(xù)焊道的焊接過程中容易出現(xiàn)未熔合問題；焊道搭接量達(dá)到70%時(shí)，焊道表面向瘤狀發(fā)展，不利于后續(xù)焊道的排布，焊道幾何尺寸的排布使得回火焊道焊接技術(shù)無法實(shí)施；焊道搭接量在40%～60%時(shí)，焊道分布相對平直，顯微硬度及淬硬組織分布均勻，利于回火焊道技術(shù)的實(shí)施。

SA508-3鋼 回火焊道技術(shù) 焊道搭接量 焊縫成型

0 序 言

近些年來，回火焊道技術(shù)作為一種能夠免去焊后熱處理的焊接修復(fù)方法而被企業(yè)所接受并應(yīng)用[1-3]。 影響回火焊道技術(shù)焊后組織和性能的參數(shù)較多，比如焊條直徑的選擇、焊接熱輸入的確定以及焊道搭接量的大小等[4]。 焊道搭接量作為回火焊道焊接技術(shù)實(shí)施的重要變素，其影響著實(shí)際焊接過程中焊道幾何尺寸的分布規(guī)律、相鄰焊道間所產(chǎn)生的淬硬微觀組織分布情況以及后續(xù)焊接參數(shù)的選擇，在一定程度上決定了回火焊道焊接技術(shù)的成功與否。 在實(shí)際的手工焊接修復(fù)中，焊接操作者以其可操作性往往默認(rèn)選擇焊道搭接量以50%為宜，但近些年來由于全自動焊接的普及促使在實(shí)際焊接修復(fù)過程中焊接設(shè)備可精確的采用不同的焊道搭接量，但在焊道搭接量對顯微組織及硬度分布的影響規(guī)律方面研究報(bào)道較少。

文中針對核電常用鋼種SA508-3鋼，分析了不同焊道搭接量下的焊接熱影響區(qū)幾何尺寸、顯微硬度及顯微組織分布情況，并找出適用于回火焊道焊接技術(shù)的合理焊道搭接量范圍，以期對該鋼種的回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹穗娪肧A508-3鋼，母材化學(xué)成分見表1，根據(jù)實(shí)際焊接修復(fù)中的焊接熱循環(huán)特點(diǎn)，選用的試板尺寸為300 mm × 200 mm × 60 mm。試驗(yàn)用焊接設(shè)備為YC-500WX，焊接方法為自動TIG(Tungsten Inert Gas Welding)填絲焊。

表1 試驗(yàn)用母材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1為試驗(yàn)焊道布置示意圖，試驗(yàn)過程中先使用表2焊接工藝參數(shù)在SA508-3鋼表面堆焊兩條焊道，具體焊道布置如圖1所示，通過使后序焊道與前序焊道形成一定角度，獲得后序焊道與前序焊道的搭接量從0%到100%連續(xù)逐漸增加，通過這種焊道布置不僅可以一次性同時(shí)獲得所有不同焊道搭接率試樣，而且可以降低偶然因素帶來的誤差。焊后進(jìn)行顯微硬度測試，并觀察不同搭接量下熱影響區(qū)交界處的顯微組織。

試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)見表2，焊后采用線切割方法切取焊道橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光、硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行金相組織觀察和顯微硬度測試(HV0.5)，圖2宏觀金相白點(diǎn)為顯微硬度測試點(diǎn)，顯微硬度相鄰間隔0.5 mm。

圖1 焊道布置示意圖

焊接電流I/A焊接速度v/(cm·min-1)送絲速度vf/(cm·min-1)電弧電壓U/V氬氣流量Q/(L·min-1)1608401215

圖2 顯微硬度測試點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為不同焊道搭接量下焊縫宏觀金相圖片，可以看出隨著焊道搭接量的增大，焊縫成形上由凹坑趨近于平直再趨近于瘤狀，焊道搭接量達(dá)到70%以上時(shí)，焊縫狀態(tài)開始明顯凸起，此時(shí)不利于后續(xù)焊道的成型。

回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠焊接接頭幾何尺寸之間的合理排布。圖4為焊接接頭的主要幾何尺寸，其中BH代表焊道的余高;P代表焊縫熔深;Ac3L代表熱影響區(qū)中細(xì)晶區(qū)的下邊緣距母材表面距離;Ac1L代表熱影響區(qū)中不完全正火區(qū)的下邊緣距母材表面距離;d為粗晶區(qū)最大寬度;f為有效回火寬度。

圖3 不同焊道搭接量下的焊接接頭宏觀金相圖片

圖4 焊接接頭幾何尺寸示意圖

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，回火焊道焊接技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，調(diào)質(zhì)模式和回火模式，實(shí)現(xiàn)條件分別如下。

回火模式實(shí)現(xiàn)條件如式(1);調(diào)質(zhì)模式實(shí)現(xiàn)條件如式(2)～(3)：

f-d+Ac1maxL2>BHminL1+PminL1>Ac1maxL2

(1)

BHmaxL1+PmaxL1

(2)

f+Ac1maxL3-d>BHminL1+PminL1+BHminL2>Ac1maxL3

(3)

圖5為焊道搭接量對焊接接頭各幾何尺寸的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著焊道搭接量的增大，Pmax,BHmax,Ac3Lmax,Ac1Lmax無明顯變化，Pmin,BHmin,Ac3Lmin,Ac1Lmin均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢。當(dāng)焊道搭接量介于40%～60%時(shí)，Pmax與Pmin,BHmax與BHmin,Ac3Lmax和Ac3Lmin,Ac1Lmax與Ac1Lmin的差值較小，焊接熱影響區(qū)及焊道分布較為平直，有利于回火焊道的焊道排布。

圖5 焊道搭接量對焊接接頭各幾何尺寸的影響規(guī)律

圖6為不同焊道搭接量下熱影響區(qū)顯微硬度測試點(diǎn)及顯微硬度分布。顯微硬度分布可以看出，焊道搭接量在10%～30%時(shí)，相鄰焊道的熱影響區(qū)處有明顯的凹坑區(qū)域，曲率較大，而該區(qū)域往往是硬度值較高區(qū)域(400 HV左右)，因此在實(shí)施回火焊道技術(shù)時(shí)該區(qū)域往往由于回火焊道技術(shù)的焊道排布規(guī)律而遺漏該區(qū)域，成為實(shí)際焊接修復(fù)過程中接頭性能薄弱區(qū)域。焊道搭接量為40%時(shí)，相鄰焊道間凹坑曲率較??；且由于

后一焊道的熱處理作用，前一焊道較深位置的淬硬區(qū)域經(jīng)過了一定的回火作用，較大尺度范圍內(nèi)硬度值下降到350 HV以下，因此能夠相對容易的實(shí)現(xiàn)回火焊道技術(shù)。焊道搭接量為50%～60% 時(shí)，由于起弧位置相對首次焊道位置較高，因此P值相對較小，造成了相鄰兩焊道熔深及熱影響區(qū)分布的差異，但從第二次焊道的焊縫成形上可知,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)以相同的焊道搭接量焊接時(shí)，焊接接頭的分布應(yīng)與第二次焊道的成形相當(dāng)。首次焊道的較大區(qū)域已經(jīng)得到了充分的回火作用，后續(xù)焊道熱影響區(qū)除去相鄰焊道搭接部分以外分布已接近平直狀態(tài)，此時(shí)最利于回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖7為不同焊道搭接量下的顯微組織分布，顯微組織分布表明焊道搭接量在10%～30%時(shí)，相鄰焊道熱影響區(qū)交界處曲率最大區(qū)域組織為板條馬氏體組織，這是由于相鄰焊道粗晶區(qū)搭接所產(chǎn)生，在其附近的位置2區(qū)域出現(xiàn)了隱晶馬氏體組織，板條馬氏體和隱晶馬氏體組織均為SA508-3鋼多層多道焊中焊接熱影響區(qū)性能薄弱的組織，因此該區(qū)域硬度較高，是回火焊道焊接過程中容易遺漏的區(qū)域；位置3處由于后續(xù)焊道的回火作用，顯微組織為回火索氏體組織，但由于搭接量較小，回火作用區(qū)域還處于相對較高位置，因此造成了未回火區(qū)域分布曲率較大，不利于回火焊道焊接技術(shù)的實(shí)施。

焊道搭接量為40%～60%時(shí)，焊接熱影響區(qū)中也出現(xiàn)了相類似的組織，但由于焊道搭接量較大，多道焊后每層整體的淬硬組織的分布比較平直，且在曲率較大的部分已經(jīng)歷相鄰焊道的回火作用，此時(shí)利于回火焊道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同焊道搭接量下的顯微硬度分布

圖7 不同焊道搭接量下顯微組織分布

4 結(jié) 論

(1)焊道搭接量在0%～30%時(shí)，相鄰的焊道間存在明顯的凹坑，在后續(xù)焊道的焊接過程中易出現(xiàn)未熔合問題。

(2)焊道搭接量達(dá)到70%及以上時(shí)，焊道表面向瘤狀發(fā)展，不利于后續(xù)焊道的排布，焊道幾何尺寸的排布使得回火焊道焊接技術(shù)無法實(shí)施。

(3)焊道搭接量在40%～60%時(shí)，焊道分布相對平直，顯微硬度及淬硬組織分布均勻，利于回火焊道技術(shù)的實(shí)施。

[1] 秦 建, 呂曉春, 杜 兵, 等. SA508-3鋼焊趾部位回火焊道技術(shù)研究[J]. 焊接, 2014(7): 37-40.

[2] Walter J S, Sperko J. Exploring temper bead welding[J]. Welding Journal, 2005(8): 31-38.

[3] ASME boiler and pressure vessel committee on welding and brazing. QW-409 ASME IX Welding and Brazing Qualifications[S]. The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA, 2010.

[4] 掌麗華, 呂曉春, 秦 建, 等. SA508-3鋼回火焊道實(shí)現(xiàn)的熱循環(huán)條件[J]. 焊接, 2016(6): 43-47.

2016-12-21

TG444

秦 建，1990年出生，工程師。主要從事壓力容器、管道補(bǔ)償器焊接工藝研究，已發(fā)表論文20余篇。