Q345B大厚板雙面雙弧焊接頭組織與力學(xué)性能

高桂麗 繆神 蔡春波 張華軍

摘 要：針對(duì)Q345B大厚板高強(qiáng)鋼接頭在機(jī)器人雙面雙弧焊中易出現(xiàn)焊不透、撞槍的問題，采用根部無預(yù)留間隙的焊接方法，通過增大焊接線能量、減小弧間距實(shí)現(xiàn)根部全熔透。依據(jù)《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織分析，結(jié)果表明：根部打底前焊道組織為針狀鐵素體和貝氏體，打底后焊道和填充焊組織為針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體；熔合區(qū)組織為針狀鐵素體和板條馬氏體，粗晶區(qū)為板條束更粗大的板條馬氏體。焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到536.47MPa，焊縫強(qiáng)度高于母材。接頭出現(xiàn)局部硬化，硬度最高值為281HV，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：Q345B大厚板；雙面雙弧焊；無預(yù)留間隙；機(jī)器人

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.021

中圖分類號(hào)： TG444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）04-0113-05

Abstract：To solve the problem of incomplete penetration and the welding torch hitting the plate during the welding process of Q345B large thick plate by using robot doublesided arc welding， the method of using no reservedclearance root was proposed. The good forming weld joint was obtained by increasing the welding line energy and reducing the arc distance. The microstructure and mechanical properties of the welding joint were investigated according to the AWS D1.1. The results show that the first weld pass of root consists of acicular ferrite and bainite， and the second weld pass of root and filling pass consist of acicular ferrite and few of proeutectoid ferrite， and the microstructure of fusion region consists of acicular ferrite and lath martensite， and the coarse grain region consists of larger lath martensite . The average tensile strength of Welding joint reaches 536.47 MPa， and the tensile strength of welding is larger than fusion. Impact property of welding joint is good， and the highest hardness reaches 281HV.

Keywords：Q345B large thick plate； doublesided arc welding； no reserved clearance； robot

0 引 言

與傳統(tǒng)大厚板人工焊接工序相比，焊接機(jī)器人具有高穩(wěn)定性、高生產(chǎn)質(zhì)量、高效率等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，特別是在大厚板焊接方面，具有焊接變形小、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、適用于大規(guī)模智能化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，且優(yōu)化了焊接工藝，減少了焊前預(yù)熱和根部清根的工序，大大節(jié)約了焊接時(shí)間[5-9]。但目前對(duì)于T型接頭大厚板結(jié)構(gòu)等大型構(gòu)件，一般采用無鈍邊K型對(duì)稱45°坡口，根部留有3-5mm間隙[10-13]，通過機(jī)器人示教或者離線編程和電弧跟蹤相結(jié)合的方法進(jìn)行雙面雙弧焊[14-16]。在焊接過程中由于焊縫收縮使原有根部間隙縮減為1-2mm，從而導(dǎo)致在初始的電流、電壓下產(chǎn)生未焊透的現(xiàn)象。越靠近大厚板的根部焊道焊槍活動(dòng)空間會(huì)極其狹小，如果焊接過程中機(jī)器人焊槍的角度不發(fā)生變化，由于焊縫收縮的影響極易發(fā)生碰壁、撞槍的現(xiàn)象，具有較大的安全隱患[17-20]。

本文針對(duì)機(jī)器人雙面雙弧焊，提出了將Q345B大厚板根部預(yù)留3-5mm的間隙改成根部無預(yù)留間隙的焊接方法。通過增大焊接功率，實(shí)現(xiàn)根部全熔透，有效的減少了前期拼板的工作量，降低了裝配精度的要求。減少了焊縫收縮帶來的變形影響、節(jié)約了母材和焊材。通過力學(xué)性能試驗(yàn)和金相組織分析對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行研究，為Q345B大厚板高強(qiáng)鋼在智能化生產(chǎn)中應(yīng)用提供理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)工作系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)采用兩臺(tái)FANUC M10iA 機(jī)器人和 兩臺(tái)LINCOLN Power Wave i400 電源，焊接參數(shù)均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。機(jī)器人焊槍位于大厚板接頭工件的兩側(cè)，打底焊時(shí)采用非對(duì)稱雙面雙弧MAG焊，兩電弧保持13-15mm的間距。填充焊時(shí)采用對(duì)稱雙面雙弧MAG焊，兩個(gè)焊槍同步。

1.2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)的母材為Q345B低合金高強(qiáng)鋼，尺寸分別為600mm×200mm×50mm和600mm×300mm×50mm，坡口形式如圖2所示，為無鈍邊K型對(duì)稱45°，根部間隙0～0.3mm，弧間距13～15mm，焊前無預(yù)熱，室溫25℃。采用熔化極混合氣體保護(hù)焊，焊接方式為橫焊。焊絲采用金橋公司的JM56，為Φ1.2mm 的實(shí)芯焊絲，保護(hù)氣體為82%Ar+18%CO2。母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表3所示，其中層間溫度為130～150℃。

對(duì)焊接后的Q345B低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭取樣制備金相試樣，在磨平、拋光后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用Phenom ProX電鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析。

按照《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范AWS D1.1》對(duì)焊接接頭分別進(jìn)行彎曲、拉伸、沖擊、硬度等力學(xué)性能試驗(yàn)，并對(duì)沖擊斷口的形貌進(jìn)行觀察分析。在焊接接頭試件厚度方向上下不同部位取4個(gè)拉伸試樣，覆蓋整個(gè)焊縫厚度，拉伸試樣的厚度為30mm；在試件長(zhǎng)度方向分別取4個(gè)彎曲試樣，試樣的尺寸為250mm×50mm×10mm，進(jìn)行4組180°側(cè)彎試驗(yàn)，壓頭直徑為38.1mm；焊接接頭沖擊試樣的取樣圖如圖3所示，分別在焊縫厚度的中心取三組試樣。每組試樣的缺口位置分別位于焊縫中心、焊縫中心+1mm和焊縫中心+5mm，試樣的尺寸為55mm×10mm×10mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Q345B焊接接頭宏觀形貌

Q345B低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的宏觀形貌如圖4所示，焊接接頭具有典型的多層多道焊特征，焊層清晰明顯且厚度均勻。由圖3可見，根部焊道的熔合是在打底焊前弧焊道熔透的基礎(chǔ)上，后弧焊道再與前弧焊道進(jìn)行良好的熔合，整個(gè)接頭未出現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等缺陷，焊縫成型美觀、良好。

2.2 顯微組織分析

圖5為焊縫區(qū)域的顯微組織形貌。圖5（a）、圖5（b）分別為填充焊道和打底焊后焊道的微觀組織形貌，由于前電弧對(duì)后焊道有預(yù)熱作用且在細(xì)晶元素的作用下，填充焊道和打底焊后焊道的組織主要為針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體，部分先共析鐵素體在后續(xù)焊道的回火作用下含量減少，針狀鐵素體含量增多。相鄰兩個(gè)針狀鐵素體間呈大傾角晶界并含有高密度的位錯(cuò)，因而具有較高的止裂能力和沖擊韌性。圖5（c）所示的是打底焊前焊道的組織，由于接頭根部是非對(duì)稱雙面雙弧焊接，在打底焊后焊道二次熱作用下，根部前焊道的冷卻速度減慢，中溫貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍停留時(shí)間增加，發(fā)生了鐵原子不擴(kuò)散而碳原子擴(kuò)散的半擴(kuò)散型相變，所以前弧焊道的組織為針狀鐵素體和粒狀貝氏體以及少量的下貝氏體。由圖5（d）可見，在根部焊道的交匯處，前弧焊道的部分焊道被后焊道熔掉，在重新結(jié)晶過程中停留在下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍的時(shí)間變長(zhǎng)，所以越靠近后弧焊道與前弧焊道的交匯處，下貝氏體的含量越增多。

圖6是熔合區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織形貌。焊接接頭的熔合區(qū)組織為細(xì)小且取向不同的板條狀馬氏體和針狀鐵素體，見圖6a）。圖6b）、圖6c）分別為根部粗晶區(qū)和填充焊粗晶區(qū)的組織形貌，根部焊道的粗晶區(qū)由于在雙弧的作用下，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，馬氏體板條束長(zhǎng)大，生成比填充焊粗晶區(qū)更為粗大的板條狀馬氏體。正火區(qū)如圖6d）所示，該區(qū)域金屬經(jīng)歷了兩次相變重結(jié)晶，生成了晶粒均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體。不完全結(jié)晶區(qū)的組織如圖6e）所示，只有一部分組織發(fā)生相變重結(jié)晶，另外一部分鐵素體始終未能溶入奧氏體中，從而該區(qū)的組織為大小不均的塊狀鐵素體和細(xì)小的珠光體。根據(jù)相關(guān)文[21]可知，傳統(tǒng)的雙面雙弧焊的焊縫組織主要為針狀鐵素體和晶界鐵素體，粗晶區(qū)主要為板條馬氏體。該試驗(yàn)在增大焊接功率、減小弧間距后，焊縫中心在中溫貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間變長(zhǎng)，生成了較多的針狀貝氏體。但整個(gè)接頭并未生成孿晶馬氏體和魏氏體等韌性較低的組織。

2.3 力學(xué)性能分析

Q345B低合金高強(qiáng)鋼的維氏硬度分布曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，打底焊前焊道的硬度要高于后焊道的硬度，這是由于該區(qū)有大量的貝氏體轉(zhuǎn)變組織。整個(gè)接頭焊縫處的平均硬度為223.2HV，要高于母材處的平均硬度197.1HV。這是因?yàn)槟覆牡慕M織主要為塊狀鐵素體和珠光體，而焊縫組織為強(qiáng)度、韌性更高的針狀鐵素體。熱影響區(qū)的硬度平均值最高，最大值達(dá)到281HV。出現(xiàn)這種局部硬化現(xiàn)象是由于焊縫冷卻速度較快，生成了淬硬馬氏體組織。

表4為Q345B焊接接頭拉伸試樣的結(jié)果，可以得出，試樣斷裂的位置都位于母材區(qū)，這也說明焊縫與熱影響區(qū)的強(qiáng)度均高于母材的強(qiáng)度。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為536.47MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為18.4%，與母材的斷后伸長(zhǎng)率21%相比有所下降。這是因?yàn)楹缚p和熱影響區(qū)的組織主要為強(qiáng)度、硬度較高的針狀鐵素體、板條馬氏體，所以該區(qū)域的拉伸變形量會(huì)小于母材組織，整個(gè)焊接接頭的延伸率會(huì)減少。

彎曲試驗(yàn)用來檢驗(yàn)焊接接頭的塑性及缺陷，結(jié)果表明：整個(gè)接頭塑性良好，未出現(xiàn)裂紋，如圖8所示。

沖擊試驗(yàn)所得的結(jié)果見表5。表5說明，熔合線附近的沖擊吸收功最高，平均值達(dá)到174J，焊縫中心的沖擊吸收與熔合線+5mm的區(qū)域相比則有所下降。沖擊斷口形貌如圖9所示。從焊縫中心的斷口上可看見出現(xiàn)大量的凹凸不平的小坑，這是典型的韌窩斷裂，而在熔合線+1mm和熔合線+5mm的區(qū)域的斷裂形式均為準(zhǔn)解理斷裂，除了有不同高度的解理臺(tái)階，還有許多因塑性變形而產(chǎn)生的短而彎曲的撕裂棱。這是因?yàn)樵搮^(qū)域有大量的彌散細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，不再嚴(yán)格地沿一定晶體學(xué)平面擴(kuò)展，而是以晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)為源形成放射狀花樣。

3 結(jié) 論

1）采用機(jī)器人雙面雙弧焊根部無預(yù)間隙工藝可實(shí)現(xiàn)大厚板根部的良好熔合，焊縫成形美觀，接頭質(zhì)量可靠，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

2）Q345B低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭根部打底前焊道的組織為針狀鐵素體和貝氏體，打底后焊道和填充焊焊道的組織為針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體；熔合區(qū)的組織為針狀鐵素體和板條馬氏體，粗晶區(qū)的組織為板條束更粗大的板條馬氏體；正火區(qū)和非完全重結(jié)晶區(qū)的組織均為鐵素體和珠光體。

3）Q345B低合金高強(qiáng)鋼接頭焊縫處的平均硬度為223.2HV，熱影響區(qū)的硬度平均值最高，達(dá)281HV，均高于母材處的平均硬度197.1HV。焊縫與熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度均高于母材的抗拉強(qiáng)度，平均值為536.47MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為18.4%，與母材的斷后伸長(zhǎng)率21%相比有所下降。彎曲試驗(yàn)表明：整個(gè)焊接接頭塑性良好，未出現(xiàn)裂紋。熔合區(qū)沖擊吸收功最高，平均沖擊吸收功達(dá)到174J，其次為熱影響區(qū)，最低的為焊縫區(qū)。

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（編輯：王 萍）