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焊接參數(shù)對不銹鋼手弧焊接焊縫中鐵素體含量的影響
王士山、邊境、徐維英、崔曉東*
摘 要：大量的文獻(xiàn)及資料均證明焊接參數(shù)對不銹鋼焊縫鐵素體含量是有很大影響的，本文通過列舉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出了不銹鋼手工電焊條焊接時的不同工藝參數(shù)與焊后未經(jīng)稀釋的熔敷金屬中的鐵素體含量之間的關(guān)系及其影響規(guī)律。
關(guān)鍵詞：不銹鋼手工電弧焊 焊接參數(shù) 熔敷金屬 鐵素體含量
一．引言
眾所周知，一定量的鐵素體能夠增強(qiáng)不銹鋼焊縫金屬的抗熱裂紋性能，且鐵素體可以提高焊縫的強(qiáng)度。但是，在某些介質(zhì)中，鐵素體可能對耐腐蝕性能起有害作用，通常也認(rèn)為對低溫工況下的韌性是有害的，并且在高溫工況下也是有害的，因?yàn)樗鼤D(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘?sigma;相。因此，研究影響鐵素體含量的因素，以及如何在實(shí)際生產(chǎn)中控制鐵素體的含量變得十分重要。
近年來，我公司E309L-16和E347L-16焊條在加氫反應(yīng)器的焊接工程中用量越來越大，該種焊接工程對焊接復(fù)堆層表面的鐵素體含量要求比較嚴(yán)格。但是，通過直接和間接對焊接現(xiàn)場的了解得知，各個廠家甚至同一廠家的不同焊工之間，對焊接工藝參數(shù)的控制不盡相同。為了能夠更好的給加氫反應(yīng)器的焊接工程供貨，我們必須在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，更多的了解和掌握各種焊接工藝參數(shù)對最終焊接表面的鐵素體含量的不同影響。只有這樣我們才能夠在給各個廠家提供焊材的同時提供更加有力的技術(shù)支持。
*參加此工作的還有：陳波、王衛(wèi)東、董繼
同時，在其他的焊接領(lǐng)域和焊接工程中，鐵素體含量對焊縫質(zhì)量和整個焊接結(jié)構(gòu)的影響也是有目共睹且不容忽視的，為了能夠徹底弄清焊接工藝參數(shù)以及冷卻方式對焊縫中鐵素體含量的影響規(guī)律，我們做了如下的試驗(yàn)。
二．試驗(yàn)
1．試驗(yàn)?zāi)康?
此次試驗(yàn)意在找出焊接工藝、焊接參數(shù)對最終熔敷金屬中鐵素體含量的影響規(guī)律，主要有以下幾個大類：
- 不同的焊接電流對鐵素體含量的影響。
- 不同的焊接電壓對鐵素體含量的影響。
- 不同的冷卻方式及道間溫度對鐵素體含量的影響規(guī)律。
2．試驗(yàn)準(zhǔn)備
此次手工電弧焊試驗(yàn)，使用公司現(xiàn)有的松下WP300型直流電焊機(jī)，進(jìn)行E347L-16、E309-16和E308-16三種典型焊條的焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)所用鐵素體測定儀為德國產(chǎn)MP30型。試驗(yàn)要求對比不同焊接電流、電壓、冷卻方式等工藝條件對焊條未經(jīng)稀釋熔敷金屬中鐵素體含量的影響規(guī)律。
3．試驗(yàn)方法
1）所有焊接試驗(yàn)均采用304板做焊接試驗(yàn)底板；
2）為增強(qiáng)對比性，所有焊條均采用Φ4.0規(guī)格，以140A電流作為基準(zhǔn)電流，以短電弧焊接狀態(tài)下的電壓作為基準(zhǔn)電壓，以焊后直接水冷作為基準(zhǔn)冷卻方式；
3）堆焊面寬度≥15mm，高度≥15mm，長度≥50mm；
4）堆焊表面進(jìn)行機(jī)械加工時，加工方向與焊接方向垂直。
5）測量堆焊層表面鐵素體含量時，應(yīng)測量焊縫中心線的中段，取不少于10個有效數(shù)值的平均值。
4．試驗(yàn)過程及分析
1）不同焊接電流對鐵素體含量的影響。
焊接電流是焊接過程中的一個重要參數(shù)，是影響焊接效率、焊接工藝、焊接效果的主要因素之一。因此，此次試驗(yàn)先從焊接電流入手，采用140A和180A兩種不同的焊接電流進(jìn)行鐵素體含量試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1~3所示。
表1：E347L-16焊條使用不同焊接電流的鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約22V
|
水冷
|
12.5
|
|
180A
|
約23V
|
水冷
|
11.2
|
表2：E309-16焊條使用不同焊接電流的鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷
|
16.1
|
|
180A
|
約22V
|
水冷
|
14.2
|
表3：E308-16焊條使用不同焊接電流的鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷
|
6.9
|
|
180A
|
約22V
|
水冷
|
5.9
|
由以上三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，180A電流焊接時熔敷金屬中鐵素體含量略低于140A電流焊接所測得的結(jié)果。我們認(rèn)為，其原因主要是由于大電流焊接時的熱輸入量要明顯大于小電流焊接時的熱輸入量，由此造成了焊接過程中熔池溫度的大幅提升，溫度的提升直接
造成了焊縫成分的燒損，由表4中數(shù)據(jù)可以看出，強(qiáng)鐵素體元素Cr的燒損量最為突出，也正是這一因素造成了以上的試驗(yàn)結(jié)果。用熔敷金屬化學(xué)成分計算Creq、Nieq后查德龍圖得出的鐵素體數(shù)（見表4）雖然與用磁針法測得的鐵素體含量有一定的差別，但其變化規(guī)律是一致的，這進(jìn)一步證實(shí)了我們試驗(yàn)結(jié)果的正確性。（增大電流后對焊接電壓的微小影響也是產(chǎn)生鐵素體變化的因素之一，這一機(jī)理詳見后文描述。）
表4：熔敷金屬化學(xué)成分（%）
產(chǎn)品名稱 |
焊接電流
|
C
|
Mn
|
Si
|
Cr
|
Ni
|
N
|
FN
|
|
E347L-16
|
140A
|
0.035
|
1.25
|
0.40
|
19.96
|
9.33
|
0.044
|
11.4
|
|
180A
|
0.036
|
1.26
|
0.39
|
19.78
|
9.32
|
0.046
|
10.3
|
|
E309-16
|
140A
|
0.070
|
1.65
|
0.55
|
24.36
|
12.79
|
0.039
|
15.9
|
|
180A
|
0.070
|
1.66
|
0.53
|
24.05
|
12.77
|
0.042
|
14.2
|
|
E308-16
|
140A
|
0.043
|
1.23
|
0.47
|
19.22
|
9.55
|
0.042
|
7.6
|
|
180A
|
0.043
|
1.20
|
0.48
|
19.02
|
9.53
|
0.044
|
6.8
|
2）電壓變化對鐵素體含量的影響。
電弧電壓的影響因素很多，不同的藥皮類型、不同的焊接手法、不同的焊接電流等均對電弧電壓有一定的影響。找出電弧電壓與熔敷金屬中鐵素體含量之間的關(guān)系，對實(shí)際焊接有著重要的指導(dǎo)意義。本次試驗(yàn)采用正常短弧焊接時的電壓作為基準(zhǔn)電壓，采用人為拉長電弧的焊接手法提高電弧電壓，電壓約增加3~5V，以此進(jìn)行對比試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表5~7所示。
表5： E347L-16焊條不同焊接電壓鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約22V
|
水冷
|
12.5
|
|
140A
|
約26V
|
水冷
|
4.3
|
表6： E309-16焊條不同焊接電壓鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷
|
16.1
|
|
140A
|
約26V
|
水冷
|
8.9
|
表7：E308-16焊條不同焊接電壓鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
降溫方法
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷
|
6.9
|
|
140A
|
約25V
|
水冷
|
1.5
|
由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，高電弧電壓焊接的熔敷金屬中鐵素體含量明顯低于正常焊接時的鐵素體含量，我們認(rèn)為，造成如此大差異的主要原因是焊縫增氮量的不同。眾所周知，焊條藥皮的主要作用之一就是產(chǎn)生氣體保護(hù)熔池，電弧拉長、電壓增高后，焊條藥皮套筒距焊接熔池的距離增加，造成對熔池的保護(hù)效果變差，從而增大了氮元素的滲入量（具體數(shù)據(jù)見表8），而氮元素是強(qiáng)奧氏體元素，其奧氏體化作用是鎳元素的20~30倍，氮元素含量的增高是造成此差異的直接因素。
表8：電壓變化對熔敷金屬含氮量的影響
焊條型號 |
焊接電壓
|
體素體
|
氮含量（%）
|
|
E347L-16
|
約22V
|
12.5
|
0.044
|
|
約26V
|
4.3
|
0.099
|
|
E309-16
|
約21V
|
16.1
|
0.039
|
|
約26V
|
6.2
|
0.092
|
|
E308-16
|
約21V
|
6.9
|
0.042
|
|
約25V
|
1.5
|
0.081
|
3）不同的層間溫度及冷卻方式對鐵素體含量的影響
焊接時的道間及層間溫度也是焊接過程中易于變化的一個焊接參數(shù)，此次試驗(yàn)的三種電焊條均采用了三種不同的冷卻方式進(jìn)行對比
試驗(yàn)：水冷至室溫、空冷至室溫和空冷層溫≥500℃。
表9：E347L-16焊條不同層溫鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
層溫控制
|
鐵素體
|
|
140A
|
約22V
|
水冷至室溫
|
12.5
|
|
140A
|
約22V
|
空冷至室溫
|
10.8
|
|
140A
|
約22V
|
空冷層溫≥500℃
|
9.6
|
表10：E309-16焊條不同層溫鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
層溫控制
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷至室溫
|
16.1
|
|
140A
|
約21V
|
空冷至室溫
|
13.6
|
|
140A
|
約21V
|
空冷層溫≥500℃
|
12.1
|
表11：E308-16焊條不同層溫鐵素體含量（%）對比
焊接電流 |
焊接電壓
|
層溫控制
|
鐵素體
|
|
140A
|
約21V
|
水冷至室溫
|
6.9
|
|
140A
|
約21V
|
空冷至室溫
|
5.6
|
|
140A
|
約21V
|
空冷層溫≥500℃
|
4.3
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從鐵素體含量測量的結(jié)果可以看出：層溫控制采用水冷方式的熔敷金屬中鐵素體含量最高，空冷且層溫≥500℃的熔敷金屬鐵素體含量最低，空冷至室溫的熔敷金屬中鐵素體含量居中。造成此數(shù)據(jù)差異的原因主要是以下兩個方面：首先，試塊焊后立即水冷可以縮短高溫試塊與空氣的接觸時間，減小增氮量和元素的氧化燒損。其次，層溫的高與低，對焊接起到了不同程度的預(yù)熱作用，影響了焊接時的最高溫度，從而影響了焊縫合金元素的燒損，其原理類似于采用大電流焊接。
三. 結(jié)論
通過此次試驗(yàn)，對比各組數(shù)據(jù)，我們不難得出以下幾項(xiàng)結(jié)論：
1. 熔敷金屬中的鐵素體含量隨焊接電流的增大而降低。
2. 熔敷金屬中的鐵素體含量隨電弧電壓的提高而急劇下降，焊接電壓是影響鐵素體含量的最主要因素。
3. 熔敷金屬中的鐵素體含量隨降溫速度的加快而有所提高，隨層間溫度的提高而有所下降。
4. 控制焊接工藝，對保證不銹鋼焊接質(zhì)量意義很大，應(yīng)在實(shí)際焊接中引起高度重視。
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