Q345R手工电弧表面堆焊焊接工艺的研究

Q345R手工电弧表面堆焊焊接工艺的研究
摘要本文对Q345R钢进行手工电弧表面堆焊焊接，并通过对接头组织及性能的分析，评定所选焊接工艺的合理性。

主要研究内容如下：选用手工电弧焊对Q345R进行表面堆焊；制备接头金相试样，对接头组织进行观察；对接头试件进行硬度测试，检测接头机械性能；评定焊接工艺。

关键词Q345R；手工电弧焊；表面堆焊
1研究对象
从工程方面来说，Q345R钢作为优质的国产低合金钢，以其优异的性能和相对低廉的价格在国内的石油、化工、能源等行业得到广泛应用，其所制备的压力容器常在腐蚀介质环境下工作，因此对设备的耐蚀性能力提出要求。

本文主要对Q345R钢进行带极埋弧耐蚀堆焊，并对接头的组织及性能进行研究，为生产实践提供试验依据。

不同化学元素的不锈钢会产生不同的性能影响，实际上工业上应用的不锈钢都是存在几种或几十种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一共同体系中时，他们的影响要比单独存在时复杂的多，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的综合。

本实验选用的Ts-308L、Ts-309L均为不锈钢焊条，适用于低碳钢的焊接，其可以保证焊后材料具有良好的抗晶间腐蚀性。

2实验材料及方法
2.1实验材料
1）母材。

本试验选用的母材为Q345R压力容器用钢，规格为350mm×250mm×20mm，其化学成分见表1。

表1Q345R钢的化学成分（wt.%）
C Mn Si S P
≤0.20 1.20~1.60 0.20~0.55 ≤0.025≤0.018
2）焊接材料。

表面堆焊时选用E309L-16不锈钢焊条作为过渡层进行打底，焊条直径为3.2mm；堆焊的面层选用的E308L-16不锈钢焊条，其直径为4.0mm。

2.2试验方法
1）试板焊接试验。

对Q345R试板进行手工电弧表面堆焊焊接，工艺为手工电弧多层多道堆焊，焊接层分为过渡层与面层，其中过渡层焊道数为20，面层焊道数为18。

2）接头组织观察。

对上述手工电弧表面堆焊焊接试板取样并制成金相样品，以便对接头微观组织进行观察，具体方法为：沿垂直焊缝的方向，在试板中心的位置截取尺寸为75mm×25mm×25mm的试样；将切好的试样的待观察表面在砂轮机上打磨平整，再用SiC砂纸对表面打磨直到1200号，并在抛光机上进行抛光，直至表面呈光滑无痕的镜面。

对于母材Q345R可采用4%的硝酸酒精处理，至于表面不锈钢堆焊层则因其防腐性能较好，需要采用草酸电解腐蚀。

最后再以Neophot21金相显微镜对接头微观组织进行观察。

3）接头硬度试验。

由于微观硬度的测量能够反映焊接接头微观组织的细微变化，因此，采用国产HV-10A维氏显微硬度仪，将金相观察后的试块进行布氏硬度实验，对制备好的Q345R钢焊接试样沿焊缝横截面竖直方向连续取点进行硬度测试，硬度测量点位置依次在面层、过渡层、熔合区、热影响区和母材处选取。

本次试验参照GB/T4340.1—1999《金属维氏硬度试验》，在HV-10A型小负荷维氏硬度计上完成。

试验在室温下进行，所用载荷为10kg，加载时间为10s~15s，在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

任一压痕中心中心距试样边缘距离，至少应为压痕对角线长度的2.5倍；两相邻压痕中心之间距离至少应为压痕对角线长度的3倍。

在平面上压痕两条对角线长度之差应不超过对角线平均值的5％。

用硬度机在焊接接头出打出一系列规则分布的点并查表得出其硬度，用于试验后的分析。

3试验结果及分析
3.1焊缝成形的主要特征
图1为焊道经打磨后手工电弧表面堆焊焊接试板，可以看到试板表面堆焊处焊缝外观形状平整，焊道结合紧密，表面无裂纹、气孔、塌陷等缺陷，焊缝成形良好。

图1手工电弧表面堆焊焊接试板
3.2硬度分析
基层堆焊层的硬度为156Hv~172Hv左右，表层堆焊层的硬度为154Hv~178Hv左右，两者的硬度基本相同，因而属于等强匹配。

这样既能保证两堆焊层的接合性又能保证堆焊层表面的硬度要求，是表面堆焊层有一定的强度等级，达到对母材的保护目的。

焊接的试件的硬度分布在156Hv~230Hv之间，其中母材大约在
160Hv~170Hv左右，而热影响区最高硬度在190Hv~220Hv左右，堆焊层则在154Hv~178Hv之间。

硬度曲线在升高后下降，然后趋于平稳，之后再次升高然后下降。

焊缝区和母材区的硬度相差不大，焊缝的硬度约等于母材的硬度，接头属于等强匹配。

这两个区域的硬度变化值也不大；热影响区的硬度波动较大，而且在熔合线附近的过热区出现了比母材还高的最高硬度，且其硬度呈现梯度变化。

4讨论
本论文针对压力容器用钢Q345R进行焊条电弧焊表面的不锈钢堆焊，通过对Q345R钢的堆焊焊接接头不同区域的组织和硬度进行对比和分析，得出了以下结论。

通过硬度试验观察，可以发现母材与表面堆焊层具有基本相同的硬度数值，达到了等强匹配，这样既能保证两堆焊层的接合性又能保证堆焊层表面的硬度要求，达到对母材的保护目的。

不锈钢表面堆焊层的组织分别为：基层的马氏体不锈钢组织及表层的奥氏体不锈钢组织，两者均有良好的塑性和韧性。

同时在制备金相试样的过程发现这两种不锈钢组织都具有很好的抗腐蚀能力，能达到对Q345R基体保护的作用。

综合以上论述，可以发现实验选用的手工电弧焊工艺参数可以达到试件的焊接工艺要求，且不锈钢与Q345R能够很好的连接，金相组织中没有出现明显的缺陷组织，保持了良好的接头组织性能。

同时，不锈钢表面堆焊层能够实现对机体Q345R的保护作用。

参考文献
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