双丝埋弧焊接头性能研究

第 41 卷
说，热影响区越窄，则焊接接头中内应力越大，越容
易出现裂纹；热影响区越宽，则变形增大。因此在工
艺上，应在焊接接头中内应力尚不足以产生裂纹的
条件下，尽量减小热影响区的宽度，这对整个焊接
接头的性能是有利的[5]。
为了精确计算热影响区的宽度，必须用具体的
峰值温度明确热影响区外端边界，而峰值温度 Tp 又 和组织性能的某些特征变化相关联[6]：
Tp＝T0＋
π
2q／v ecρ y2
式中 Tp 为距熔合线距离为 y 处的峰值温度(单 位：℃)；T0 为母材的初始温度(单位：℃)；cρ 为容积比
热容(ρ 为母材的密度，c 为比热容)；q／v 焊接线能量
(单位：kJ／cm)；y 为计算点离熔合区的距离(单位：mm)。
低碳钢或低合金钢焊接接头区域有一个很清
双丝埋弧焊，前后丝夹角 10°，两丝间距约 70 mm。 采用 V 形坡口，坡口角度 60°，钝边 8 mm，装配间 隙小于等于 1 mm，焊件背面点焊定位，清除坡口两 侧 30 mm 范围内的铁锈、油污和脏物等。
1．2 焊接参数
双丝埋弧焊接过程中，前丝、后丝共同决定了 热输入和最终的组织状态和使用性能，前后丝的作 用又不尽相同。一般前丝的电流较大而电压较小，决 定焊道的熔深；后丝电流较小电压较大，可以保证 一定的熔宽和焊缝成形[3]。本试验采用双丝双面焊，焊 接时前丝电压 35V，电流 700 A；后丝电压 40 V，电 流 500 A。具体工艺参数如表 1 所示。
a 焊接速度 42 m／h
b 焊接速度 30 m／h 图 3 焊缝金属显微组织(400×)
c 焊接速度 18 m／h
2．4 焊接热影响区金属组织
焊接热影响区经历了不同的焊接热循环，距熔 合区越近，加热的峰值温度越高，加热速度和冷却 速度也越大，焊后热影响区的显微组织性能变化也 越大。而焊接热影响区的组织分布与母材 16Mn 焊前 的热处理状态有关。在热影响区内任何一处的组织 与该处的合金成分、加热速度、最高加热温度、高温 停留时间的长短和冷却速度等因素有关。
Pm＝I(Um＋IR) 式中 I 为焊接电流；Um 为电弧热熔化焊丝的等效 电压；R 为干伸长的等效电阻值。
焊丝的熔化量由电弧的热输入量和焊丝电阻 产热量两个主要因素所决定。熔敷率的大小受焊接 电流、焊丝伸出长度和焊丝直径等因素影响。在相同 电压条件下，焊接电弧产生的热量与焊接电流、焊丝 电阻成比例。双丝自动埋弧焊的热输入高，热量损失 小，能量利用率高。试验中在焊接电流和电压不变的 情况下，改变了焊接速度，由图 1 可以看出，焊接速 度增大使焊接线能量降低，其熔敷率相应降低。
关键词：双丝埋弧焊；熔敷率；焊接接头；组织
中图分类号：TG407
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2011)03－0070－05
Research on joint property of twin wire submerged arc welding
ZHANG De-yuan，QU Jin-shan，XIE Yu-jiang，HE Fen (School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)
热影响区宽度的大小对于间接判断焊接接头 的质量有很大意义。除了由于组织变化而引起的性 能差别外，还在焊接接头中产生应力与变形。一般来
a 焊接速度 42 m／h
b 焊接速度 30 m／h 图 2 焊缝截面比较
c 焊接速度 18 m／h
Electric Welding Machine ·71·
焊接工艺
表 1 双丝埋弧焊焊接参数
试样编号 电流类型和 极性
焊接电流 I／A
前丝直流反接 前丝 700
a
后丝交流
后丝 500
焊接速度 v／m·h－1
42
前丝直流反接 前丝 700
b
30
后丝交流
后丝 500
前丝直流反接 前丝 700
c
18
后丝交流
后丝 500
2 试验结果和讨论
2．1 熔敷率
熔敷率为单位时间内熔化的焊丝金属过渡到 焊缝中的质量。由电极产热计算公式可知，用于加热 和融化焊丝的总热量 Pm 主要由两部分组成：一为电 弧的近电极区产的热量，二为焊丝干伸长的电阻热 量，可用下式表示[4]:
Key words：twin wire submerged arc welding process；deposition rate；welded joint；microstructure
0 前言
埋弧焊是焊接生产中应用最广泛的工艺方法 之一。其焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因 而特别适合中厚板长焊缝的焊接。在造船、锅炉、压 力容器、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械 以及海洋结构、核电设备制造中埋弧焊都是主要的 焊接生产工艺[1]。双丝埋弧焊的引入，减少了焊接道 次，焊接效率可以大幅度提高。通过前后丝焊接参数 的合理调整，能够在较宽的范围内控制焊接能量的
图 1 双丝埋弧焊不同速度熔敷率的比较
2．2 焊缝截面
不同焊接速度条件下的焊接接头截面如图 2 所 示。图 2a、图 2b、图 2c 三个试样的熔深分别为 12．5 mm、 14．5 mm、16 mm；熔宽分别为 20 mm、25．5 mm、30．5 mm。 经检验，焊接接头金属中未发现根部未熔合和凹坑 等焊接缺陷。从图 2 还可以看出，焊缝金属枝晶的 这种生长方式有利于低熔点杂质物凝固到焊渣中 去。双丝埋弧焊时焊接线能量较高，能量损失小，热效 率高。由于焊接热循环的特点，双丝埋弧焊在焊接时 所形成的熔池体积大，熔池中金属处于液态的时间 较长，故其焊缝外形美观，焊接质量好。
2．3 焊缝金属组织
使用 4％硝酸酒精溶液(HNO3 4 ml，酒精 96 ml) 腐蚀焊接接头，并用 OLYMPUS－TOKYO 型金相显微 镜对焊缝金属显微组织进行观察分析。在上述工艺条 件下，当焊接速度改变时，从图 3a 中可以看出，在 焊速为 42 m／h 时，焊缝区金相组织为沿柱状晶界析 出的白色粗状侧板条铁素体和块状铁素体(白色)，黑 色为珠光体组织；图 3b、图 3c 为焊接速度在 30 m／h 和 18 m／h 的条件下的焊缝区金相组织，可以看出， 与图 3a 相比粗片状的侧板条铁素体减少了，焊缝组 织多为块状铁素体和珠光体，晶内有少量的粒状贝 氏体。特别指出的是：由于图 3c 焊接速度小，相应的 增大了焊接热输入，所以熔池的冷却速度较慢，熔池 高温停留时间长，致使焊缝金属晶粒粗大。
楚的浸蚀边界，可经过对试样抛光和浸蚀后的焊缝
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截面观察到：该浸蚀边界一般相当于 730 ℃的峰值
温度。将此浸蚀边界设定为热影响区的外端边界，便
可计算热影响区的宽度，也就是求出 Tp＝730 ℃时的 y 值。
由图 2 可知，随着焊接速度从 18 m／h 增加到 42 m／h，热影响区宽度从 4．4 mm 减小到 3．2 mm。
收 稿 日 期 ：2010－05－31 基 金 项 目 ：西华大学省级重点实验室开放基金资助项目(SZJJ
2009－019) 作 者 简 介：张德远(1980—)，男，河南洛阳人，在读硕士，主要
从事先进材料连接方法和焊接接头质量控制工作。
·70· Electric Welding Machine
输入，满足不同使用条件下的性能要求。在焊接过 程中，根据板厚情况，选择合适的焊接工艺，可以大 大提高劳动生产效率[2]。对双丝埋弧焊工艺方法及其 特点的研究具有重要的现实意义。在此采用了成都 华远电器设备有限公司生产的 MZS－1250 型通用 双丝埋弧焊设备，在 16Mn 钢上进行了双丝埋弧焊 工艺试验，结合具体试验条件，研究了焊缝金属组 织和接头力学性能等，为提高双丝埋弧焊接头质量 奠定基础。
第 41 卷 第 3 期 2011 年 3 月
Electric Welding Machine
双丝埋弧焊接头性能研究
Vol．41 No．3 Mar．2011
张德远，屈金山，谢芋江，何 芬
(西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039)
摘要：在 16Mn 钢板上进行双丝自动埋弧焊工艺试验，得到了不同焊接速度下的焊件。对不同工艺参数
下得到的焊接接头试样进行了拉伸试验、硬度测试以及金属显微组织观察，并计算了双丝自动埋弧焊
时的熔敷率。结果表明：采用双丝埋弧焊得到的焊缝外形美观；金属熔敷率与焊接速度成反比；随着焊接
速度的降低焊接线能量相应的增大，较长的高温停留时间会促使接头金属组织长大；不同焊接速度下
得到的接头抗拉强度和屈服强度有明显区别。随焊接速度增大，焊缝金属硬度提高，接头金属韧性降低。
Abstract：The welding of 16Mn steel plate is conducted using twin wire submerged arc welding technology．The weldments are prepared
under the condition of the different welding speeds．For the welded joints obtained by above-mentioned welding processes，the tensile tests of the welded joints are performed，the hardness of the joint metal is measured，and the welded joint microstructure is observed． Moreover，the metal deposition rate is calculated based on the basis of the experimental data．The results show that the excellent welding bead shape is easily obtained by twin wire submerged arc welding process．The metal deposition rate is inversely proportional to the welding travel speed． The decrease of welding speed results in the corresponding increase of the welding heat input, the longer existing time of welding pool at elevated temperature causes to the relatively coarse grain microstructure of both HAZ and weld metal．The tensile and the yield strength of the joints obtained by above-mentioned welding processes are distinctly different．The microhardness of weld metal is increased and the toughness of welded joints is decreased as the welding travel speed is increased．
1 试验
1．1 试验材料和焊前准备
试验采用δ ＝20 mm 厚的 16Mn 钢板，其化学成 分为 w(C)＝0．12～0．18，w(Si)＝0．20～0．60，w(Mn)＝0．80～
焊接工艺
张德远等：双丝埋弧焊接头性能研究
第3期
1．20，w(P)≤0．050，w(S)≤0．045。焊丝采用生产中常用 的 H08A，化学成分为 w(C)≤0．01，w(Si)≤0．03，w(Mn) ＝0．30～0．55，w(Cr)≤0．02，w(Ni)≤0．30，w(S)≤0．040， w(P)≤0．040。前丝采用直流反接，后丝采用交流，前、 后丝直径 4 mm。配用焊剂 SJ101。将板材加工成规格 为 600 mm×150 mm 的焊接试件。