超窄間隙焊接焊劑帶的制作工藝及接頭性能的研究

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：超窄間隙焊接焊劑帶的制作工藝及焊接接頭性能 學(xué)生姓名： 系 別： 機械與電氣工程系 專業(yè)年級： 指導(dǎo)教師： 2014 年 6 月 15 日摘要利用焊劑帶約束電弧可以很好地解決超窄間隙焊接中容易出現(xiàn)的問題，焊劑帶可有效約束電弧，阻止電弧攀升，同時使電弧對側(cè)壁及坡口底部集中加熱，使其完全熔合。由于超窄間隙焊接方法坡口較窄，因此對焊劑帶的厚度要求較高；所以要使電弧能夠受到很好的約束，焊劑帶必須足夠致密。本文針對原有焊劑帶致密度不足的問題，研制出新的焊劑帶，并通過焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的方法對工件進行焊接，最后對焊接接頭進行組織與性能的分析。對兩種鋼的接頭組織與性能

2、進行研究分析發(fā)現(xiàn)，X60管線鋼的熱影響區(qū)組織晶粒細小，粗晶區(qū)晶粒長大并不嚴重；焊縫硬度高于母材，軟化區(qū)非常窄，大大降低了對焊縫強度及韌性的不利因素，且與傳統(tǒng)焊接方法焊接接頭相比較，其硬度值要高出65左右。焊縫具有高于母材的拉伸強度，且低溫沖擊韌性良好。430不銹鋼粗晶區(qū)組織晶粒較為粗大，但由于其熱影響區(qū)很窄，對整個接頭的不良影響并不是特別大。在拉伸時，所選用的試樣均在母材處斷裂，由此也可證明接頭的強度相對于母材并沒有降低，反而有一定程度的提升。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超窄間隙焊接；焊劑帶；接頭組織與性能；ABSTRACTUse of flux strips to constrict arc can we

3、ll solve the easily occurred problems of ultra narrow gap welding，.The flux strips can effectively restrain arc，prevents the arc going up along the sidewall，make the arc heat on the side wall and groove bottom centralized，and get the full fusion. With a relatively narrow grove in the ultra narrow ga

4、p welding，the thickness requirements of flux strips is high. And the flux strips must be sufficiently dense. Aiming at the problem of flux strip density ,the paper developed new flux strips，welded work pieces by ultra narrow gap welding with constrained arc by flux strips, and analyzed organization

5、and performance of the welded joints at last.First，the new production mold of flux strips is designed and developed to improve the production method，based on the pre-test. The mold mainly have the following characteristics:(1)The mold is small and portable，So that it s convenient to remove and stora

6、ge;(2)To press the wire mesh，the silicone band is used and gradients are made on the mold base;(3)Using elastic deformation ability of foam rubber，the both sides of black rubber used to control the flux amount can quickly return to original position，which ensure the consistency of strips thickness a

7、nd density.Key Words：Ultra narrow gap welding；Flux strips；Production mold of flux strips；Microstructure and properties of welded joints目錄第 1 章 緒論 .11.1 超窄間隙焊接的研究意義 .11.1.1 窄間隙焊接的分類及特征 .11.1.2 超窄間隙焊接的特征 .11.1.3 超窄間隙焊接存在的問題 .11.1.4 超窄間隙焊接研究現(xiàn)狀 .21.2 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法的發(fā)展與研究 .21.2.1 貼敷式焊劑片 .31.2.2 連續(xù)送進的焊劑帶

8、 .41.2.3 金屬支架式預(yù)置焊劑片 .51.2.4 鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶 .51.2.5 金屬絲網(wǎng)預(yù)置焊劑帶 .61.3 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊 .71.3.1 焊劑帶對電弧約束的影響 .71.3.2 焊接電壓的影響 .81.4 本文研究內(nèi)容 .8第 2 章 焊劑帶的制備 .102.1 引言 .102.2 焊劑帶制作模具的設(shè)計 .102.2.1 設(shè)計思路 .102.2.2 模具的研制 .102.3 焊劑帶的制備 .122.3.1 焊劑的顆粒度篩選 .122.3.3 焊劑帶的制作工藝 .132.4 本章小結(jié) .13第 3 章 焊接工藝試驗 .153.1 引言 .153.2 實驗設(shè)備及裝置

9、 .153.3 焊接試驗 .163.3.1 X60 管線鋼的焊接.173.3.2 430 不銹鋼的焊接.183.4 本章小結(jié) .18第四章 焊接接頭組織與性能分析 .194.1 引言 .194.2 X60 管線鋼焊接接頭的組織性能 .194.2.1 焊接接頭的組織 .204.2.2 焊接接頭的硬度測試 .214.2.3 焊接接頭的拉伸性能試驗 .224.2.4 焊接接頭的低溫沖擊韌性實驗 .234.4 本章小結(jié) .24第五章 結(jié)論 .26參考文獻 .27致 謝 .291第 1 章 緒論1.1 超窄間隙焊接的研究意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)逐漸趨于大型化，厚鋼板用量逐漸增多。而在生產(chǎn)過程中既

10、要保證焊接質(zhì)量，又要降低成本，同時還要保證較高的效率；傳統(tǒng)的焊接方法不僅開坡口困難、焊接速度慢，而且焊后變形大，已無法滿足要求；一些新的高效的焊接方法則逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)中。1.1.1 窄間隙焊接的分類及特征窄間隙焊接方法由于可以大幅度地減少坡口面積，在較低焊接線能量下，實現(xiàn)高效焊接，而被廣泛應(yīng)用于各種大型重要結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料，窄間隙焊接方法有如下幾種：窄間隙熔化極氣體保護焊，窄間隙埋弧焊，窄間隙電渣焊，窄間隙手工電弧焊，窄間隙激光焊，窄間隙TIG焊等。窄間隙焊接作為一種高效焊接技術(shù)，以下特征：(1)多采用I形坡口，間隙窄，坡口截面積小，所需填充材料少；(2)多層焊接，后層焊道對前層焊道起到焊后

11、熱處理作用；(3)熱輸入小，采用小或中等的焊接線能量，殘余應(yīng)力較小，焊件變形小；(4)熱影響區(qū)較窄，接頭力學(xué)性能良好。1.1.2 超窄間隙焊接的特征超窄間隙焊接是對常規(guī)窄間隙焊接的繼承和發(fā)展，所用間隙寬度更小。超窄間隙焊接具有如下特征：(1)采用熔化極電弧焊接方法而且電弧無須擺動；(2)采用“I”形坡口，間隙寬度一般不超過6mm；(3)多層單道焊接；(4)自下而上的焊接；(5)采用比常規(guī)窄間隙焊接更小的線能量，最小可達0.5KJmm；(6)有實現(xiàn)全位置焊接的可能性。1.1.3 超窄間隙焊接存在的問題超窄間隙焊接是一種經(jīng)濟的、能夠得到優(yōu)良機械性能且變形小的優(yōu)質(zhì)焊接接頭的焊接方法；但由于坡口間隙的

12、進一步減小，焊接過程中出現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)焊接方法不2同的新問題。1.電弧沿側(cè)壁攀升超窄間隙焊接主要是為了能在電弧不擺動的情況下，通過減小坡口間隙使兩側(cè)壁都位于電弧的高溫加熱區(qū)域，保證兩側(cè)壁的熔合。但是，當I形坡口的間隙減小到一定程度時，焊絲熔化端頭到熔池的距離大于焊絲熔化端頭到側(cè)壁的距離，電弧無法通過自調(diào)節(jié)作用維持自身穩(wěn)定性，會沿側(cè)壁攀升出來，導(dǎo)致焊接過程無法進行。這種不穩(wěn)定的電弧現(xiàn)象叫做“電弧攀升。2.焊縫成形過程中，側(cè)壁根部熔合不良在超窄間隙焊接過程中，由于電弧的攀升，電弧高溫加熱區(qū)上移：當坡口間隙減小到6mm以下時，電弧斑點極易攀爬上側(cè)壁，反而會使側(cè)壁根部不能被加熱，導(dǎo)致兩側(cè)壁根部熔合不良

13、。除此之外，超窄間隙焊接與窄間隙焊接一樣，還存在其它有待改進的地方；如焊接修補困難，焊前需要調(diào)整焊絲對準位置，裝配時間長等。1.1.4 超窄間隙焊接研究現(xiàn)狀電弧攀升是超窄間隙焊接中首要解決的問題。目前已開發(fā)了多種防止電弧攀升的超窄間隙焊接方法。2002年，張富巨等人公開了一種超窄間隙GMA自動弧焊方法。該方法使用特定的焊槍，采用單絲居中無電弧側(cè)偏的工藝，利用超低飛濺率脈沖控制脈沖逆變電源，使電流、電壓的波形輸出與熔滴空間狀態(tài)接近完全對應(yīng)，并對BHW35低合金熱強鋼板和980鋼厚鋼板進行了焊接實驗，基本解決了超窄間隙焊接中電弧攀升的問題，并能得到質(zhì)量較高的焊接接頭。1.2 焊劑帶約束電弧超窄間隙

14、焊接方法的發(fā)展與研究根據(jù)電弧的最小電壓原理，在電流和周圍條件一定的情況下，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一適當?shù)臄嗝妫员ＷC電弧的電場強度具有較小的數(shù)值，即在固定弧長上的電壓最小。根據(jù)這個原理，在電流和周圍條件一定時，電弧的斷面大了，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面將增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量要增加，必須增加電場強度，以產(chǎn)生更多的熱量才能與其相平衡。在這種情況下，電弧會自動縮小其斷面面積，以減小能量消耗；若斷面小了，電弧的電流密度增加，即在較小的斷面里通過相同數(shù)量的帶3電粒子，使電阻率增加，若維持相同的電流就必須增加電場強度。此外，器壁與弧柱接觸，器壁將會吸收一部分的電弧熱：同時器壁表面為電子和陽離子的結(jié)

15、合提供了有利條件，二者的結(jié)合也需要吸收熱量，這都會促使電弧截面收縮，電流密度增加。其實，固壁約束電弧在一些焊接方法中都有不同程度的體現(xiàn)。結(jié)合超窄間隙焊接的特點，本課題采用焊劑帶約束電弧的方法以實現(xiàn)超窄間隙焊接。利用焊劑帶約束電弧的方法，是將涂覆有絕緣作用焊劑的焊劑帶或焊劑片貼敷在坡口兩側(cè)壁或者由機構(gòu)送入坡口間隙，從而被焊劑帶覆蓋的側(cè)壁與電極之間絕緣。焊接過程中，電弧在焊縫底部與焊劑帶端頭被熔化部分之間燃燒；當焊劑帶熔化后電弧才能加熱并熔化側(cè)壁。實驗發(fā)現(xiàn)，焊劑帶在焊接過程中起著至關(guān)重要的作用，所以其制備工藝不容忽視。本課題組經(jīng)過不斷地改進創(chuàng)新，已經(jīng)開發(fā)出多種焊劑帶，同時研制出與之對應(yīng)的適合超窄間

16、隙焊接的焊槍及相關(guān)裝置，并進行了相關(guān)的工藝試驗。1.2.1 貼敷式焊劑片這種焊劑片是將研磨成絮狀的焊劑壓涂在鐵絲網(wǎng)上，使焊劑牢固地填充鐵絲網(wǎng)格。然后將焊劑片分別粘在坡口兩側(cè)壁，再把粘有焊劑片的焊件放入爐內(nèi)加熱，加熱溫度為200300，以清除焊劑片內(nèi)殘余水分，并加快粘結(jié)劑的固化速度。如下圖1-1所示為焊劑片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 1-1 貼敷式焊劑片結(jié)構(gòu) 1131焊前，現(xiàn)實焊槍居于坡口中間，保證導(dǎo)電嘴沿著間隙的中線運動。焊接過程中，焊絲通過校直機構(gòu)被送絲輪送入導(dǎo)電嘴。導(dǎo)電嘴由兩塊連在彈簧上的銅片構(gòu)成；焊絲被送入后，即被導(dǎo)電銅片上的凹槽夾緊并送入間隙中。使用該焊接裝置，可以在不借助外力的情況下將非常直的

17、焊絲送入不同寬度的間隙中，且能保證電流傳輸穩(wěn)定。 利用此方法焊接基本解決了電弧攀升的問題，得到的焊縫表面光滑，無宏觀缺陷，硬度高，沒有寬大的粗晶區(qū)，并且熱影響區(qū)較窄，接頭力學(xué)性能良好。但在使用過程中，貼敷式焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法仍存在一些問題。該4方法在清理焊渣時極易使焊劑片從側(cè)壁剝離；而超窄間隙焊接采用多層單道焊，要求每焊完一道就要清理一次焊渣；若在清理焊渣時，將焊劑片從側(cè)壁上剝離開來，無疑會影響后續(xù)焊接的正常進行，因而限制了該方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)。最后，該方法中焊劑的量不易控制且易造成央渣等缺陷。實踐證明，焊劑片越厚，對電弧的約束效果越好，但是在焊接時產(chǎn)生的熔渣量也就較多；另一方面，

18、由于兩側(cè)壁之間間隙很窄，熔渣較為集中。進行焊接時，容易導(dǎo)致熔渣隨熔池向前流動，從而使電弧在前流的熔渣表面上燃燒，以至于電弧不能有效加熱熔渣覆蓋的間隙底部而形成夾渣以及熔合不良。由此可知，此種焊劑帶約束電弧的方式應(yīng)用于生產(chǎn)仍存在很多問題，故需要研究開發(fā)出新的可用于實際生產(chǎn)的焊劑帶。1.2.2 連續(xù)送進的焊劑帶根據(jù)文獻13-16，連續(xù)送進式焊劑帶的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，中間是一條兩面涂有焊劑的鋼帶，鋼帶的厚度為0.1mm，寬6mm。焊劑的主要成分是大理石、螢石、鈦白粉和純堿，其中大理石主要用于造氣、造渣、穩(wěn)弧，螢石的主要作用是脫氫，鈦白粉可以穩(wěn)弧及改善脫渣性，而純堿的作用主要是穩(wěn)弧。為了使焊劑牢固地

19、粘在鋼帶表面，需要對剛帶進行表面處理；首先用電解的方法除去鋼帶表面的油污，超窄間隙焊接焊劑帶的制作T藝及焊接接頭性能然后選擇具有合適大小沙粒的磨輪對鋼帶進行打磨。將配置好的焊劑與硅溶膠攪拌均勻后涂覆在鋼帶表面。焊劑帶的厚度通過改變硅溶膠的濃度和涂覆次數(shù)來孔子。圖1-2連續(xù)送進式焊劑帶結(jié)構(gòu)焊接時，焊劑帶從焊槍的倒帶槽上端入口穿入，經(jīng)過送帶輪和夾緊裝置，被連續(xù)送入間隙內(nèi)的電弧兩側(cè)，焊劑帶緊貼坡口的兩側(cè)壁。由于焊劑帶絕緣性能良好，可將電弧與側(cè)壁隔離，防止電弧攀升。電弧被約束在焊劑帶熔化端頭與間隙底部之間，能5量集中，使間隙側(cè)壁和底部得到充分加熱。在焊接過程中，必須要確保導(dǎo)電嘴始終在合適的位置，使焊絲

20、居中，防止焊絲發(fā)生偏移，或?qū)щ娮炫c側(cè)壁接觸。1.2.3 金屬支架式預(yù)置焊劑片為了解決連續(xù)送入式焊劑帶工藝可靠性不高，對電弧約束程度不能精確控制等缺點，課題組又研究開發(fā)出一種新的焊劑帶送入方式。該方法預(yù)先將焊劑片沿間隙長度方向排布防置在坡口中，并利用特制的金屬支架將焊劑片固定。通過調(diào)節(jié)金屬支架，可以改變焊劑片下邊緣與間隙底部的距離及焊劑片的預(yù)置高度，未被焊劑帶覆蓋的側(cè)壁金屬的范圍也會因此而得到調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)焊劑片對電弧的約束程度。如圖1-3所示：圖1-3金屬支架式預(yù)置焊劑片約束電弧原理超窄間隙焊接的坡口，間隙本身就很小，而此方法還要在窄小的破口中置入金屬支架；這樣能夠讓焊絲順利通過的通道就會很小

21、，原來使用的導(dǎo)氣管因不能通過間隙而不能再使用，從而對電弧和熔池金屬的氣體保護就需要通過加大焊劑產(chǎn)氣量來實現(xiàn)。如此，焊劑片所涂覆的焊劑厚度就必須增加，而涂料層越厚，干燥時的收縮就越大，很容易發(fā)生干裂，甚至脫落；這就要求焊劑和鋼帶之間有更高的結(jié)合強度。該實驗采用無機膠中分散無機焊劑的方法制作涂料，提高了鋼帶與涂料的結(jié)合強度。焊接前，將幾個金屬支架分散放入間隙，使焊劑片夾在支架與側(cè)壁之間。另外金屬支架的一些必要部位須做絕緣處理。首先金屬支架對焊劑帶的夾緊力不夠大，這就導(dǎo)致焊接過程中，未燃燒的焊劑帶在電弧力和其他外力的作用下偏離原來的位置，致使焊接電弧不穩(wěn)定，以及對電弧的約束程度的控制不精確；其次，鋼

22、帶的處理太過復(fù)雜，且對裝置的要求較高，操作不6夠靈活簡便。1.2.4 鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶預(yù)置式焊劑帶需滿足的基本要求是：需要穩(wěn)定有效地約束電弧，且焊劑帶定位必須精確。據(jù)此，課題組開發(fā)出了鐵絲網(wǎng)預(yù)置內(nèi)芯式焊劑帶。如圖1-4所示鐵絲網(wǎng)預(yù)置內(nèi)芯式焊劑帶以鐵絲網(wǎng)作為骨架，將涂有焊劑的玻璃絲網(wǎng)利用硅溶膠粘在鐵絲網(wǎng)兩側(cè)。其制作工藝如下：首先對玻璃絲網(wǎng)進行熱處理和酸堿刻蝕處理，其中熱處理的作用是除去玻璃纖維表面具有抗摩擦作用的膠料，而酸堿刻蝕處理則是通過酸堿在玻璃纖維表面進行化學(xué)反應(yīng)形成一些凹陷或微孔，以此增加玻璃纖維與焊劑的結(jié)合強度：將配置好的焊劑均勻涂抹在處理過的玻璃絲網(wǎng)上，并加以擠壓、干燥、裁剪后

23、待用。然后將鐵絲網(wǎng)進行退火處理以便于彎折，最后將兩片預(yù)先準備好的涂有焊劑的玻璃絲網(wǎng)粘在鐵絲網(wǎng)兩側(cè)。 圖1-4鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶焊接時先將干燥好的焊劑帶折成U形，如上圖，再放入坡口底部；焊絲通過導(dǎo)電嘴被送入坡口，形成電弧，是焊劑帶熔化；同時焊劑帶對電弧產(chǎn)生一定的約束作用。實驗證明，鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑片可有效地約束電弧，能夠精確控制約束程度和作用范圍，焊接過程穩(wěn)定，并可獲得成型好，無任何宏觀缺陷的焊縫。但是其制備過程復(fù)雜，步驟繁多，需要考慮的因素較多，不適合大批生產(chǎn)；且焊劑帶使用了玻璃絲網(wǎng)，引入了較多的Si02，為焊接材料的匹配帶來了不確定因素。1.2.5 金屬絲網(wǎng)預(yù)置焊劑帶如文獻16所述，

24、該方法需要先剪裁一規(guī)則形狀的金屬絲網(wǎng)，然后將焊劑直接壓涂在金屬絲網(wǎng)兩側(cè)，中間空余，該方法需要先剪裁一規(guī)則形狀的金屬絲網(wǎng)，然后將焊劑直接壓涂在金屬絲網(wǎng)兩側(cè)，中間空余。圖1-5鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶7圖1-5焊劑帶結(jié)構(gòu)設(shè)計焊劑帶的具體制作步驟如下：(1)金屬絲網(wǎng)的處理。首先將鐵絲網(wǎng)按合適的尺寸剪裁好，經(jīng)過校直后，利用配置好的膠液對金屬絲網(wǎng)進行絕緣處理，并晾干。(2)將配好的焊劑與硅溶膠攪拌均勻后涂覆在金屬絲網(wǎng)上，并保證厚度均勻一致。(3)將涂有焊劑的金屬絲網(wǎng)放在特制的滾壓模具上滾壓，以確保焊劑的緊實致密以及與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強度。(4)將壓好的焊劑帶放進烘箱中，加熱至一定溫度，并保溫一段時間，以確保

25、焊劑帶中的水分被完全去除，同時還要避免焊劑再過高溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變質(zhì)。(5)將焊劑帶折成U形。該焊劑帶制備方法關(guān)鍵在于滾壓模具的研制。經(jīng)過設(shè)計比較幾種滾壓模具的優(yōu)點及存在的問題，最終選用了拱形滾壓模具。其中，鋼條和橡膠設(shè)計成拱形的目的主要是固定金屬絲網(wǎng)；滾壓時，焊劑帶放于鋼帶之下，轉(zhuǎn)動拉緊器的蝸桿軸使鋼帶被拉緊。鋼帶、金屬絲網(wǎng)、鋼條在鉛直方向的分力的作用下，摩擦增大，三者間相對滑動則變得困難，從而使金屬絲網(wǎng)得到緊固。同時該方法還利用鋼帶的剛性，以其為基準面涂抹、滾壓焊劑，基本做到焊劑帶的厚度保持一致，解決了如何較精確控制焊劑帶厚度的問題。但是在滾壓時，由于模具尺寸及受力程度所限，所使用的滾

26、壓工具不能太重，這樣焊劑帶所受的力不夠大，致密度就不夠；實驗已證明，同一種方法做出的焊劑帶越厚，對電弧的約束能力越好，這也就說明了焊劑的量影響了焊劑帶對電弧的約束程度；所以在某些情況下，當焊劑帶不夠致密時，要達到更好地約束電弧的目的，就只能增加焊劑帶的厚度，這無疑就限制了超窄間隙焊接時坡口的尺寸，阻礙了焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接向更小的間隙發(fā)展。同時在滾壓過程中，需要用人力來操控滾子前進，這就要求人在豎直方向完全不施力，這對于操作者來說難度較高。綜合幾種焊劑帶的特點，還需要進一步改進，完善焊劑帶的不足之處，使其對電8弧的約束加強，更適用于超窄間隙焊接。1.3 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊實踐證明，

27、焊劑帶約束電弧的方法適用于超窄間隙焊接，并且有很大的發(fā)展空間；作為超窄間隙焊接的一種，它具有自身的特點。1.3.1 焊劑帶對電弧約束的影響首先，焊劑帶的預(yù)置高度直接控制著電弧的約束程度。由于焊劑帶主要是靠其上涂覆的絕緣性焊劑對電弧起到固壁約束的作用，因此當焊劑帶的裸露高度較大時，電弧就會較長，電弧的作用范圍半徑大，擴張至坡口側(cè)壁，電流密度比較小，電弧加熱不夠集中；若裸露高度大至一定程度可能會導(dǎo)致間隙底部熔合不良，起不到約束電弧的目的。隨著焊劑帶預(yù)置高度逐漸減小，弧長逐漸縮短，電弧的作用范圍逐漸由側(cè)壁過渡到間隙底部，其熔滴過渡類型也隨之而改變。要使側(cè)壁和間隙底部均得到良好的加熱效果，需要選擇合適

28、的焊劑帶預(yù)置高度。其次，焊劑帶的厚度影響電弧的約束程度及焊縫的質(zhì)量。同一種情況下的焊劑帶越厚，越不易燒損，電弧前端所接觸到的焊劑帶面積越大，這就使得焊劑帶對電弧的固壁約束能力越強，焊接過程中電弧燃燒越穩(wěn)定。電弧在焊劑帶固壁約束的作用下，集中對側(cè)壁的根部及間隙底部加熱，使得側(cè)壁的熔化高度顯著降低，而間隙底部的熔化寬度卻增大；同時母材的熔化量增加，使側(cè)壁根部更容易完全熔合，獲得良好的焊縫形態(tài)。1.3.2 焊接電壓的影響在焊接過程中，焊接電壓是一個重要的工藝參數(shù)。當其他條件不變時，隨著電壓的增加，弧長增大，電弧的作用范圍增大，電弧加熱的區(qū)域由一開始只在坡口底部逐漸擴張至側(cè)壁。電弧對焊劑帶的加熱區(qū)域也

29、逐漸增大，焊劑帶熔化量增多。由于焊劑帶的熔化是一個吸收熱量的過程，電弧受到冷卻作用而收縮，加強了電弧約束，使電弧較為集中。在一定的電壓范圍內(nèi)，電弧的加熱區(qū)域被控制在側(cè)壁和坡口底部；同時，電壓的增大也使電弧熱增加，所以母材和側(cè)壁及坡口底部的熔化量都在一定程度上有所增加。因此，使用較大的焊接電壓，也可得到形態(tài)良好的焊縫。1.4 本文研究內(nèi)容超窄間隙焊接能源消耗小，生產(chǎn)效率高，并且能得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，對超細晶粒鋼的焊接有很大的適用性，引起焊接界的興趣，并逐漸被認可。9在焊劑帶約束電弧的方法中，焊劑帶的制備工藝至關(guān)重要，要求設(shè)計出的焊劑帶不僅能夠滿足超窄間隙焊接要求，同時還要保證焊接接頭的安全性。本

30、課題針對原有方法制備的焊劑帶不夠致密等問題研制出新的焊劑帶，并對X60鋼及430不銹鋼的材質(zhì)特點及焊接性進行了深入了解，研究這兩種鋼材利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法得到的焊接接頭的組織、性能，本課題研究的主要內(nèi)容如下：(1)設(shè)計新的焊劑帶制作模具，研究分析相關(guān)因素對其影響，制備實驗所用的焊劑帶。(2)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，進行焊接工藝試驗，并確定合理的工藝參數(shù)。(3)制備相關(guān)試樣，對焊接接頭進行焊后力學(xué)性能測試，并觀察焊縫、熱影響區(qū)等顯微組織，進行焊后工藝評定。10第 2 章 焊劑帶的制備2.1 引言焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法中，焊劑帶的制作是最為關(guān)鍵的。它不僅要能夠滿足焊接生產(chǎn)要求，解決

31、超窄間隙焊接中容易出現(xiàn)的問題，還要制作簡單、儲存方便、適于批量生產(chǎn)；所以在研制過程中，必須要精益求精。目前設(shè)計開發(fā)的焊劑帶存在的主要問題是焊劑的致密度不夠，對電弧的約束程度還沒有達到理想的狀態(tài)；當要求對電弧約束較好時，需要的焊劑帶厚度比較大，如此一來，焊絲能夠通過的間隙就會變得相對更窄，對焊槍、坡口尺寸等要求就更高，為實驗進行帶來一定程度上的不便。因此需要設(shè)計出一種新的焊劑帶制作方法，通過增加焊劑帶滾壓時所受的力來提高焊劑帶的致密度。2.2 焊劑帶制作模具的設(shè)計2.2.1 設(shè)計思路要通過增加焊劑帶滾壓時所受的力來提高焊劑的致密度，首先不能單純依靠人力，這是因為人力不能保證用力均勻，焊劑帶的薄厚

32、程度也就不一致，并且人力不能達到足夠大，所以焊劑帶的滾壓可以用揉面壓皮機來完成。但是由于揉面機兩個滾子之間的力非常大，涂覆好的焊劑帶并不能直接在機器上滾壓，否則就會將金屬絲網(wǎng)上涂覆的焊劑擠壓出來，而不能粘在金屬絲網(wǎng)上。因此，設(shè)想連同焊劑帶制備模具一起放進機器進行滾壓。這就要求模具的體積不能過大，強度足夠高；放置焊劑帶的地方還要有一定的彈性，擠壓時可收縮，滾壓完成后還能夠恢復(fù)原狀；并且還要保證焊劑不會被擠出模具。根據(jù)這個思路，我們設(shè)計出焊劑帶制作模具，并進行了焊劑帶的制作。2.2.2 模具的研制本課題參考以前拱形式滾壓模具研制出的焊劑帶制作模具如下圖2-1所示。從圖中可以看出，焊劑帶制作時，首先

33、要把剪裁好且經(jīng)過處理的金屬絲網(wǎng)放置在硅膠帶下，然后再進行焊劑的涂覆。模具的主體是基座部分；考慮滾壓時模具所受的擠壓力非常大，為使模具使用壽命長且不易變形，選用強度、硬度較高的工具鋼來制作模具基座。本文選用的是450388mm的工具鋼，并且，為防止工具鋼加工變形，預(yù)先對其進行了退火處理。11圖2-1焊劑帶的制作模具因為要順利進行焊劑帶的涂覆，首先就要保證金屬絲網(wǎng)不能輕易被移動，所以在設(shè)計時首先要思考的就是如何固定金屬絲網(wǎng)。模具基座的兩端各開了一個深度為1.5毫米的鍵槽，然后又在槽的外側(cè)各開了一個方孔出來用于穿引硅膠帶，其中一個方孔一定要較長。再將切好的硅膠帶穿過兩個方孔及背面的黑橡膠墊板，拉緊并

34、于背面開槽處打結(jié)。當金屬絲網(wǎng)被放置在硅膠帶下時，由于鍵槽與基座上表面之間有一個1.5mm高的梯度，硅膠帶被拉緊后，它的兩端就會與水平面之間形成一個坡度，如此一來硅膠帶就會對基座上表面產(chǎn)生一個向下的力的作用，使硅膠帶與金屬絲網(wǎng)間的摩擦增大，金屬絲網(wǎng)在被刮擦?xí)r將不會輕易移動。其中，硅膠帶的寬度是根據(jù)坡口間隙的寬度與焊劑帶要預(yù)置的高度來定，同時還要考慮硅膠帶被拉緊時由于變形產(chǎn)生的誤差。需要注意的是，硅膠帶彈性較大，在切割時其尺寸并不容易精確控制，形狀上也會切出呈鋸齒狀的參差不起的小牙。所以，我們先將一整條的硅膠帶利用雙面膠固定在一剛性物體上，例如尺寸足夠的紙張、表面平整的鋼板等，然后再利用標尺劃線壓

35、緊切割；切好后很容易直接將硅膠帶揭下，雙面膠并不會留在硅膠帶上。實驗室現(xiàn)有的硅膠帶有兩種規(guī)格，分別為寬12mm、厚1.1mm的和寬120mm、厚2mm的，根據(jù)試驗要求，經(jīng)過處理要使硅膠帶變?yōu)閷挾葹?mm，長度為32mm。考慮到硅膠帶在拉緊時寬度減小，其初始寬度定位4.5mm。其中，2mm厚的硅膠帶可用于制各較厚的1.5mm左右的焊劑帶，以便在根焊時使用。除了固定金屬絲網(wǎng)，硅膠帶還可以限制焊劑帶的厚度；若想改變焊劑帶厚度，可通過在硅膠帶上貼鋼帶的方法來實現(xiàn)。在硅膠帶的下方也開了一個與硅膠帶寬度相同的槽，其作用是，當焊劑帶被送入揉面機進行滾壓時，由于中間硅膠帶所覆蓋的金屬絲網(wǎng)下方是空的，如此一來硅

36、膠帶受到擠壓就會連同金屬絲網(wǎng)一起下移，而硅膠帶厚度、寬度并不會產(chǎn)生太大變化，這12樣既能保證焊劑帶中間裸露部分的寬度一定，還可達到使焊劑帶更致密的目的。2.3 焊劑帶的制備根據(jù)超窄間隙焊接的特點，要求制作的焊劑帶不能太厚，金屬絲網(wǎng)裸露部分根據(jù)間隙寬度而定。2.3.1 焊劑的顆粒度篩選在焊劑帶的制備工藝中，必須要保證焊劑與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強度，否則在進行焊接時，焊劑顆粒脫落，將會造成焊縫夾渣，影響焊接質(zhì)量由課題組前期工作經(jīng)驗可知，焊劑與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強度與焊機的顆粒度有關(guān)。焊劑的顆粒度可以用細度模數(shù)這個參數(shù)來表征；細度模數(shù)與顆粒的粗細成正比，反映的是顆粒的總體平均粗細程度。當焊劑的細度模數(shù)在l2之

37、間時，制作出的焊劑帶成型好，表面光滑，焊劑不易脫落。因此根據(jù)細度模數(shù)與方孔篩孔的尺寸大小的關(guān)系，選用180目也即篩孔尺寸為0.088mm的方孔篩來篩取焊劑。然后將篩好的焊劑收藏好，備用。2.3.2 金屬絲網(wǎng)的處理選用30目的金屬絲網(wǎng)來制作焊劑帶，成形會較好。根據(jù)焊劑帶制備模具兩側(cè)黑橡膠之間的寬度，將金屬絲網(wǎng)剪成寬20mm的條狀。在剪切時必須保證邊緣的縱向金屬絲不斷開、不脫落，因此盡量從兩根金屬絲的中間剪開，可最大程度保證金屬絲的完整。金屬絲網(wǎng)的平整還有利于焊劑的涂覆，并進一步保證其與焊劑的結(jié)合強度。而金屬絲網(wǎng)經(jīng)剪切后不僅縱向彎扭，橫向上也出現(xiàn)兩邊翹起、中間凹陷的現(xiàn)象。所以必須要對剪裁后的金屬絲

38、網(wǎng)進行校直處理。根據(jù)文獻16，首先選用半徑約為18mm的鋼管對金屬絲網(wǎng)進行縱向校直。即將金屬絲網(wǎng)套在鋼管上，雙手持兩端來回拉拔，用力適中的情況下來回兩三次即可將金屬絲網(wǎng)拉直。然后再用半徑8mm的鋼管進行橫向校直，經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，金屬絲網(wǎng)兩端在鋼管軸向錯開的角度越大，越容易將金屬絲網(wǎng)橫向的拱形彎曲拉平。由于金屬絲較為細軟，校直后很容易錯位，且邊緣的縱向的金屬絲更容易脫落；因此，必須使金屬絲網(wǎng)邊緣部分固定，使其不能隨意扭動。使用圖釘將金屬絲網(wǎng)拉緊固定在一木板上，并保證其沒有扭曲變形；將金屬絲網(wǎng)兩側(cè)邊緣金屬絲涂上環(huán)氧樹脂膠。其中，環(huán)氧樹脂膠是用體積比為4：1的環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂固化劑攪拌均勻，然后用適量丙

39、酮將其溶解而成。13由于這種膠的固化速度比較慢，需將木板放于通風(fēng)處待其晾干，至少24小時。這樣不僅可以使金屬絲網(wǎng)被固定，避免其在涂覆焊劑時錯位扭曲；同時環(huán)氧樹脂膠還可起到絕緣的作用；焊劑涂完后，邊緣可能會有部分沒有完全粘上焊劑，在焊接的時候金屬絲網(wǎng)與焊槍導(dǎo)電嘴接觸導(dǎo)電，引起電弧攀升，影響焊接的正常進行，而涂上環(huán)氧樹脂膠后剛好可以避免此種情況發(fā)生。2.3.3 焊劑帶的制作工藝針對該實驗的目的，主要是利用新的滾壓模具制作出不同厚度的焊劑帶以及它們對超窄間隙焊縫成型的影響。故在該試驗中所用焊劑的成分是大理石和螢石，用硅溶膠作為粘結(jié)劑。焊劑帶的制作過程中需要較多的紙條，要預(yù)先剪裁好寬20mm的普通的紙

40、條，以及寬25mm左右的不易吸水的紙(實驗室用水砂紙)，備用。利用上述模具制作焊劑帶的步驟如下：(1)將裁好的寬20mm的紙條平鋪在模具兩側(cè)黑橡膠之間，硅膠帶的下方：(2)將實驗前期處理準備好的金屬絲網(wǎng)剪開，其長度稍短于黑橡膠，然后將金屬絲網(wǎng)放置在紙條與硅膠帶之間；并確保硅膠帶足夠緊，金屬絲網(wǎng)不能移動；(3)將用硅溶膠攪拌好的焊劑利用刮板快速均勻地涂抹在金屬絲網(wǎng)上，并保證硅膠帶上表面能夠完全露出，不被焊劑覆蓋，否則在焊劑帶滾壓完后取出時，容易帶動硅膠帶兩側(cè)的焊劑，影響焊劑帶對電弧的約束效果；需要注意的是，在涂抹焊劑時，刮板應(yīng)盡量與水平面保持較小的夾角，以免焊劑隨刮板的移動往后堆積，影響焊劑的涂

41、抹速度，使焊劑凝固；(4)在涂好的焊劑表面用毛筆均勻地撒上一層干粉，干粉的成分比例與焊劑相同；(5)將剪好的水砂紙鋪在焊劑帶表面，然后用膠帶粘住，放入揉面機滾壓。(6)取下水砂紙，把模具平放在桌面上，先輕輕水平扯動硅膠帶，然后放開，如此反復(fù)兩三次；將硅膠帶挑起，取出焊劑帶；(7)將制作好的一批焊劑帶先晾上片刻，然后放入烘箱中烘干，溫度設(shè)定為400左右，保溫時間大約為兩個小時。2.4 本章小結(jié)為了獲得致密度較以往焊劑帶更高、能夠滿足超窄間隙焊接要求，且能進行大批14量生產(chǎn)的焊劑帶，需要設(shè)計加工出新的焊劑帶生產(chǎn)模具，同時在制作焊劑帶過程中，還須考慮影響焊劑帶質(zhì)量的因素。(1)硅溶膠對焊劑的凝固燒結(jié)

42、影響很大，在配制焊劑時，一定要嚴格控制硅溶膠的加入量；(2)在進行焊劑帶的涂覆工作時，注意刮板的施力方向；(3)焊劑帶涂覆完成后，在其上覆蓋的紙必須要防水，否則在滾子的大力擠壓下，紙片將會與焊劑粘連，影響焊劑帶外觀質(zhì)量；(4)滾壓時，兩個滾子之間的間隙寬度，直接決定了焊劑帶的致密度，因此要嚴格調(diào)控；(5)取出焊劑帶時，注意操作方法，避免因操作不當，將焊劑粘掉。15第 3 章 焊接工藝試驗3.1 引言超窄間隙焊接作為一種新的焊接方法，焊接過程的穩(wěn)定性與可操作性的好壞將決定著該焊接方法能否實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。針對其焊接過程中易發(fā)生電弧攀升等現(xiàn)象，已開發(fā)了多種解決方法，如脈沖電流使電弧沿間隙側(cè)壁上下移動

43、，或通過旋轉(zhuǎn)、彎曲焊絲使電弧做周期性的擺動等。本章主要介紹焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的主要試驗裝置及相關(guān)的焊接工藝試驗。3.2 實驗設(shè)備及裝置焊槍的作用是輸送焊絲、傳導(dǎo)焊接電流和輸送并噴出保護氣體。而在焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法中，還要求焊槍能夠?qū)⒑附z準確地送入坡口中，并保證焊絲垂直不彎曲，以免電弧對兩側(cè)壁加熱不均勻；在進行厚板焊接時，由于焊絲干伸長有限，無形中會限制板的厚度，因此應(yīng)盡量使焊槍精簡，且厚度小于坡口間隙，使焊槍能夠深入坡口。設(shè)計出新的焊槍如圖3-1所示。圖3-1焊槍焊槍的主要零部件的功能：送帶盤1：用于焊劑帶的盤放，保證焊劑帶在焊接過程中持續(xù)供給。拉伸彈簧3通過擺桿(5)給壓

44、帶輪作用力。橫向連接桿4：保證焊劑帶的送進與焊接小車的行走保持同步。擺桿5：連接拉伸彈簧(3)和壓帶輪(6)，給壓帶輪向前滾動的動力。壓帶輪6：由于焊接過程中焊絲干伸長度的限制以及彈簧的拉伸作用力，壓帶輪對焊劑帶有向下16的壓力和向后的摩擦力，保證焊劑帶順利進入電弧區(qū)。調(diào)節(jié)螺栓10-通過調(diào)節(jié)螺栓的進給量，調(diào)整板式導(dǎo)電嘴(11)對焊絲的夾緊力。板式導(dǎo)電嘴11：由于采用的焊絲直徑為1.6mm，所以板式導(dǎo)電嘴厚度選為2mm厚度的銅板且開有V形槽，板式導(dǎo)電嘴主要用于向焊絲傳導(dǎo)電流并利用與調(diào)節(jié)螺栓之間的作用力將焊絲緊緊夾在V形槽內(nèi)。壓縮彈簧14-調(diào)節(jié)螺栓、導(dǎo)絲管及底座之間產(chǎn)生相互作用力是由彈簧的壓縮產(chǎn)生

45、的。3.3 焊接試驗本課題主要對兩種鋼材進行焊，分別是厚度為14.5mm的X60管線鋼板和厚度為6mm的430不銹鋼板，采用直流反接，焊絲采用H08Mn2Si，直徑為1.6mm的盤絲，焊劑帶厚度為0.60.8mm。焊接試樣采用I型坡口，如圖3-2所示，坡口的標準間隙為4mm，考慮到X60管線鋼較厚，需要進行單道多層焊接，焊接過程中坡口間隙減小，影響后一道焊接的正常進行，因此為了消除這種焊接殘余變形帶來的影響，要預(yù)先設(shè)置一個反變形角；但是由于超窄間隙焊接熱輸入低，變形很小，固所需的反變形角角度不應(yīng)太大，實驗中設(shè)置的反變形角為20；焊接施工中，當坡口間隙比標準值寬時，可將焊接速度減小，以保證坡13

46、兩側(cè)的熔深和焊道表面形狀。選用的墊板最好比焊接試樣長，這樣墊板起到了引弧板和息弧板的作用，使起弧點和收弧點都可以落在墊板上，避免弧坑落在焊縫上，而產(chǎn)生合金粉熔合不良、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷；同時還可在焊接接頭始末兩端獲得正常尺寸的焊縫截面，使鋼材得到充分利用。圖3-2坡口形狀焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接過程，如下圖所示：17圖3-3焊接過程3.3.1 X60 管線鋼的焊接由于實驗所用的X60鋼板稍厚，需進行多層焊接；并且?guī)讓雍傅赖暮附迎h(huán)境略有差別，因此在焊接時，需要進行工藝參數(shù)的調(diào)整。根焊是管道焊接的基礎(chǔ)，根焊的質(zhì)量和效率直接影響著整個焊接的質(zhì)量和效率，因此，它是管道焊接的關(guān)鍵。填充焊時，為了保

47、證坡口兩側(cè)壁的熔深，同時獲得較多的熔敷金屬，可適當將焊接電流較根焊時有所提高，焊接電流值在240255A范圍內(nèi)。焊接電壓的影響與根焊時一樣，因此同樣選用2324V范圍內(nèi)的焊接電壓；焊接速度為1010.5mms。蓋面焊時，由于蓋面焊坡口淺，焊縫金屬主要來自焊絲的熔化，希望熔深淺、熔合比小，因此不宜采用大電流，選用電流范圍與根焊基本一致，為205215A之間。但是又因為所用的焊劑帶較厚，需要增大電弧熱，提高焊接電壓至2425V范圍內(nèi)。電壓增加，弧長增加，電弧的作用范圍增大，焊縫寬度也會明顯增加，同時對減小熔深也有一定的作用。由于此時焊接電壓大，電流小，焊接熔池寬而淺，若采用較大的焊接速度，將會使熔

48、池明顯拉長，而寬度減小，當熔池被拉長到一定程度時，熔池中的液體金屬發(fā)生頸縮破斷，形成駝峰。因此，在蓋面焊時，應(yīng)選用較小的焊接速度，在88.5mm之間。焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接各層焊道的焊接工藝參數(shù)參見表3-1所示，計算可知其焊接線能量低于0.7KJ衄，線能量非常低。18表3-1 X60管線鋼焊接工藝參數(shù)3.3.2 430 不銹鋼的焊接試驗所用430不銹鋼是一種中鉻鐵素體不銹鋼，與奧氏體不銹鋼相比，它具有良好的耐腐蝕性能，導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，耐熱疲勞，并且價格低廉，沖壓加工性能好，表面光亮；因此被廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、家用器具、家電、化工設(shè)備、日用辦公設(shè)備等。430不銹鋼在焊接時的主要問題

49、是，由于它對熱輸入非常敏感，熱影響區(qū)晶粒容易急劇長大而嚴重脆化，這種晶粒粗大的鐵素體鋼熱影響區(qū)室溫下的韌性很低，容易產(chǎn)生裂紋；所以在焊接時要盡量降低熱輸入。焊接接頭共有兩道焊完成，即一道根焊和一道蓋面焊。跟焊時，所需考慮的因素與X60管線鋼一樣，同時由于鐵素體不銹鋼的熱敏性，因此焊接時應(yīng)采用小電流、高焊接速度3.4 本章小結(jié)焊劑帶約束電弧的方法應(yīng)用于超窄間隙焊接是可行的，焊槍的精度對焊接過程有一定程度的影響，同時對焊絲在坡口中的位置要求嚴格，在焊前必須仔細調(diào)整。對于每一道焊的工藝參數(shù)都要結(jié)合超窄間隙焊接的特點，借鑒傳統(tǒng)焊接方法總結(jié)出的經(jīng)驗，進行分析評定后，再進行焊接。(1)焊劑帶約束電弧超窄間

50、隙焊接一般是多層單道焊，接頭由根焊、填充焊及蓋面焊完成，焊縫成形好；(2)焊劑帶約束電弧超窄間隙線能量低，對電弧的約束效果好，焊接過程中電弧燃燒穩(wěn)定。19第四章 焊接接頭組織與性能分析4.1 引言由于某些元素的添加往往會使鋼材的焊接性變差，焊接接頭的安全性成為評定焊接工藝的重中之重。焊接接頭尤其是焊接熱影響區(qū)的性能是影響焊接安全性的重要方面。不同鋼種所出現(xiàn)的焊接性問題不同，在合金結(jié)構(gòu)鋼中，隨著合金元素種類以及含量的增多，勢必會引起接頭裂紋及脆化傾向增大；而對于鐵素體不銹鋼來說，高溫脆化成為其與焊接有關(guān)的最嚴重的問題之一，高溫脆化可能會導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)的韌性和延性相對于母材劇烈降低。這些焊接問

51、題的出現(xiàn)，經(jīng)常會導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)安全運行的可靠性降低，造成焊接結(jié)構(gòu)的早期破壞。因此一種焊接方法能否應(yīng)用于某種鋼材的焊接，必須要通過對焊接接頭進行組織和性能的評定分析。而超窄間隙焊接，線能量非常低，可降低熱輸入對熱影響區(qū)的不良影響，減小晶粒長大的趨勢，降低HAZ脆化傾向：且接頭熱影響區(qū)窄，也將在一定程度上減小熱影響區(qū)對焊接結(jié)構(gòu)可靠性的影響。本章主要討論利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，得到的X60管線鋼和430不銹鋼焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的組織演變和力學(xué)性能。4.2 X60 管線鋼焊接接頭的組織性能根據(jù)上章中表3-1所給出的工藝參數(shù)，對14.5mm厚的X60管線鋼進行焊接，得到的焊接接頭焊縫剖面圖

52、如下圖4-1所示。焊接接頭由多層單道焊完成，包括兩道填充焊，以及蓋面焊和根焊各一道。填充焊焊道的熱影響區(qū)寬度為0.61.Omm，焊道寬度為5.6mm，焊道高度為4.5mm；根焊的熱影響區(qū)寬度為1.01.2mm，焊道寬度為5mm，焊道高度為4mm；蓋面焊焊道熱影響區(qū)寬度為1.01.4mm，焊道寬度為7mm，焊道高度為4mm。由此可知，焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法應(yīng)用于X60管線鋼，所得到的焊接接頭熱影響區(qū)非常窄，平均寬度在1.0mm左右。圖4.1 X60管線鋼焊縫剖面204.2.1 焊接接頭的組織本文通過光學(xué)顯微鏡來觀察 X60 鋼焊接接頭的顯微組織，為下一步研究工作做準備。試樣設(shè)備：(1)金

53、相試樣拋光機(PG-1A 型)；(2)光學(xué)顯微鏡；(3)腐蝕劑：4的硝酸酒精。利用光學(xué)顯微鏡觀察拋光、腐蝕后的試樣，觀察其顯微組織，并拍攝金像照片。 如圖 4-2 所示為實驗材料 X60 管線鋼的母材金相組織。該鋼材屬于典型的針狀鐵素體不銹鋼，母材組織多為細小的塊狀鐵素體和針條狀鐵素體。針狀鐵素體是一種典型的低碳鋼貝氏體組織，其形態(tài)與低碳鋼中的無碳貝氏體類似，只是由于形成溫度稍高，板條狀特征不如無碳貝氏體發(fā)達。與珠光體比較，組織中形成的針狀鐵素體對強度和韌性是有益的，強化原因是轉(zhuǎn)變溫度降低引起晶粒細化以及亞境界強化和位錯亞結(jié)構(gòu)強化，韌化的原因除了細化晶粒外，還由于消除了大塊珠光體，組織中硬質(zhì)相

54、似.A 組元)的尺寸更小，分布更為均勻。但是，在焊接熱循環(huán)的作用下，材料的組織越細小，其長大趨勢越明顯，焊接熱影響區(qū)尤其是粗晶區(qū)出現(xiàn)組織惡化和韌性下降的問題。 圖 4-2 X60 管線鋼母材顯微組織 圖 4-3 粗晶區(qū)顯微組織 圖 4-4 細晶區(qū)顯微組織 圖 4-5 焊縫區(qū)顯微組織21在熱影響區(qū)中，粗晶區(qū)最易出現(xiàn)淬硬組織，是焊接接頭性能最差、最薄弱的區(qū)域。如圖 4-3 所示為利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，得到的 X60 管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)顯微組織，組織中有細小而均勻分布的 M.A 組元、粒狀貝氏體和一定數(shù)量的針狀鐵素體。圖中原奧氏體晶界較為完整，可看出該區(qū)在焊接熱循環(huán)條件下發(fā)

55、生了明顯的晶粒長大現(xiàn)象。由文獻10可知，高溫停留時間對奧氏體尺寸影響不是很大。在冷卻過程中，部分奧氏體由于在過冷條件下碳和合金元素的擴散受到抑制，以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w和細小的針狀鐵素體；剩余奧氏體內(nèi)碳逐漸富集，使相變溫度升高，相變驅(qū)動力小，轉(zhuǎn)變不能完全進行，一部分奧氏體殘留下來形成 M.A 組元，并被粒狀貝氏體分割成一個個小島。盡管 M.A 組元很硬，與周圍的鐵素體受力時變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化，但是由于 M-A 小島組織細小，對韌性影響并不大。同時細小的針狀鐵素體組織以及大量彌散分布的粒狀貝氏體的形成也使其韌性有所回升。圖 4-4 為接頭的細晶區(qū)顯微組織，在細晶區(qū)組織中有珠光體和細小

56、的針條狀鐵素體，母材組織高溫時發(fā)生相變重結(jié)晶完全奧氏體化且生成的奧氏體晶粒非常細小，在其后的冷卻過程中得到細小而均勻的珠光體和鐵素體，相當于熱處理時的正火組織，因此，其塑性和韌性都很好。如圖 4-5 所示為焊縫區(qū)顯微組織，組織中主要有針狀鐵素體。由帶有高密度位錯的板條貝氏體晶體組成，若干貝氏體呈連續(xù)長條狀，近于平行地排列在鐵素體基體上構(gòu)成板條束，此外，板條間有條狀分布的 M.A 島。這種板條狀貝氏體組織對強度和韌性都是有益的，同時由于 M.A 組元分布均勻不連續(xù)且尺寸較小，消除了它自身的淬硬傾向?qū)附咏宇^的不良影響。從圖中可以看出，焊縫中柱狀晶的生長趨勢，這種柱狀晶的晶界由先共析鐵素體組成，晶

57、粒內(nèi)部是塊狀鐵素體向晶內(nèi)生長出來的細針及隨后凝固結(jié)晶的珠光體組成。4.2.2 焊接接頭的硬度測試課題硬度測試采用小負荷維氏硬度計來度量焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度，選定測量點后加載載荷 5 千克，保載時間 15 秒。移動一定點距測量下一個點的硬度。測量完畢依次讀出壓痕對角線長度，并換算出維氏硬度；根據(jù)需要和試驗儀器的精度測量若干點硬度加以分析比較。如圖 4-6 所示為超窄間隙焊接焊接接頭硬度分布曲線，從圖中可以看出，焊縫區(qū)的硬度要遠遠高于焊接熱影響區(qū)和母材區(qū)。同時與常規(guī)埋弧22焊相比，在使用相同規(guī)格的焊絲 H08Mn2Si 條件下，超窄間隙焊接接頭焊縫區(qū)的硬度提高了 65左右。圖 4.6 硬度分

58、布熱影響區(qū)硬度較焊縫有所降低，但與埋弧焊比較其平均硬度分布仍有所提高；并且硬度值在熱影響區(qū)的不同區(qū)域逐漸發(fā)生變化，其中在粗晶區(qū)明顯高于母材，而其他區(qū)域相對較低，甚至低于母材。這是由于焊接熱循環(huán)的影響，在粗晶區(qū)域形成了貝氏體組織，硬度較高，而細晶區(qū)由于發(fā)生相變再結(jié)晶而軟化，硬度相對較低，稱之為軟化區(qū)。軟化區(qū)較窄時，由于母材和粗晶區(qū)熱影響區(qū)的約束作用，試樣都斷在母材處；當軟化區(qū)較寬時，試樣斷在軟化區(qū)的幾率大大增加。由圖中可以看出，本實驗所得到的焊接接頭的軟化區(qū)僅有 0.6mm 左右，由此可以推測試樣將不會斷在接頭處。4.2.3 焊接接頭的拉伸性能試驗靜拉伸是最基本的材料力學(xué)性能試驗方法，根據(jù)得到的

59、載荷一位移曲線，如圖 4-8 所示，可獲得很多重要的性能指標。板狀拉伸試樣取自焊件的中心部位，并使焊縫位于試樣正中。取樣后，先把焊縫下面的墊板切除掉，試樣按照(GB2282002 金屬材料室溫拉伸試驗方法進行加工，試樣的標距為 50mm，標距內(nèi)尺寸為 15mm10mm，在 30t 試驗機上進行拉伸，試驗速度 1.0mm/mim。試樣尺寸如下圖 4-7 所示。23圖 4-7 拉伸試樣拉伸過程大致可分為三個階段：(1)曲線的起始部分為直線，對應(yīng)試樣的彈性變形階段；(2)超出試樣的彈性變形范圍后，試樣由彈性變形逐漸過渡為塑性變形，進入均勻變形階段；(3)當試樣承受的拉力達到最大時，試樣開始在頸縮部位

60、發(fā)生局部變形，隨變形的逐漸增大，載荷反而下降，產(chǎn)生不均勻變形，直至試樣斷裂。圖 4-8 X60 管線鋼焊接接頭拉伸試驗載荷位移曲線4.2.4 焊接接頭的低溫沖擊韌性實驗試驗中按照國標 GBT 229.1994金屬夏比缺 121 沖擊試驗方法的規(guī)定加工試樣，缺口方向沿焊縫橫截面方向，缺口位置分別取在焊縫中心和熱影響區(qū)，采用10mmxl0mmx55mm 尺寸標準，分別在 20、O、-20、-40、-60溫度下進行沖擊試驗，采用的控溫介質(zhì)為酒精加液氨，使試樣在規(guī)定溫度下的溶液中保溫足夠長的時間以保證試樣表面與內(nèi)部溫度一致，本實驗中采用的保溫時間均為 5min，測溫工具為熱電偶溫度計，試樣從液體中取出