| 标题 | Q345B大厚板双面双弧焊接头组织与力学性能 |
| 范文 | 高桂丽 缪神 蔡春波 张华军 摘 要：针对Q345B大厚板高强钢接头在机器人双面双弧焊中易出现焊不透、撞枪的问题，采用根部无预留间隙的焊接方法，通过增大焊接线能量、减小弧间距实现根部全熔透。依据《美国钢结构焊接规范》标准对接头进行力学性能试验和显微组织分析，结果表明：根部打底前焊道组织为针状铁素体和贝氏体，打底后焊道和填充焊组织为针状铁素体和少量的先共析铁素体；熔合区组织为针状铁素体和板条马氏体，粗晶区为板条束更粗大的板条马氏体。焊接接头平均抗拉强度达到536.47MPa，焊缝强度高于母材。接头出现局部硬化，硬度最高值为281HV，符合标准的要求。 关键词：Q345B大厚板；双面双弧焊；无预留间隙；机器人 DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.021 中图分类号： TG444 文献标志码： A 文章编号： 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 與传统大厚板人工焊接工序相比，焊接机器人具有高稳定性、高生产质量、高效率等优点[1-4]，特别是在大厚板焊接方面，具有焊接变形小、焊缝质量稳定、适用于大规模智能化生产的优点，且优化了焊接工艺，减少了焊前预热和根部清根的工序，大大节约了焊接时间[5-9]。但目前对于T型接头大厚板结构等大型构件，一般采用无钝边K型对称45°坡口，根部留有3-5mm间隙[10-13]，通过机器人示教或者离线编程和电弧跟踪相结合的方法进行双面双弧焊[14-16]。在焊接过程中由于焊缝收缩使原有根部间隙缩减为1-2mm，从而导致在初始的电流、电压下产生未焊透的现象。越靠近大厚板的根部焊道焊枪活动空间会极其狭小，如果焊接过程中机器人焊枪的角度不发生变化，由于焊缝收缩的影响极易发生碰壁、撞枪的现象，具有较大的安全隐患[17-20]。 本文针对机器人双面双弧焊，提出了将Q345B大厚板根部预留3-5mm的间隙改成根部无预留间隙的焊接方法。通过增大焊接功率，实现根部全熔透，有效的减少了前期拼板的工作量，降低了装配精度的要求。减少了焊缝收缩带来的变形影响、节约了母材和焊材。通过力学性能试验和金相组织分析对焊接接头的力学性能和显微组织进行研究，为Q345B大厚板高强钢在智能化生产中应用提供理论和实践经验。 1 试 验 1.1 试验系统 本试验工作系统如图1所示，系统采用两台FANUC M10iA 机器人和 两台LINCOLN Power Wave i400 电源，焊接参数均可独立调节。机器人焊枪位于大厚板接头工件的两侧，打底焊时采用非对称双面双弧MAG焊，两电弧保持13-15mm的间距。填充焊时采用对称双面双弧MAG焊，两个焊枪同步。 1.2 试验材料及方法 试验的母材为Q345B低合金高强钢，尺寸分别为600mm×200mm×50mm和600mm×300mm×50mm，坡口形式如图2所示，为无钝边K型对称45°，根部间隙0～0.3mm，弧间距13～15mm，焊前无预热，室温25℃。采用熔化极混合气体保护焊，焊接方式为横焊。焊丝采用金桥公司的JM56，为Φ1.2mm 的实芯焊丝，保护气体为82%Ar+18%CO2。母材和焊丝的化学成分及力学性能分别如表1和表2所示，优化后的焊接工艺参数如表3所示，其中层间温度为130～150℃。 对焊接后的Q345B低合金高强钢焊接接头取样制备金相试样，在磨平、抛光后用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用Phenom ProX电镜对焊接接头进行显微组织分析。 按照《美国钢结构焊接规范AWS D1.1》对焊接接头分别进行弯曲、拉伸、冲击、硬度等力学性能试验，并对冲击断口的形貌进行观察分析。在焊接接头试件厚度方向上下不同部位取4个拉伸试样，覆盖整个焊缝厚度，拉伸试样的厚度为30mm；在试件长度方向分别取4个弯曲试样，试样的尺寸为250mm×50mm×10mm，进行4组180°侧弯试验，压头直径為38.1mm；焊接接头冲击试样的取样图如图3所示，分别在焊缝厚度的中心取三组试样。每组试样的缺口位置分别位于焊缝中心、焊缝中心+1mm和焊缝中心+5mm，试样的尺寸为55mm×10mm×10mm。 2 试验结果及分析 2.1 Q345B焊接接头宏观形貌 Q345B低合金高强钢焊接接头的宏观形貌如图4所示，焊接接头具有典型的多层多道焊特征，焊层清晰明显且厚度均匀。由图3可见，根部焊道的熔合是在打底焊前弧焊道熔透的基础上，后弧焊道再与前弧焊道进行良好的熔合，整个接头未出现气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷，焊缝成型美观、良好。 2.2 显微组织分析 图5为焊缝区域的显微组织形貌。图5（a）、图5（b）分别为填充焊道和打底焊后焊道的微观组织形貌，由于前电弧对后焊道有预热作用且在细晶元素的作用下，填充焊道和打底焊后焊道的组织主要为针状铁素体和少量的先共析铁素体，部分先共析铁素体在后续焊道的回火作用下含量减少，针状铁素体含量增多。相邻两个针状铁素体间呈大倾角晶界并含有高密度的位错，因而具有较高的止裂能力和冲击韧性。图5（c）所示的是打底焊前焊道的组织，由于接头根部是非对称双面双弧焊接，在打底焊后焊道二次热作用下，根部前焊道的冷却速度减慢，中温贝氏体转变温度范围停留时间增加，发生了铁原子不扩散而碳原子扩散的半扩散型相变，所以前弧焊道的组织为针状铁素体和粒状贝氏体以及少量的下贝氏体。由图5（d）可见，在根部焊道的交汇处，前弧焊道的部分焊道被后焊道熔掉，在重新结晶过程中停留在下贝氏体转变温度范围的时间变长，所以越靠近后弧焊道与前弧焊道的交汇处，下贝氏体的含量越增多。 图6是熔合区及热影响区的显微组织形貌。焊接接头的熔合区组织为细小且取向不同的板条状马氏体和针状铁素体，见图6a）。图6b）、图6c）分别为根部粗晶区和填充焊粗晶区的组织形貌，根部焊道的粗晶区由于在双弧的作用下，高温停留时间长，马氏体板条束长大，生成比填充焊粗晶区更为粗大的板条状马氏体。正火区如图6d）所示，该区域金属经历了两次相变重结晶，生成了晶粒均匀而细小的铁素体和珠光体。不完全结晶区的组织如图6e）所示，只有一部分组织发生相变重结晶，另外一部分铁素体始终未能溶入奥氏体中，从而该区的组织为大小不均的块状铁素体和细小的珠光体。根据相关文[21]可知，传统的双面双弧焊的焊缝组织主要为针状铁素体和晶界铁素体，粗晶区主要为板条马氏体。该试验在增大焊接功率、减小弧间距后，焊缝中心在中温贝氏体转变温度范围内停留时间变长，生成了较多的针状贝氏体。但整个接头并未生成孪晶马氏体和魏氏体等韧性较低的组织。 2.3 力学性能分析 Q345B低合金高强钢的维氏硬度分布曲线如图7所示。 从图7可以看出，打底焊前焊道的硬度要高于后焊道的硬度，这是由于该区有大量的贝氏体转变组织。整个接头焊缝处的平均硬度为223.2HV，要高于母材处的平均硬度197.1HV。这是因为母材的组织主要为块状铁素体和珠光体，而焊缝组织为强度、韧性更高的针状铁素体。热影响区的硬度平均值最高，最大值达到281HV。出现这种局部硬化现象是由于焊缝冷却速度较快，生成了淬硬马氏体组织。 表4为Q345B焊接接头拉伸试样的结果，可以得出，试样断裂的位置都位于母材区，这也说明焊缝与热影响区的强度均高于母材的强度。焊接接头的抗拉强度平均值为536.47MPa，断后伸长率平均值为18.4%，与母材的断后伸长率21%相比有所下降。这是因为焊缝和热影响区的组织主要为强度、硬度较高的针状铁素体、板条马氏体，所以该区域的拉伸变形量会小于母材组织，整个焊接接头的延伸率会减少。 弯曲试验用来检验焊接接头的塑性及缺陷，结果表明：整个接头塑性良好，未出现裂纹，如图8所示。 冲击试验所得的结果见表5。表5说明，熔合线附近的冲击吸收功最高，平均值达到174J，焊缝中心的冲击吸收与熔合线+5mm的区域相比则有所下降。冲击断口形貌如图9所示。从焊缝中心的断口上可看见出现大量的凹凸不平的小坑，这是典型的韧窝断裂，而在熔合线+1mm和熔合线+5mm的区域的断裂形式均为准解理断裂，除了有不同高度的解理台阶，还有许多因塑性变形而产生的短而弯曲的撕裂棱。这是因为该区域有大量的弥散细小的碳化物质点。当裂纹扩展时，不再严格地沿一定晶体学平面扩展，而是以晶内硬质点为源形成放射状花样。 3 结 论 1）采用机器人双面双弧焊根部无预间隙工艺可实现大厚板根部的良好熔合，焊缝成形美观，接头质量可靠，符合实际生产要求。 2）Q345B低合金高强钢焊接接头根部打底前焊道的组织为针状铁素体和贝氏体，打底后焊道和填充焊焊道的组织为针状铁素体和少量的先共析铁素体；熔合区的组织为针状铁素体和板条马氏体，粗晶区的组织为板条束更粗大的板条马氏体；正火区和非完全重结晶区的组织均为铁素体和珠光体。 3）Q345B低合金高强钢接头焊缝处的平均硬度为223.2HV，热影响区的硬度平均值最高，达281HV，均高于母材处的平均硬度197.1HV。焊缝与热影响区的抗拉强度均高于母材的抗拉强度，平均值为536.47MPa，断后伸长率平均值为18.4%，与母材的断后伸长率21%相比有所下降。弯曲试验表明：整个焊接接头塑性良好，未出现裂纹。熔合区冲击吸收功最高，平均冲击吸收功达到174J，其次为热影响区，最低的为焊缝区。 参 考 文 献： [1] 张随丹. 影响弧焊机器人焊接质量的关键因素[J]. 上海交通大学学报， 2016， 50（S1）： 47-50. 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