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焊接參數(shù)對(duì)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(duì)不銹鋼焊縫鐵素體含量是有很大影響的，本文通過(guò)列舉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出了不銹鋼手工電焊條焊接時(shí)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(duì)耐腐蝕性能起有害作用，通常也認(rèn)為對(duì)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?huì)轉(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(lái)，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(lái)越大，該種焊接工程對(duì)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(guò)直接和間接對(duì)焊接現(xiàn)場(chǎng)的了解得知，各個(gè)廠家甚至同一廠家的不同焊工之間，對(duì)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(shí)，更多的了解和掌握各種焊接工藝參數(shù)對(duì)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(gè)廠家提供焊材的同時(shí)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(shí)，在其他的焊接領(lǐng)域和焊接工程中，鐵素體含量對(duì)焊縫質(zhì)量和整個(gè)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(duì)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(duì)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(gè)大類：

1. 不同的焊接電流對(duì)鐵素體含量的影響。
2. 不同的焊接電壓對(duì)鐵素體含量的影響。
3. 不同的冷卻方式及道間溫度對(duì)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(cè)定儀為德國(guó)產(chǎn)MP30型。試驗(yàn)要求對(duì)比不同焊接電流、電壓、冷卻方式等工藝條件對(duì)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(duì)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(zhǎng)度≥50mm；

4）堆焊表面進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，加工方向與焊接方向垂直。
5）測(cè)量堆焊層表面鐵素體含量時(shí)，應(yīng)測(cè)量焊縫中心線的中段，取不少于10個(gè)有效數(shù)值的平均值。
4．試驗(yàn)過(guò)程及分析
1）不同焊接電流對(duì)鐵素體含量的影響。
焊接電流是焊接過(guò)程中的一個(gè)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(duì)比

表2：E309-16焊條使用不同焊接電流的鐵素體含量（%）對(duì)比

表3：E308-16焊條使用不同焊接電流的鐵素體含量（%）對(duì)比

　　由以上三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，180A電流焊接時(shí)熔敷金屬中鐵素體含量略低于140A電流焊接所測(cè)得的結(jié)果。我們認(rèn)為，其原因主要是由于大電流焊接時(shí)的熱輸入量要明顯大于小電流焊接時(shí)的熱輸入量，由此造成了焊接過(guò)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(jì)算Creq、Nieq后查德龍圖得出的鐵素體數(shù)（見(jiàn)表4）雖然與用磁針?lè)y(cè)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?cè)囼?yàn)結(jié)果的正確性。（增大電流后對(duì)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(jiàn)后文描述。）
表4：熔敷金屬化學(xué)成分（%）

2）電壓變化對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)的電壓作為基準(zhǔn)電壓，采用人為拉長(zhǎng)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(duì)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(duì)比

表6： E309-16焊條不同焊接電壓鐵素體含量（%）對(duì)比

表7：E308-16焊條不同焊接電壓鐵素體含量（%）對(duì)比

　　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(shí)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(zhǎng)、電壓增高后，焊條藥皮套筒距焊接熔池的距離增加，造成對(duì)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(jiàn)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(duì)熔敷金屬含氮量的影響

3）不同的層間溫度及冷卻方式對(duì)鐵素體含量的影響

　　焊接時(shí)的道間及層間溫度也是焊接過(guò)程中易于變化的一個(gè)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(duì)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(duì)比

表10：E309-16焊條不同層溫鐵素體含量（%）對(duì)比

表11：E308-16焊條不同層溫鐵素體含量（%）對(duì)比

　　從鐵素體含量測(cè)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(gè)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(shí)間，減小增氮量和元素的氧化燒損。其次，層溫的高與低，對(duì)焊接起到了不同程度的預(yù)熱作用，影響了焊接時(shí)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(guò)此次試驗(yàn)，對(duì)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(duì)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。