CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研究.ppt

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1、CO2焊机不锈钢药芯焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研焊丝焊接工艺试验研究究研究报告课题名称：课题名称：CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接焊机不锈钢药芯焊丝焊接 工艺试验研究工艺试验研究负责单位：金属结构车间负责单位：金属结构车间课题负责人：王润军、吴天笑课题负责人：王润军、吴天笑起止时间：起止时间：2005.12005.10CO2焊机不锈钢药芯焊丝焊接焊机不锈钢药芯焊丝焊接工艺试验研究工艺试验研究 一. 课题来源 二. 试验方案论证及确定 三. 焊接试件检测项目及依据 四. 试验及检测结果试验 五. 结果分析及结论课题来源 近几年来随着机械行业经济迅速发展，我公司产品定货量逐年成倍增长，以手工电弧焊

2、为主已远远满足不了我公司焊接产品生产的需要。采用气体保护焊焊接将大大提高生产效率、降低成本和改善劳动条件，逐步采用气体保护焊取代手工电弧焊势在必行，尤其我公司有相当部分产品为奥氏体不锈钢焊接和碳钢表面堆焊不锈钢焊层。近年来药芯焊丝气体保护焊焊接不锈钢已在我国的造船、汽车、机械制造等行业中逐步得到推广应用并取得了满意的效果，但是这种焊接技术在泵类行业中尚未得到应用。因此我们针对产品技术和质量要求，对药芯焊丝气体保护焊焊接奥氏体不锈钢和碳钢表面堆焊进行焊接工艺研究，意在为产品生产提供可靠的理论依据和合理的焊接工艺，从而使我公司产品质量得到进一步改善，生产效率提高、生产成本降低，为泵类产品的焊接作出

3、更大的贡献。返回试验方案论证及确定 本试验研究试验针对我公司奥氏体不锈钢结构件焊接和低碳钢表面堆焊不锈钢所进行的，试验研究参照ASME 标准进行。 对接焊接试板及堆焊试板的确定 焊接材料选择 焊接工艺及规范的确定1.热处理规范选择及确定 对接焊接试板及堆焊试板的确定 按ASME第九卷 QW202.2规定对接焊接试板评定厚度的范围应当满足产品所用母材和熔敷焊缝金属的厚度范围。按QW451的规定，试板厚度选用25mm评定结果在550mm内有效，能够满足我公司不锈钢结构件焊接的厚度范围。按其所要作试验试样的数量及尺寸确定试板尺寸为41515025mm。其试板尺寸及坡口型式见图1。并选择6组试板采用两

4、种保护气体和不同的工艺规范进行焊接试验。对接焊接试板及堆焊试板的确定 按QW214.1、QW453和QW462.5规定的试件尺寸、评定范围、实验和取样的要求，选用的堆焊试板尺寸为25025030mm，评定后母材评定的公称厚度为：25最大厚度不限，能够满足我公司堆焊产品的厚度范围。试件堆焊表面型式及尺寸见图2。试件的化学成份是焊接工艺规程（WPS）的重要变素，为了保证试验与产品的一至性，焊接试件采用与产品相同的化学成份的板材，即对接试板选择为1Cr18Ni9Ti材料，按国家标准（GB4237-84）规定1Cr18Ni9Ti化学成份及力学性能见表1、2。堆焊试板材料为Q235，按国家标准（GB70

5、0-79）规定Q235化学成份表3。 图1： 图2 表1 试板1Cr18Ni9Ti化学成份 （%） C Si Mn S P Cr Ni Ti 0.12 1.00 2.00 0.03 0.035 17.019.0 8.011.0 5（C%-0.02）0.8 表2 试板1Cr18Ni9Ti 力学性能 屈服强度s（MP） 抗拉强度b（MP） 延伸率(%) 硬度HB 197 541 40 187 表3 试板Q235化学成份 （%） C Si Mn S P 0.14022 0.30 0.300.65 0.050 0.045 表1、2、3焊接材料选择 药芯焊丝气体保护焊焊接材料的选择是比较重要的，它包括焊

6、丝和气体，而且焊丝中药芯的成分与保护气体是相对应的。对于对接试板，我们选择同材质的E347T1-1（AWS标准）药芯焊丝，这样焊接时不存在熔合区化学成份稀释和碳迁移问题，热膨胀系数相近，产生的焊接应力比较小，在焊接过程中不会产生裂纹。焊丝化学成份见表4。从目前的标准和资料中可以知道，气体的选用都是按不同的焊丝药芯的分类推荐采用纯CO2气体或Ar- CO2/O2的混合气体。按焊丝标准中的推荐，E347T1-1保护气应采用纯CO2气体。但我们也了解到对于该类别的焊丝有采用混合气体作为保护气的，因此我们为了进行对比试验，在选用气体时还选择了Ar- CO2混合气体。 焊接材料选择 对于Q235堆焊工艺

7、研究我们采用E309LT1-1/-4药芯焊丝，该焊接材料为超低碳、高铬、高镍化学成份，降低了熔合区和过渡层化学成份稀释和碳迁移，从而保证了堆焊层的化学成份和耐腐蚀性能。按E309LT1-1/-4标准推荐，可以选用CO2气体和Ar- CO2混合气体做为保护气体。但考虑我们的实际应用，试验时选用CO2气体做保护气。焊丝化学成份见表5。 表4、5表 4 E347T1-1 药芯焊丝化学成份 （%） C Si Mn S Cr Ni Mo Cu P Nb+Ta .05 0.54 1.16 0.012 20.25 10.10 0.08 0.12 0.023 0.54 表 5 E309LT1-1/-4 药芯焊

8、丝化学成份 （%） C Si Mn S Cr Ni Mo Cu P 0.034 0.75 1.45 0.016 23.33 12.64 0.22 0.16 0.017 焊接工艺及规范的确定 1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢。试件焊接时应采用小的线能量，控制层间温度。为选择正确的焊接工艺参数，我们选用了三组不同的参数做试验。为了防止晶间腐蚀及热裂纹的产生，层间温度控制在170以下，采用多层多道焊，在1G水平位置焊接。焊接试验采用直流电源，极性为EN，焊丝规格为1.2mm，具体规范见表6。 Q235堆焊工艺研究是采用E309LT1-1/-4药芯焊丝为堆焊材料，试件堆焊时层间温度控制在170以下，

9、采用多层多道焊，在1G水平位置焊接，采用直流电源，极性为EN，焊丝规格为1.2mm，具体规范见表7。 表6、7表 6 编 号 电 流（ A ） 电 压（ V ） 保 护 气 保 护 气 流 量 焊 接 速 度（ m m /m in） 1 180 28 100% C O2 2025L/m in 200 300 2 200 30 100% C O2 2025L/m in 200 300 3 220 32 100% C O2 2025L/m in 200 300 4 180 28 75% Ar+25% C O2 2025L/m in 200 300 5 200 30 75% Ar+25% C O2

10、2025L/m in 200 300 6 220 32 75% Ar+25% C O2 2025L/m in 200 300 表 7 件号 电流（A） 电压（V） 保护气 保护气流量 焊接速度（mm/min） 1 180 28 100% CO2 2025L/min 200300 2 200 30 100% CO2 2025L/min 200300 3 220 32 100% CO2 2025L/min 200300 热处理规范选择及确定 对于1Cr18Ni9Ti对接焊接工艺研究，按照产品的正常工序，焊后不作热处理，因此试板焊后也不进行热处理。 对于Q235堆焊工艺研究，因为产品焊后进行5806

11、00消应力退火热处理，因此试板焊后选择与之相同的热处理规范。 焊接试件检测项目及依据 （一）对于1Cr18Ni9Ti对接试板焊接工艺研究1 试板坡口面、焊缝着色检验（PT），按QJ/sh51.01进行。2 焊缝射线检验（RT），按QJ/sh51.03进行。3 试件力学性能试验，按ASME 进行。 1）弯曲试验：焊接接头采用侧弯试验。 2）拉伸试验：焊接接头常温拉伸试验。 3）冲击试验：焊缝、母材及热影响区的常温冲击试验。 4）硬度试验：焊缝、母材及热影响区硬度试验。4 晶间腐蚀试验：焊接接头的晶间腐蚀试验，按GB4334.5-2000进行。5 金相检验：焊接接头的宏观及微观金相检验，按GB22

12、6-91进行。6 化学成份分析：母材和焊缝化学成份分析。 焊接试件检测项目及依据 （二）对于Q235堆焊工艺研究 1.试板坡口面、焊缝着色检验（PT），按QJ/sh51.01进行。 2.焊缝射线检验（RT），按QJ/sh51.03进行。 3.试件力学性能试验，按ASME 进行。 弯曲试验：焊接接头侧弯试验。 4.晶间腐蚀试验：堆焊层晶间腐蚀试验，按GB4334.5-2000进行。 5.金相检验：焊接接头宏及微观金相检验，按GB226-91进行。 6.化学成份分析：母材及焊缝化学成份分析。 7.硫酸铜检验：堆焊层硫酸铜检验，按502ZN83标准进行。 试验及检测结果 经过对采用不同的工艺参数及不

13、同的保护气体的试板进行射线检验及断面检查，发现对接试板采用混合气体作为保护气的对接试板均有大量的条状夹渣，采用纯CO2气体作为保护气的对接试板探伤焊缝X射线检验报告均为级。我们选用2号试板进行力学性能实验。经探伤堆焊试板堆焊层X射线检验均为级，我们也选用了2号试板进行力学性能实验。 （一）1Cr18Ni9Ti对接试板的实验结果 （二）对于Q235堆焊工艺研究试验结果 1Cr18Ni9Ti对接试板的实验结果 1焊前坡口着色检验 合格 证书编号：2005-83 2焊后焊缝着色检验 合格 证书编号：2005-84 3焊后焊缝X射线检验报告 级 证书编号：2005-2 4力学性能试验结果： 1） 侧弯

14、试验结果见表8（试验温度20） 2） 拉伸试验结果见表9（试验温度20） 3） 冲击试验结果见表10（试验温度20） 4）硬度试验结果见表11（试验温度20） 表8 侧弯试验结果 证书编号：2005-726 编号 弯曲角度 结果评定 E1 180 用眼观测试样完好 E2 180 受拉面与侧面出现一条大约 1mm 的裂纹 E3 180 用眼观测试样完好 E4 180 用眼观测试样完好 表9 拉伸试验结果 证书编号：2005-726 编号 屈服强度s(MPa) 抗拉强度b(MPa) 延伸率 (%) 收缩率 (%) 备注 Z1 355 590 41.5 35.0 焊缝处断 Z2 355 605 40

15、.5 29.5 焊缝处断 表10 冲击试验结果 证书编号：2005-726 检测部位 冲击功（AkvJ） 备注 焊缝 58、59、56 选用美式摆锤 母材 192、160、200 选用美式摆锤 热影响区 157、120、164 选用美式摆锤 表11 硬度试验结果 证书编号：P2005-726 检 测 位 置 硬 度 值 （ HV） 母 材 位 置 206、 193、 206、 212 焊 缝 位 置 223、 232、 241 热 影 响 区 位 置 227、 229、 229、 227 晶间腐蚀试验 见证书编号：P2005-149 按GB4334.52000进行晶间腐蚀检验，检验结果全部通过

16、。 金相检验 见证书编号：P2005-149 金相检验见图3、4、5、6宏观金相：在焊缝和溶合线未发现气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷 微观金相 母材：奥氏体+铁素体 熔合线：左侧为焊缝金属，右上侧为母材 焊缝：奥氏体+铁素体 化学成份分析见表12 证书编号：H2005-125表 12 （%） 部位 C Si Mn S P Cr Ni Mo Ti Cu 焊缝 0.05 0.59 1.15 0.010 0.030 19.70 10.13 0.07 母材 0.04 0.63 0.93 0.005 0.022 17.45 8.89 0.28 对于Q235堆焊工艺研究试验结果 1 焊前坡口着色检验 合格

17、 证书编号：2005-43 2 焊后焊缝着色检验 合格 证书编号：2005-44 3 热处理后焊缝着色检验 合格 证书编号：2005-85 4 焊后焊缝X射线检验报告 级 证书编号：2005-5 5 硫酸铜检验 合格 证书编号：2005-74 6 力学性能试验结果侧向弯曲性能试验结果见表13（试验温度20） 7 晶间腐蚀试验 见证书编号：2005-21 按GB4334.52000进行晶间腐蚀检验，检验结果全部通过。 8 金相检验 见证书编号：2005-21 表13 证书编号：2005-726 编号 弯曲角度 结果评定 E1 180 堆焊面受拉面出现二条大约 1mm 的裂纹 E2 180 堆焊面

18、受拉面出现一条大约 2mm 的裂纹，另外在熔合线有两处大约 1mm 的裂纹 E3 180 用眼观测试样凸弧面完好 E4 180 堆焊面受拉面出现一条大约 1mm 的裂纹 宏观金相：在焊缝和溶合线未发现气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷 微观金相 母材珠光体+铁素体，金相清晰组织正常 熔合线：下部为母材呈魏氏体组织，上部为堆焊层 堆焊层：奥氏体+铁素体 化学成份分析见表14 证书编号：H2005-125 表 14 （%） 部位 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu N Co 焊缝 0.03 0.81 1.18 0.007 0.026 24.44 11.91 0.16 0.12 0.12 母

19、材 0.15 0.25 0.36 0.008 0.009 试验结果分析 1、从焊接材料选择方面进行分析， 选用E347T1-1药芯焊丝，采用CO2气体保护焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢可以得到优质的焊缝，由于是采用了气、渣联合保护，减小了飞溅和气孔顷向，而且焊缝成型美观。选用同种药芯焊丝E347T1-1而 采用75%Ar+25%CO2混合气体作为保护气体焊接时，焊后焊缝内存质量不好，夹渣严重。我们初步分析认为：我们选用的 E347T1-1药芯焊丝成份属钛型渣系酸性渣，由于该药芯成份改变了纯CO2气体电弧气氛的物理、化学性质，熔滴过渡为细颗粒过渡，使产生熔渣粘度降低，且纯CO2气体对熔池的搅拌强

20、于混合气体，因此采用纯CO2气体保护用利于熔渣和气体浮出。而采用混合气其活性较差，溶池反应没有纯CO2充分，并且采用混合气保护易形成 “指状”熔深，这些都将影响熔渣浮出，故可能造成夹渣。至于改变保护气类型对焊接过程及溶池反应的影响及造成夹渣具体原因还有待进一步探索。 试验结果分析 2、对焊接接头和堆焊层的力学性能试验结果分析，对于1Cr18Ni9Ti对接接头，焊缝的抗拉强度和屈服强度、延伸率、弯曲结果，说明焊接接头具有较高的强度和良好的塑性，满足标准要求。试验结果表明焊缝的强度比母材低、冲击值比母材低、硬度高于母材。其主要原因是由于焊后没有进行固溶化处理，焊缝结晶方向性较强，形成TiC沉淀于晶

21、界没有来得及溶入固溶体中，造成焊缝强度比母材低，焊缝的屈强比s/b相对较大，焊缝的冲击值下降而硬度较母略高。 对于Q235表面堆焊不锈钢，从堆焊层射线检验、弯曲试验结果来看，堆焊层的溶合很好，堆焊层及过渡层塑性较好，能满足产品的技术要求。试验结果分析 3、从金相组织和化学成份分析，焊缝及堆焊层未发现有气孔、夹渣、裂纹等缺陷，结晶方向较明显。从微观金相看，母材、焊缝组织均为奥氏体+铁素体，分别大约5%和 10%的铁素体均匀分布于奥氏体基体上，组织正常。由于上述两种因素，使焊缝力学性能低于母材。堆焊过渡层熔合线附近母材有魏氏体组织出现，其原因是焊接过程中母材重复受焊接热循环作用局部产生过热形成的。

22、两种焊接接头晶间腐蚀均通过检验，满足奥氏体不锈钢的对腐蚀性能的要求。试验结论 综上所述，焊接1Cr18Ni9Ti选用E347T1-1药芯焊丝采用纯CO2气体作为保护气体、Q235表面堆焊选用E309LT1-1/-4药芯焊丝采用纯CO2气体作为保护气体所采用焊接工艺规程能够满足我公司产品焊接和堆焊的性能要求。药芯焊丝与保护气体的匹配选用应按标准推荐来选用，否则可能会影响焊接的质量。 从奥氏体材料的性能及焊接特点来看，其焊接时具有热裂纹和晶间腐蚀性顷向。奥氏体+铁素体的焊缝组织如果在焊接时在500900长时间受热会有利于相的形成即 ，同时在堆焊的过渡层附近母材可能会有魏氏体组织出现，这种情况由于我们的产品都无法在焊后进行固溶化、稳定化处理和正火处理，所以只能在焊接过程中尽量采用较小的线能量控制热影响区范围，同时应严格控制层间温度在170以下。堆焊时第一层采用较小的线能量，可以降低母材对熔池稀释率的作用。 通过试验证明，我们采用CO2焊机药芯焊丝焊接不锈钢及不锈钢焊层的堆焊是可行的，可以保证焊接质量和产品的技术要求。在试验中选用的焊接参数是合理的，采取的控制措施是有效的，可以为产品的实际焊接提供可靠的理论依据，用以指导生产。并为今后不同的药芯焊丝在其它产品和领域的应用提供一定的参考。