论文部分内容阅读
摘要：使用镀铜和无镀铜焊丝焊接Q345E低合金钢，观察其显微组织，并对其焊接接头进行脉动拉伸疲劳试验，扫描断口形貌。结果表明：两种焊接接头的显微组织相似，无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头过热区无碳贝氏体较多。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能略低，但两种焊接接头疲劳性能相差不大，余高的存在明显降低疲劳极限。断口微观形貌可以看出：断口无明显缺陷，断口平整能看到清晰的启裂源，扩展区裂纹生长，终断区形貌为大小深浅不一的韧窝，为韧性断裂。
关键词：Q345E低合金钢;镀铜焊丝;无镀铜焊丝;显微组织;疲劳性能
中图分类号：TG422.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0129-06
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.24
0 前言
无镀铜焊丝是新一代的气体保护焊实心焊丝。传统实心焊丝是在半成品钢丝表面镀上一层铜，可增强焊丝与焊嘴接触处的导电性能、防腐能力，以及减少与送丝软管、焊嘴的摩擦力[1]。无镀铜焊丝的出现既迎合了目前环保的理念，又减少了烟尘量和焊接飞溅，降低了成本。而且其操作手感和焊缝成形质量并不亚于镀铜焊丝，具有表面光洁、送丝性能更加稳定、在使用过程中不会出现因铜层脱落等问题造成的送丝不稳的现象、焊丝表面更加光滑、并减少送丝阻力等优点，所以备受青睐[2-5]。
文中对比了镀铜和无镀铜焊丝Q345E焊接接头的疲劳性能（去掉余高、保留正面余高），并对疲劳断口进行扫描分析，研究其焊接性，以确定无镀铜焊丝运用于焊接生产的前景。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
试验材料为Q345E低合金钢，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。采用熔化极混合气体保护焊，焊丝为CHW-50C6SM（镀铜）、Purus-42-CF（無镀铜）。焊接材料的化学成分和力学性能分别如表3、表4所示。
1.2 试验方法
Q345E低合金钢平板对接试板尺寸为300 mm×15 mm×12 mm，坡口尺寸如图1所示，多道焊焊接顺序如图2所示，镀铜和无镀铜焊丝焊接Q345E低合金钢焊接参数如表5所示。
焊后试件均进行外观（ISO17637）、渗透（ISO23277）、射线（ISO17636）检查。为方便后续试验的需要，对接试板要求平直，尽量减少变形。
金相试件经加工、打磨、抛光，并用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在4X1光学显微镜下观察其组织形态。
疲劳试验参照GB/T13816-92《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》，实验设备为PLG-200高频疲劳试验机，其疲劳技术规格为：静态负荷精度±1%，动荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%。试验采用的循环应力比R=0.1，指定循环寿命取5×106次。在试验过程中，当疲劳裂纹尺寸足够大导致载荷加不上去时，自动卸载停振，并记录循环次数。分别对试件进行去掉余高和保留正面余高加工。对接接头疲劳试件尺寸（去掉余高、保留正面余高）见图3。
2 试验结果及分析
2.1 金相组织分析
Q345E低合金钢母材显微组织如图4所示，组织为铁素体+珠光体。
图5a、图6a为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头焊缝显微组织。可以看出：焊缝金相组织为沿柱状晶分布的先共析铁素体，以及少量的针状铁素体和细小的粒状贝氏体，其形态为针状铁素体晶界周围分布的块状小岛，在粒状贝氏体组织中，其分解产物可以起到第二相强化作用，所以粒状贝氏体强韧性较好，优化了其疲劳性能，所以焊缝处不易出现疲劳裂纹。图5b、图6b为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头熔合区显微组织，可以看出：熔合线上方为焊缝，下方为过热区，镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头过热区显微组织为块状、针状铁素体和少量的无碳贝氏体与粒状贝氏体。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头过热区为珠光体和大量的无碳贝氏体，无碳贝氏体的出现恶化了疲劳性能，所以其热影响区附近更易产生疲劳裂纹。图5c、图6c为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头细晶区显微组织，可以看出：细晶区显微组织均为铁素体与珠光体，其组织细化，铁素体与珠光体等轴分布所以能够均匀分散应力应变，疲劳性能好。图5d、图6d为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头部分转变区显微组织。可以看出：部分转变区显微组织为铁素体与珠光体。部分铁素体和珠光体重结晶，晶粒细化，也有一部分没有发生重结晶导致晶粒大小不一，相比细晶区域性能较差，但其晶粒要比母材区域细小，而且铁素体和珠光体的组织疲劳强度要高于贝氏体组织。
2.2 疲劳试验结果及分析
通过升降法分别确定镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限，其疲劳极限升降如图7所示。
通过升降法确定镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限：
由以上数据确定的镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线对比（去掉余高、保留正面余高）如图8所示。
镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高、保留正面余高）脉动拉伸疲劳试验指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限分别为390 MPa、297 MPa。无镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高、保留正面余高）脉动拉伸疲劳试验指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限分别为373 MPa、271 MPa。可见去掉与保留余高对疲劳极限有很大影响，镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能略优于无镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢。 2.3 镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳断口分析
镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为12个，断裂位置有6个在母材，只有1个在热影响区，说明焊接接头性能良好。而无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为13个，断裂位置有5个在母材，3个在热影响区，说明无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头热影响区更容易出现应力集中现象，这是由于其热影响区出现的无碳贝氏体降低了疲劳性能，使裂纹容易萌生。
镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（保留正面余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为13个，断裂位置有6个在焊趾，只有2个在母材。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（保留正面余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为12个，断裂位置有7个全部在焊趾。焊趾部位存在较大的应力集中，是产生疲劳断裂的主要原因，宏观形貌如图9所示。
与中值疲劳极限结果相结合，说明无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能还是低于镀铜焊丝Q345E低合金钢，但相差不大，有无余高对疲劳极限降低明显。
使用JSM-6360V扫描电子显微镜对疲劳试件断口形貌进行扫描分析，断口照片如图10所示。可以看出：断裂试件疲劳裂纹的启裂区和启裂扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹清晰并较细，扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大，终断区断口形貌均为大小深浅不一的韧窝。
3 结论
（1）镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头显微组织相似，但无镀铜焊丝焊接接头热影响区出现的无碳贝氏体较多，对疲劳性能有影响，使裂纹容易萌生。
（2）镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次数时的中值疲劳强度σ0.1：镀铜焊丝Q345E焊接接头（去掉余高）为390 MPa，无镀铜焊丝Q345E焊接接头（去掉余高）为373 MPa，疲劳性能良好。镀铜焊丝Q345E焊接接头（保留正面余高）为297 MPa，镀铜焊丝Q345E焊接接头（保留正面余高）为271 MPa。保留正面余高使疲劳极限降低100 MPa左右。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能略低于镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头。
（3）断口形貌表明，镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头都没有明显缺陷，断口平整且有明显的疲劳断裂特征，扩展区疲劳带清晰，终断区出现明显的韧窝。
参考文献：
[1] 陈金晟，王玉杰，郭忠凯. 无镀铜实心焊丝生产现状[J].金属制品，2014，40（5）：12-16.
[2] 冯素英，孟波，乔吉春. 无镀铜实心焊丝MAG智能焊特点分析[J]. 金属制品，2017，43（5）：18-20.
[3] 方乃文，林晓辉，马青军，等. 无镀铜焊丝MAG焊接工艺性能定量化分析研究[J]. 机械制造文摘（焊接分册），2017（2）：16-19.
[4] 刘志军. 无镀铜焊丝与镀铜焊丝对比试验[J]. 金属加工（热加工），2016（4）：58-60.
[5] 黃幼仙，郑燕，贾军，等. GMAW无镀铜实心焊丝及其应用[J]. 电焊机，2012，42（10）：70-72，76.
关键词：Q345E低合金钢;镀铜焊丝;无镀铜焊丝;显微组织;疲劳性能
中图分类号：TG422.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0129-06
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.24
0 前言
无镀铜焊丝是新一代的气体保护焊实心焊丝。传统实心焊丝是在半成品钢丝表面镀上一层铜，可增强焊丝与焊嘴接触处的导电性能、防腐能力，以及减少与送丝软管、焊嘴的摩擦力[1]。无镀铜焊丝的出现既迎合了目前环保的理念，又减少了烟尘量和焊接飞溅，降低了成本。而且其操作手感和焊缝成形质量并不亚于镀铜焊丝，具有表面光洁、送丝性能更加稳定、在使用过程中不会出现因铜层脱落等问题造成的送丝不稳的现象、焊丝表面更加光滑、并减少送丝阻力等优点，所以备受青睐[2-5]。
文中对比了镀铜和无镀铜焊丝Q345E焊接接头的疲劳性能（去掉余高、保留正面余高），并对疲劳断口进行扫描分析，研究其焊接性，以确定无镀铜焊丝运用于焊接生产的前景。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
试验材料为Q345E低合金钢，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。采用熔化极混合气体保护焊，焊丝为CHW-50C6SM（镀铜）、Purus-42-CF（無镀铜）。焊接材料的化学成分和力学性能分别如表3、表4所示。
1.2 试验方法
Q345E低合金钢平板对接试板尺寸为300 mm×15 mm×12 mm，坡口尺寸如图1所示，多道焊焊接顺序如图2所示，镀铜和无镀铜焊丝焊接Q345E低合金钢焊接参数如表5所示。
焊后试件均进行外观（ISO17637）、渗透（ISO23277）、射线（ISO17636）检查。为方便后续试验的需要，对接试板要求平直，尽量减少变形。
金相试件经加工、打磨、抛光，并用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在4X1光学显微镜下观察其组织形态。
疲劳试验参照GB/T13816-92《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》，实验设备为PLG-200高频疲劳试验机，其疲劳技术规格为：静态负荷精度±1%，动荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%。试验采用的循环应力比R=0.1，指定循环寿命取5×106次。在试验过程中，当疲劳裂纹尺寸足够大导致载荷加不上去时，自动卸载停振，并记录循环次数。分别对试件进行去掉余高和保留正面余高加工。对接接头疲劳试件尺寸（去掉余高、保留正面余高）见图3。
2 试验结果及分析
2.1 金相组织分析
Q345E低合金钢母材显微组织如图4所示，组织为铁素体+珠光体。
图5a、图6a为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头焊缝显微组织。可以看出：焊缝金相组织为沿柱状晶分布的先共析铁素体，以及少量的针状铁素体和细小的粒状贝氏体，其形态为针状铁素体晶界周围分布的块状小岛，在粒状贝氏体组织中，其分解产物可以起到第二相强化作用，所以粒状贝氏体强韧性较好，优化了其疲劳性能，所以焊缝处不易出现疲劳裂纹。图5b、图6b为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头熔合区显微组织，可以看出：熔合线上方为焊缝，下方为过热区，镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头过热区显微组织为块状、针状铁素体和少量的无碳贝氏体与粒状贝氏体。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头过热区为珠光体和大量的无碳贝氏体，无碳贝氏体的出现恶化了疲劳性能，所以其热影响区附近更易产生疲劳裂纹。图5c、图6c为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头细晶区显微组织，可以看出：细晶区显微组织均为铁素体与珠光体，其组织细化，铁素体与珠光体等轴分布所以能够均匀分散应力应变，疲劳性能好。图5d、图6d为镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头部分转变区显微组织。可以看出：部分转变区显微组织为铁素体与珠光体。部分铁素体和珠光体重结晶，晶粒细化，也有一部分没有发生重结晶导致晶粒大小不一，相比细晶区域性能较差，但其晶粒要比母材区域细小，而且铁素体和珠光体的组织疲劳强度要高于贝氏体组织。
2.2 疲劳试验结果及分析
通过升降法分别确定镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限，其疲劳极限升降如图7所示。
通过升降法确定镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限：
由以上数据确定的镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线对比（去掉余高、保留正面余高）如图8所示。
镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高、保留正面余高）脉动拉伸疲劳试验指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限分别为390 MPa、297 MPa。无镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高、保留正面余高）脉动拉伸疲劳试验指定寿命为5×106次循环下的中值疲劳极限分别为373 MPa、271 MPa。可见去掉与保留余高对疲劳极限有很大影响，镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能略优于无镀铜焊丝厚板Q345E低合金钢。 2.3 镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳断口分析
镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为12个，断裂位置有6个在母材，只有1个在热影响区，说明焊接接头性能良好。而无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（去掉余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为13个，断裂位置有5个在母材，3个在热影响区，说明无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头热影响区更容易出现应力集中现象，这是由于其热影响区出现的无碳贝氏体降低了疲劳性能，使裂纹容易萌生。
镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（保留正面余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为13个，断裂位置有6个在焊趾，只有2个在母材。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头（保留正面余高）脉动拉伸疲劳试件的有效试件为12个，断裂位置有7个全部在焊趾。焊趾部位存在较大的应力集中，是产生疲劳断裂的主要原因，宏观形貌如图9所示。
与中值疲劳极限结果相结合，说明无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能还是低于镀铜焊丝Q345E低合金钢，但相差不大，有无余高对疲劳极限降低明显。
使用JSM-6360V扫描电子显微镜对疲劳试件断口形貌进行扫描分析，断口照片如图10所示。可以看出：断裂试件疲劳裂纹的启裂区和启裂扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹清晰并较细，扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大，终断区断口形貌均为大小深浅不一的韧窝。
3 结论
（1）镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头显微组织相似，但无镀铜焊丝焊接接头热影响区出现的无碳贝氏体较多，对疲劳性能有影响，使裂纹容易萌生。
（2）镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头指定寿命为5×106次数时的中值疲劳强度σ0.1：镀铜焊丝Q345E焊接接头（去掉余高）为390 MPa，无镀铜焊丝Q345E焊接接头（去掉余高）为373 MPa，疲劳性能良好。镀铜焊丝Q345E焊接接头（保留正面余高）为297 MPa，镀铜焊丝Q345E焊接接头（保留正面余高）为271 MPa。保留正面余高使疲劳极限降低100 MPa左右。无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能略低于镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头。
（3）断口形貌表明，镀铜和无镀铜焊丝Q345E低合金钢焊接接头都没有明显缺陷，断口平整且有明显的疲劳断裂特征，扩展区疲劳带清晰，终断区出现明显的韧窝。
参考文献：
[1] 陈金晟，王玉杰，郭忠凯. 无镀铜实心焊丝生产现状[J].金属制品，2014，40（5）：12-16.
[2] 冯素英，孟波，乔吉春. 无镀铜实心焊丝MAG智能焊特点分析[J]. 金属制品，2017，43（5）：18-20.
[3] 方乃文，林晓辉，马青军，等. 无镀铜焊丝MAG焊接工艺性能定量化分析研究[J]. 机械制造文摘（焊接分册），2017（2）：16-19.
[4] 刘志军. 无镀铜焊丝与镀铜焊丝对比试验[J]. 金属加工（热加工），2016（4）：58-60.
[5] 黃幼仙，郑燕，贾军，等. GMAW无镀铜实心焊丝及其应用[J]. 电焊机，2012，42（10）：70-72，76.