|
摘 要：研究了铁路钢结构桥梁用14MnNbq钢双细丝双弧埋弧焊接多种母材与焊材匹配的对、角接接头的性能和组织状况，较为深入地分析了接头性能与组织的关系。结果表明，采用双细丝双弧埋弧焊接工艺，可以改善焊接热循环和接头的组织状况，保证接头较高的力学性能要求，并且调整焊缝成分方便，生产效率高。
关键词：14MnNbq桥梁钢；双细丝双弧焊接；焊缝组织；焊接热循环
前言
钢结构桥梁在大型公路铁路桥梁中的应用越来越广泛，例如，在芜湖长江大桥、武汉天兴洲公铁两用桥(投资100亿)和武汉阳逻公路桥(投资20亿)等国家重点建设工程中得到广泛应用，为国民经济的飞速发展起着重要的作用。
由于钢结构桥梁的高质量要求，使得焊接，特别是现场焊接适应性强的自动焊接技术显得至关重要。由于桥梁生产工期紧，要求焊接生产的装备必须保证满足高生产率和优质可靠的焊接质量。
14MnNbq钢是武汉钢铁公司新研制生产的桥梁用钢，具有高的韧性、强度和较好的焊接性能。芜湖长江大桥是我国20世纪末刚建成通车的国内最大公路铁路两用桥，全部采用14MnNbq作为钢梁用钢。整个钢梁结构整体节点采用全焊结构，由于节点中很多焊缝是直接传力焊缝，焊缝的质量是制造过程中质量的关键。因此，资料!对其接头性能有较高要求：对接及角接接头的焊缝、熔合线和热影响区的-30℃[低温冲击值必须分别大于或等于48J和34J而屈服强度σ分别不大于母材的100MPa和120MPa。
目前对于14MnNbq钢长直焊缝的焊接基本采用粗丝埋弧焊接法，对于有些接头，如角焊缝的性能虽能满足使用要求，但是其屈服强度较高，低温韧性储备不充分，有必要进行降低强度、保持韧性方面的技术研究。双细丝双弧焊接技术具有高效节能、接头力学性能好等优点。对于采用该技术焊接14MnNbq钢是否能达到14MnNbq钢焊接接头降强保韧的技术要求，改善接头的组织状况，需要进行较为深入的研究。
1 试验原理
采用MZ型埋弧焊接小车改装的双丝焊机，可以同时送进2 根φ1.6~2.5mm的实(药)芯焊丝，每根焊丝各配电源1台，双细丝双弧埋弧焊接法的基本原理如图1所示。 （图片） 通过调节MZ型小车的调整机构，可以改变2根焊丝之间的距离。当间距较小时，2个电弧具有共同的电弧空间(如图1a所示)，这时前端电弧起着预热及造成熔深的作用，后端电弧起提高生产率的作用；当间距较大时，2个电弧没有共同的电弧空间(如图1b所示)，这时前端电弧有造成熔深和预热的作用，后端电弧有提高生产率、延缓焊缝冷却速度和后热处理前一层焊缝的作用。前种方式易于通过焊丝匹配调整焊缝成分，达到调节接头组织与性能的目的。
通过大量的工艺实验证明，双细丝双弧焊接技术除具有熔化系数大、电流可调范围宽、节约电能、焊接质量好等优点外，还具有以下特点：
a. 生产效率高。由于2个电源供给2个电弧焊接，其生产率比单丝单弧焊接提高1倍。例如，采用2个300A的双细丝双弧焊接与粗丝单电弧焊接相比，其熔敷率比为10.5/6.4可以提高生产率60%以上。厚板焊接时，双细丝双弧焊接可以开小坡口，生产率可进一步提高。
b. 焊接裂纹倾向小。一般针对厚板或含碳及合金元素较多的材料的焊接，需要首先进行预热以减少裂纹倾向，增加了生产的工序和操作者的劳动强度，提高了生产成本。而采用双细丝双弧焊接方法，由于其前端电弧的预热作用和后端电弧的后热作用，材料焊接的裂纹倾向要小得多，减少了生产过程中预热和层间温度的控制环节。例如，采用双弧焊接技术焊接50mm厚的常用桥梁用钢14MnNbq板材，可以不预热焊接，也未见裂纹；甚至采用合理的焊接材料匹配与焊接工艺，可以不预热焊接D6AC超高强钢(强度级别为1350MPa)，也未见裂纹。
c. 焊缝机械性能好。由于采用粗丝大电流焊接
桥梁的一些焊缝时，有时会出现强度高、冲击韧性低的结果，超过了铁道部有关桥梁生产的标准，因而必须采取降强增韧的措施。由于双弧技术的焊接接头可以形成有利的窄长温度场和双峰值热循环，降低了熔池的最高温度，减少了接头的过程程度和接头HAZ区的宽度，故采用双细丝双弧焊接技术可以明显的降强保韧，从而提高了接头的韧性，改善了焊缝的组织与性能。
d. 焊缝成分可以适当调整。采用不同的焊丝匹配，进行焊缝渗合金，可以满足不同的焊缝性能要求。在桥梁焊接中，研究一种新型的专用焊接材料需要进行较大的投入，采用双弧焊接技术可以增加常规焊接材料的适用性。在机车车辆结构中，可采用双丝焊接技术进行含碳量较高的车轮轮缘的堆焊修复。
为了方便调整焊缝的成分，该试验采用共熔池双丝双弧焊接法，即将2焊丝间距调至20~30mm这样可以形成较为窄长的熔池和窄的HAZ宽度。
2 试验过程
2.1 单面坡口单层模拟对接焊母材为厚度50mm的14MnNbq钢。焊接材料：考虑到保持较低的σs,和高的低温韧性，选用了3种组合：A匹配为H08C(相当于H08Mn2E+微量V、B、Ti)+H08E+sj101；B 匹配为H08E+H08MnE+SJ101；C 匹配为H08MnE+H08MnE+SJ101。
坡口形式：V 型，深度13mm，坡口角65°，计算截面FH=130mm2，相当于32mm对接的焊缝截面FH或熔透角焊缝的FH。
焊接规范：线能量密度为48.6J/cm+48.4J/cm。
2.2 焊角高度K为10mm的角焊缝焊接母材：板厚32mm+24mm。
焊材匹配：H08MnE+H08MnE+SJ101(D匹配)。
焊接规范：Ih1=300~350A,Ih2=200~250A,Uh1=30~35V,Uh2=30~3540V,vh=15~20m/h。
2.3 性能与组织观察
测定接头的力学性能指标，如拉伸与屈服强度、低温冲击韧性、塑性以及屈强比。
采用光学显微镜，进行焊接接头的各区组织观察。
3 试验结果分析
3.1 焊接接头力学性能试验结果分析
对接和角焊接接头力学性能试验结果对比如表1所示。（图片） 母材性能为σb为490-625MPa，σs为340-350MPa。
从对接接头性能结果可以看出：3种对接焊接材料匹配中，A匹配和C匹配的接头韧性及塑性相近，前者屈强比和韧强比低，强度高，但都能达到技术要求并有相当的余量；B匹配接头只是屈强比与A相近，但其他性能指标均低于前2种匹配，特别是接头的韧性达不到技术要求。
从角接接头性能结果看出：粗单丝焊接接头屈强比很高，屈服强度σs高出基材强度近250MPa，韧性基本达到技术要求，但是角焊缝σs高出母材很多，从桥梁生产技术要求来讲，不太令人满意。而D匹配双丝焊接接头的强度，特别是屈服强度下降较大，更加满足接头屈服强度要求，而且韧强比低于0.8，达到了14MnNbq焊接接头降强保韧的要求。
3.2 接头组织分析
各接头焊缝区金相照片如图2所示。（图片） （图片） A 匹配焊缝为先共析铁素体F沿晶界分布，少量无碳贝氏体B由晶界向晶内生长，晶内为针状F；而过热区组织基本类似，只是没有明显的柱状晶。
B 匹配焊缝为先共析F沿晶界分布，较多无碳B由晶界向晶内生长，晶内为针状F。
C 匹配接头组织类似于C匹配。
D 匹配焊缝为先共析F沿柱状晶晶界分布，少量无碳B由晶界向晶内平行生长，晶内为针状F。
粗单丝对接(焊丝直径φ5mm)接头焊缝组织为E、珠光体P+粒状B；过热区为B组织；细晶区和部分相变区为F+P，组织细小；母材为F+P，成明显带状分布。
4 讨 论
A 匹配接头整个区域的力学性能明显高于B匹配，韧性值超过后者的2倍，完全达到了母材焊接的技术要求，并且韧性储备较为充裕。其原因是：A匹配采用的H08C中Mn的含量高于B匹配，且含有微量的V、B、Ti，使得过渡到焊缝中的合金化元素多一些，增大Mn的固溶强化和V、Ti的晶界强化及第二相强化，使焊缝强度提高；V、Ti微量合金元素的加入，细化了焊缝金属，从而较大的提高了接头的韧性与塑性，这一点从图2a、图2b的晶粒大小对比中可以明显的看出。
C、A匹配接头性能都能满足技术要求，但是由于C匹配为同类焊丝，从生产上建议采用该方案为较好的焊材匹配。
A匹配与粗单丝焊接接头的组织相比较，可以发现2者在组织上差别较大。前者多数组织为F，而后者出现了较多的粒状B组织，因此，前者的接头强度低于后者的；同样，双丝与粗单丝焊接的角接接头组织也有较大的差别，从而造成性能上的较大差别。
焊缝组织是由熔化金属(母材与填充材料)的化学成分和焊接热循环决定的，在该试验焊接过程中，工艺措施基本一致。峰值温度tm和焊后冷却速度vc(t3/8或者t5/8)是很关键的过程参数，前者与接头的过热程度相关；后者可较大程度的影响接头冷却时的相变过程，从而影响接头各区的组织状况。
同样焊角高度K=10的焊接，双细丝双弧埋弧焊(焊丝间距为25-35mm)焊接时，可以形成有利的窄长温度场和双峰循环，可以降低熔池的峰值温度tm，减少接头的过热程度和热影响区宽度，一方面可提高热影响区韧性；另一方面，还可增加熔池冷却时的t3/8和t5/8，降低冷却速度(在vC4附近)，以获得更多的针状F组织。由双细丝、粗单丝焊接的2种焊接接头力学性能可以看出，双弧焊可以提高焊缝和HAZ区的韧性，较大的增加了接头的韧性储备，并且适当的降低了焊接接头的屈服强度和屈强比，提高了接头的韧强比，更加满足角焊缝焊接提出的降强保韧要求。
另外，通过调整前后丝的匹配，利用前焊丝预热和打底作用，后焊丝调整成分和后热作用，不仅可以进一步改善接头的组织性能，而且由于接头HAZ区宽度变窄和过热程度的降低，可以减小焊接的残余应力，并且随着接头塑性与韧性的增加，使得厚板焊接时的裂纹倾向相应减小。
因此，双细丝双弧埋弧焊确实改善了14MnNbq桥梁钢焊接接头性能。
5 结论与展望
通过对14MnNbq钢双弧焊接工艺试验结果的分析，可以得出以下结论：
a.采用适当工艺参数，A、C匹配的性能均能满足14MnNbq钢材对接接头的性能要求；D匹配的性能(特别是接头的韧性和屈强比要求)能满足14MnNbq桥梁钢材一般角焊缝力学性能的要求，且有较大余量；B匹配不能满足性能要求；C匹配为优选。
b.匹配焊缝组织为先共析F、大量针状F和少量B组织；B匹配焊缝为先共析F、较多B与针状F；C匹配焊缝组织类似于A匹配；D匹配为先共析F、少量B与针状F。先共析F均沿晶分布，B由晶界向晶内生长，而大量针状F分布于晶内。
c.有的焊接接头组织状况均取决于双弧焊接焊接材料的选择和焊接热循环，从而决定了焊接接头的力学性能。
d.与粗丝埋弧焊相比，采用双弧焊接技术，由于热循环的改善，降低了焊缝的冷却速度与峰值温度，减少了接头的过热程度，增多了针状f体，从而提高了接头韧强比，适当降低了屈强比。
e.随着精良的双丝焊接设备的不断完善，特别是适合于现场焊接的焊接小车的研制，将使双丝焊接技术在铁路钢结构制造过程中得到更为广泛的应用。
12/24/2004
|
