薄板熔化焊的最佳熔深

薄板熔化焊的最佳熔深吴永超;钟球;陈振裕;张楚忠【摘要】在金相检验工作中发现，由于相关标准中无焊接熔深上限值的规定,很多零部件在焊接时出现无节制地加大熔深的现象，导致母材过热而引发断裂失效.通过控制焊接电流、电压等工艺参数，对不同厚度的钢板进行二氧化碳气体保护焊得到焊接组合体.通过万能电子拉力试验机、显微维氏硬度计、光学显微镜进行力学性能测试与金相检验，讨论了熔深对焊接体抗拉强度、硬度及显微组织的影响.研究结果表明:当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍范围内时厩可保证足够的抗拉强度，同时又可避免因过热导致的断裂失效.对于不能用拉伸试验进行验证的焊接件，可以用金相测量法测定熔深进行验证判定.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷)，期】2014(050)005【总页数】4页(P347-350)【关键词】二氧化碳气体保护焊;熔深;抗拉强度;显微组织【作者】吴永超;钟球;陈振裕涨楚忠【作者单位】一汽海马汽车有限公司，海口570216;一汽海马汽车有限公司，海口570216;一汽海马汽车有限公司，海口570216;一汽海马汽车有限公司，海口570216【正文语种】中文【中图分类】TG406熔化焊是焊缝金属与母材金属熔融成一个组合体的过程。熔融的程度无疑对组合体的力学性能有必然的影响，熔融不够，则结合力不足；熔融过度，将产生过热等不良影响。但无论是针对焊接的国际标准，还是国家标准，均没有规定熔深限值。在实际检验工作中发现，由于相关标准中无熔深限值，故很多零部件的焊接都无节制的加大熔深，导致出现大量因母材过热引发的断裂失效。如某公司的前、后悬挂横梁总成、排气歧管及发动机安装支架断裂等，均是因熔深过度导致焊缝或母材过热而出现脆性相造成的［1-2］。笔者旨在研究熔深对焊接组合件的力学性能的影响规律，对熔深上限进行合理限制，避免因熔深过度导致的断裂失效；并研究不同熔深时各相关组织的变化趋势及特点，完善焊接质量金相检验方法。1试样制备与试验方法1.1焊接过程选用表1所示的5种钢板，均裁剪为600mmx150mm的规格，按图1所示的搭接方式焊接，其中t为板厚，P为熔深，搭接量为30mm,焊接成5组试样。另外，再取表1中的4号2.0钢板按图2所示的对接方式焊接，制成另一组试样。对表1所示的1~4号钢板采用型号为JUN10R-283的焊机，焊材牌号为ER50-6;对5号不锈钢板采用焊接机器人，焊材牌号为ER308。每组（共6组）试样通过调节焊接电流、电压、送丝速度和焊接速度进行二氧化碳气体保护焊，焊后自然空冷，获取预期的7个不同熔深的焊件。具体的焊接工艺如下：焊接电流1~7档，电流50~125A，电压13~20V，气体流量15~20L/min,送丝速度5~40mm/min，焊丝的干伸长度15mm，焊接速度20~100mm/min。表1焊接钢板的参数Tab.1Parametersofweldedsteelplates序号板厚/mm牌号基体组织抗拉强度/MPa硬度/HV0.210.7DC04铁素体+珠光体270~35080~10221.0DC04铁素体+珠光体270~35084-9931.6DC04铁素体+珠光体270~350150~17542.020铁素体+珠光体420~49085~10551.0SUS436铁素体410~455160~180图1搭接焊示意图Fig.1Schematicdiagramoflapwelding图2对接焊示意图（mm）Fig.2Schematicdiagramofbuttwelding1.2测试过程依据GB/T2651-1989《焊接接头拉伸试验方法》，在CMT5305万能电子拉力试验机上测定板厚为1.0,1.6,2.0mm的焊接接头的抗拉强度，在CMT6104万能电子拉力试验机上测定板厚为0.7mm的焊接接头的抗拉强度。用FM-100显微硬度计测定焊接件焊缝区、热影响区、母材区域的显微硬度。将试样切割、镶样、打磨抛光、腐蚀，在LEICAS60体式显微镜下测试熔深。取不同熔深试样经切割、磨制、抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀，在LEICADMIRM光学显微镜下分别观察焊缝组织、母材熔化重结晶组织及其区域大小、母材热影响区组织及其区域大小。2试验结果与讨论2.1熔深对焊接件抗拉强度的影响图3为6组不同钢板焊接后熔深与抗拉强度的关系，可以看出当熔深达到0.1mm时，焊缝的抗拉强度即可达到母材强度的80%；当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍时，抗拉强度达到最大值；当熔深超过板厚的0.6倍时，抗拉强度急剧下降。图3不同厚度钢板熔深与抗拉强度的关系曲线Fig.3Relationcurvesbetweenweldpenetrationwithtensilestrengthofdifferentthicknesssteelplates2.2熔深对抗拉断裂位置的影响从试验结果统计中可以发现，当熔深低于0.2mm时，主要为焊缝断裂；当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍时，焊缝断裂与母材热影响区断裂几率相当；当熔深超过板厚的0.6倍时，主要为母材热影响区断裂。焊缝断裂大部分出现在熔合线附近的未熔合区，母材断裂位置大部分位于焊趾处。2.3熔深对母材热影响区硬度的影响图4为熔深与母材热影响区硬度的关系，可以看出母材重结晶区的硬度均高于母材的硬度，表明该区域生成了硬脆相，并在焊接熔深约等于板厚的0.6倍时达到最大值。图4熔深与母材热影响区硬度的关系曲线Fig.4Relationcurvesbetweenweldpenetrationwithhardnessofheataffectedzoneofbasemetal2.4熔深对焊缝组织的影响图5不同熔深的焊缝组织Fig.5Microstructureofweldwithdifferentweldpenetrationvalues图5显示了不同熔深(P<0.2mm/0.2mm<P<0.6t/P>0.6t)焊接体的焊缝组织，可以看出当熔深小于0.2mm时，焊缝组织为柱状晶，晶界处为铁素体，晶内为索氏体；当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍时，大部分焊缝组织为柱状晶，晶界处为铁素体，晶内为索氏体，有少量魏氏组织；而熔深超过板厚的0.6倍时，大部分组织为粗大柱状晶，晶界处为铁素体，晶界内为珠光体和铁素体，呈严重的魏氏组织。2.5熔深对母材热影响区组织的影响图6显示了不同熔深(P=0.12,0.24,0.62,1.4mm)焊接体的母材热影响区的组织，可以看出熔深为0.12mm时，母材热影响区的组织为细晶粒铁素体和少量珠光体；熔深为0.24mm时，为粗晶粒铁素体和较多珠光体；熔深为0.62mm时，为粗晶粒铁素体和较多珠光体，以及大量的魏氏组织；熔深为1.4mm时，为粗大的回火板条马氏体。3结论焊接件熔深达到0.1mm时，焊接件的抗拉强度已达到母材强度的80%，此时焊缝组织为柱状晶，组织中无脆性相；母材热影响区为细晶粒铁素体和少量珠光体，也无脆性相，但在此焊接条件下有部分焊件出现了部分未熔合。当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍时，焊接件的抗拉强度已达到最大值，拉断强度均已大于母材强度。此时焊缝组织为柱状晶，晶界处为铁素体，晶内为索氏体，有少量魏氏组织；母材热影响区组织为粗晶粒铁素体和较多珠光体，伴有少量脆性相，且此时焊接外观质量最优。当熔深超过板厚的0.6倍时，抗拉强度明显下降，焊缝组织为粗大柱状晶，呈严重的魏氏组织，有较多脆性相，且母材热影响区的组织也呈明显的魏氏组织，甚至为粗大的回火板条马氏体。无论是焊缝还是母材热影响区的组织均已形成明显的脆性相，故导致抗拉强度降低。综上所述，焊接质量与熔深有直接的对应关系，当焊接熔深控制在大于0.2mm且小于板厚的0.6倍范围内时，既可保证足够的抗拉强度，同时可避免过热导致的断裂失效问题。对于不能用拉伸试验进行验证的焊接件，可以用金相法测量熔深进行验证判定。图6不同熔深焊缝的母材热影响区的显微组织Fig.6Microstructureofheataffectedzonewithdifferentweldpenetrationvalues(a)P=0.12mm(ontheleftsideforbasemetal