建立碳钢焊接金相图谱库的研究外文翻译资料

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关于2014年美国机械工程师协会开展的国际机械工程师交流、博览会的会议记录

加拿大 魁北克 蒙特利尔 2014年11月14-20日

IMECE2014-36482

比较利用熔化极气体保护焊（GMAW）和热丝-钨极惰性气体保护焊（HW-TIG）机械化焊接高强钢所产生的微观结构和硬度的不同

摘要

在高生产力的焊接制造业中,熔化极气体保护焊(GMAW)被作为典型代表经常使用，因为它为物件的联接提供了高的熔敷速率和焊接速度。电源技术的研究进展提高了热丝-钨极惰性气体保护焊(HW-TIG)的熔敷速率,因此这样就可能达到GMAW在压力容器和管道应用方面的参数的要求。然而,这两个过程有着截然不同的熔敷效率和热输入特征。本研究的目的是检验GMAW和HW-TIG在相同的焊接速度、送丝速度与ER90S-G焊丝条件下的平板堆焊焊缝的力学性能、熔敷速率和热影响区(HAZ)热循环。结果表明当HW-TIG应用GMAW中相同的焊接和送丝速度时,可以形成一个更均衡的焊缝外观。焊缝金属的硬度数据值表明，HW-TIG的有效热输入相较GMAW的有效热输入略低，因此HW-TIG焊缝金属的平均硬度值略高。

前言

弧焊焊接如TIG焊和GMAW,是大多数金属加工行业的主要焊接方法，如制造业、建筑业、汽车、船舶和能源[1]。

TIG焊是连接材料最普遍的方法，因为它的电弧非常稳定，成型的焊缝质量很高，焊接飞溅极小，不需要焊后清渣[2]。因为这些原因,TIG焊经常用于管道材料多道焊焊接接头跟部焊道的焊接。不过,焊丝是TIG焊的基本需要,并且焊丝一般由一台冷丝送料机提供，或者由HW-TIG焊接设备提供。在冷丝-钨极惰性气体保护焊(CW-TIG)的焊接过程中,焊丝直接添加到焊缝池中，不用预热。或者 ,在HW-TIG焊时，焊丝在送入到熔池或者电弧中去的同时，会通过另外一台能源设备利用电阻热进行预热。这增加焊丝的熔化速率,提供了一个更高的熔敷速率。

GMAW是应用最广泛的焊接方法，因为它灵活性好，熔敷速率高、热输入低,并且自动操作简单[3]。在GMAW中,电弧存在焊丝和不断被填充的工件上的熔池之间。GMAW是一个非常实用的焊接方法，因为它有高熔丝率和高焊接速率；与手工电弧法相比，可以实现并且提供高熔敷速率。它不需要频繁的停止去改变电极极性,而手工电弧焊或者焊条电弧焊通常就是这样。此外,根本不需要进行焊后清渣，因为几乎没有焊渣。在GMAW中，焊接成型和焊接熔池热特性严格控制着焊接接头机械强度的提高和产生焊接缺陷的减少。电弧电流、电弧电压、热输入,熔化率和气体成分是GMAW中最重要的参数。与TIG焊不同,在GMAW中，熔融的焊丝金属可能通过不同的过渡方式穿过电弧传递到工件上，例如短路、颗粒或射流过渡[4]。与HW-TIG相比，GMAW通常可以达到更高的熔敷速率。

很少有研究在文献中直接比较熔化极气体保护焊-和HW-TIG在使用相同焊接工艺参数条件下的金相组织,力学性能,焊缝金属的热循环(WM)和热影响区(HAZ)［5、6和7］。因此,本文比较了GMAW和HW-TIG板上堆焊焊缝在这些方面的不同,同时也考虑了两种焊接方法在相同的送丝速度和焊接速率时，冷却速率的影响(热循环)和预热状态时形成的金相组织和硬度。

实验过程

GMAW使用一种自动焊接机器人—FANCL Robot ARC MATE 120i，它配置了林肯455马力的能源设备，保护气体是Ar 85% 、CO₂ 15%的混合气体。对于HW-TIG而言，也已经使用了一种由 Liburdi提供的具有Gold Track VI 热丝能源的完全自动化焊接系统,以纯氩气作为保护气体。这两种焊接方法都使用ER90S - 0.5 G焊条进行焊接，焊接金属板是（0.5in）13mm厚的ASTM - A516 70级钢,规格尺寸为150 mm x 150 mm。所有焊缝都为板上堆焊,没有变形。

热影响区(HAZ)的金相组织，热循环和硬度的分析主要目的，是用来比较在相同的熔敷速率下两种焊接方法的热输入的不同。因此,这两种焊接方法的送丝速度都为200in/min，焊接速度为10in/min。A516-G70钢板和直径为（0.035 in）0.9mm的ER90S-G焊丝的主要化学成分如表1所示。

GMAW和HW-TIG的焊接参数列在表2中,参数是根据管道焊接常用的焊接工艺选择的。为了研究了GMAW在较低热量输入条件下,不产生冷裂纹而形成有良好机械性能和最小的热影响区的高质量焊缝，我们进行了很多次这样的实验。

对于这两种焊接方法，焊丝都进行了预热和没有预热两种处理方式。使用的预热温度是150ordm;Cplusmn;10ordm;C[9、10]。为了比较热循环的所有影响因素，实验规范使用表面安装的k型热电偶,这样热循环就会在焊缝中的同一位置出现。图1说明了在这项研究中使用的数据采集系统。热电偶顺着焊缝点焊在离焊缝1plusmn;0.5mm的位置，用于测量热影响区的冷却速率，如图1所示。为了进行分析比较，所有的热电偶只能放置在焊缝的相同位置，并且需要放置非常多的热电偶。

表1:A516-G70钢板和ER90S-G焊条的化学成分(wt %)。

图1:(a)示意图说明了热循环测量过程;

(b)热电偶点焊在焊道的照片。

表2：焊接工艺参数

在目前的测试中，焊丝的熔敷速率或者说随着时间推移焊丝金属在母材中的比例kg/hr或者lb/hr都是恒定的。应该注意的是,GMAW频繁使用药芯焊丝,这可能会降低熔敷速率，相比起使用系数为0.85倍的实心焊丝来说；不过，这可以增强GMAW的工作效率，因为它增强了电弧和接触焊嘴之间的热电阻加热的效果[8]。在这项研究中应该值得注意的是,虽然实验选择了一个恒压装置(一个配置了林肯455马力的装置，型号为CV MIG profile # 5 ),但是高速数据采集系统显示，在脉冲频率为60 Hz平均电压为(RMS)16 V时，实验使用的脉冲电流在基值电流125 A和220A峰值之间跳动。

金相检验每个焊缝的横截面是为了估算热影响区的大小。金相试样是焊缝从中间截断，经过打磨再用2%硝酸溶液腐蚀后得到的。利用光学显微镜观察金相组织的特征。

结果与讨论

微观结构

图2显示了这两种焊接方法所得到的焊缝横截面。焊缝金属的金相图片是GMAW和HW-TIG焊在没有预热的条件下得到的。图2说明了堆焊焊缝有相当大的强化作用,并且两种焊接方式所得到的热影响区的大小相同，并且可以观察到GMAW的熔深率较高，有较大的熔宽,而HW-TIG的余高较低。与HW-TIG相比，图２中GMAW的柱状晶粒结构图显示较慢的冷却速率，然而图2b却说明了GMAW的焊趾上存在尖锐的角度，焊接钢板湿润性少。

熔化极气体保护焊的金相组织

在没有预热条件下GMAW得到的焊缝金属的金相组织是网状马氏体和下贝氏体的混合物。占大多数的马氏体和小数细小的网状贝氏体让焊缝金属的硬度值达到420HV₅₀₀，见图3硬度分布图。热影响区的金相组织与焊缝金属的金相组织相同,但是热影响区的硬度值增加到了450 HV500,这是不好的，因为有板状马氏体存在。焊丝先预热再使用对最终的金相组织和硬度分布影响显著，焊缝金属的硬度值从420　HV₅₀₀下降到350 HV₅₀₀。预热条件下焊缝金属的金相组织是板状马氏体和下贝氏体的混合物。

HAZ的热循环和金相组织说明了预热条件下的冷却速度较不预热条件下的低。当然,GMAW的焊接电压可以调节，这让焊趾角度和焊缝形状比HW-TIG焊的焊缝好,然而较高的电压需要更高的热输入装备。当前工作的目的是找到既同时适用于这两种焊接方法又比较合理的焊接速度和热输入值。

HW-TIG焊的金相组织

TIG在有没有预热的情况下所得到的焊缝金属的金相组织几乎都是细板条马氏体。即使这两种焊接方法的冷却速率完全不同,但硬度分布几乎是相同的。HW-TIG与GMAW相比热输入更低，这让HW-TIG最终的金相组织产生显著的影响。根据电压和电流的测量,这两种焊接方式的额定热输入都在0.55到0.64 kJ / mm的范围内变动。实验很难明确的确定实际热输入，因为这两种焊接方法中的电弧热效率都没有配置专门的设备记录。不过,文献资料表明,TIG通常比GMAW效率低[11、12]。

此外,金相组织和硬度值表明HW-TIG比GMAW需要提供的热输入更低。主要原因是HW-TIG焊时熔滴脱离焊枪,这让焊接电弧产生的热量可以迅速扩散，且熔滴没有摇摆而是直接通过电弧滴落，就跟GMAW一样。在热输入方面，HW-TIG优于CW－TIG,因为它需要的用来熔化焊丝金属的电弧电流较少,从而降低了整体的热输入。可以使用更多的热输入来避免马氏体结构的产生,这表明可以通过提高熔敷速率（电弧电压或者焊接电流）来达到相同的热输入的要求，这在GMAW中也是一样的[11、12]。

硬度

这两种焊接方法所得到的硬度结果都与之前得到的金相组织和热影响区冷却速率保持一致。例如，HW-TIG中处在融合区边缘(没有预热)的硬度值为450 HV₅₀₀，；但是预热后减少到了375 HV₅₀₀。GMAW不预热时,硬度值约420 HV₅₀₀，而预热后减少到350 HV₅₀₀左右。此外,如果我们比较预热条件下的GMAW图4(d)和预热条件下的HW-TIG图5(d)焊接热影响区的金相组织，可以观察到几乎相同的金相组织,相同的硬度值数据。HW-TIG的总体趋势呈现出高硬度，表明跟GMAW相比它提供了一个低热输入。压力容器一般要进行焊后热处理(淬火)，目的是恢复热影响区和焊缝金属的韧性[12]。

还应该指出的是,许多高强度管道焊接时使用含碳量较低的钢(即lt; 0.10 wt %)和最快的冷却速率，而当GMAW使用热输入值小于0.5 kJ / mm时，是典型不需要进行焊后热处理的现象，因为合金的淬透性远远低于压力容器钢。

热循环

图6说明了两种焊接方法中所测得的焊接热循环。回顾图6,平均冷速率在800°C到500°C之间如表3所示,每种焊接方法的线冷却率绘制在对数坐标图上如图7，方便进行比较。虽然HW-TIG看起来可以实现更快的冷却速度,但应该注意的是,这两种焊接方法使用了不同的焊接测试装置,这可能会导致这两种焊接方式的散热效应有所不同。从结果上来说,这可能不是严格意义上的固有特征,但考虑到焊接试样的规格为150 x 150mm,而焊接不短于5英寸的焊缝只用了短短的30秒,因此散热效应对热传递只有轻微的影响，可以忽略不计。

此外,因为大家都知道TIG的电弧热效率低于GMAW[12],所以观察到HW-TIG有较高的冷却速率是有道理的,这也解释了图2b中观察到的焊缝晶粒组织比图2a中GMAW的柱状晶粒组织要好的原因。

图8的输出显示了基本金属的过冷奥氏体等温转变曲线(TTT)和过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT)图表[13],A516-G70钢板的化学成分如表1所示。根据图７的冷却速率曲线,这两种焊接方式得到的HAZ的金相组织可以通过冷却速率和图8中的TTT曲线和CCT曲线预测。结果表明,GMAW产生的是网状马氏体与贝氏体混合组织,而HW－TIG产生的是全马氏体组织。此外,焊前预热对HAZ

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