ZG230-450钨极氩弧焊的堆焊焊缝性能分析

杨黎明,王彦涛,潘宏

摘  要：在ZG230-450的生产、制造和使用中会出现不同种类的缺陷，为研究这些缺陷的焊接修复工艺，本文选用ER50-6的焊棒，使用钨极氩弧焊对母材ZG230-450进行堆焊，对堆焊后的焊缝进行金相分析后得出该种工艺的可行性以及今后的优化方向。焊缝金相组织的分析是焊接工艺设计中关键的参考依据。本文对该焊缝接头金相组织进行了详细的分析，既可以验证本次焊接工艺的合理性，又可以为铸钢件的焊接修复提供试验基础。

关键词：ZG230-450；钨极氩弧焊；焊缝金相

0  序  言[*]

ZG230-450是一种铸造碳钢，也叫ZG25或者25号钢。230是指铸钢件的屈服强度为230Mpa，450是指铸钢件的抗拉强度为450Mpa。ZG代表铸钢的拼音缩写，执行GB/T11352标准。此种材料焊接性良好，焊前可不预热或100～150℃低温预热，焊接量较大时需要焊后去应力处理。作为结构件在焊接产品的制造过程中常用的焊接方法有手工电弧焊、熔化极气体保护焊等。但是作为铸造件，在铸造过程中不可避免的会出现铸造缺陷，同时后工序生产中由于机加工等工序产生的制造缺陷，还有在构件服役过程中由于载荷作用产生的缺陷和磨损等影响产品使用的缺陷。这些缺陷如果是在高应力区、加工面或者缺陷较小的时候，采用热输入量更低的钨极氩弧焊会降低工件的变形，提高焊接质量，所以从经济性和焊缝质量上综合考虑都是比较好的选择。本文选用ER50-6的焊棒，使用钨极氩弧焊对母材ZG230-450进行堆焊，对堆焊后的焊缝进行金相分析后得出该种工艺的可行性以及今后的优化方向。

1  试验材料

1.1  试验母材

试样的焊接母材选用的是《一般工程用铸造碳钢件》GB/T 11352中的ZG230-450铸造碳钢，正火热处理，其化学成分列于表1。

表1  ZG230-450一般工程用铸造碳钢化学成分

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	Mo	V
≤0.30	≤0.60	≤0.90	≤0.035	≤0.035	≤0.40	≤0.35	≤0.40	≤0.20	≤0.05

1.2  试验焊材

试验的焊接材料为《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》GB/T 8110中型号为ER50-6直径2.0mm的实心焊棒，其化学成分、力学性能分别列于表2、表3。

表2ER50-6化学成分

C	Si	Mn	P	S
0.06~0.15	0.80~1.15	1.40~1.85	≤0.025	≤0.025

表3ER50-6机械性能

屈服强度ReH(MPa)	抗拉强度Rm(MPa)	A/%	-30°C冲击功（KV2J）
≥500	≥420	≥22	≥27

2  焊接工艺

2.1  焊接工艺制定原则

由于焊接过程的变量较多，本文主要研究氩弧焊对ZG230-450的堆焊焊缝的金相分析，所以选择了在母材本体加工坡口的方式进行堆焊焊缝的焊缝接头准备。试板尺寸为150mm×150mm×12mm，接头草图如图1所示。

图1 ZG230-450堆焊焊缝接头准备

2.2  焊接参数

  为了尽量减少焊接变量的影响，尽量将试验按照实际生产中的极限情况来设计。本文采用焊接道数为单层五道，焊接参数详见表4。

表4  ZG230-450铸钢件堆焊的焊接参数

焊道	工艺方法	电流强度	焊接速度	预热
1~5	141	120`150A	1.6mm/s	50~100℃

3  金相组织分析

3.1 焊接试样宏观金相图

通过堆焊的焊缝宏观金相组织，可以看出堆焊层和母材本体熔合良好、焊缝熔深大约在2~3mm左右，宏观金相照片如图2所示。

图2  试样宏观金相图

3.2 焊接试样微观金相图

焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区、母材组成，截选ZG230-450铸造碳钢焊接接头中典型区域金相组织，如下图3所示，区域1为母材，区域2、区域3、区域4、区域5为热影响区，区域6为熔合区，区域7为焊缝。

 

图3  试样区域金相图  ×50

3.2.1 焊缝

焊缝是由焊接区的母材和填充材料从固体熔化成液体熔池后，又从液体凝固而形成的，焊接熔池凝固过程与铸钢锭的凝固过程基本相同，都是形核和晶核长大的过程，但相较于铸钢锭凝固过程，焊接熔池冷却速度更快，且熔焊时，熔池随热源移动，熔池前半部进行着熔化，后半部进行着凝固，在运动状态下凝固。本次试验选取的焊接接头即按此规律凝固，如图3中区域7所示，在50倍金相显微镜下观察，可以见到明显的柱状晶形貌，柱状晶垂直于熔池弯曲地朝焊缝表面中心部位长大。熔池在凝固冷却过程中，铁素体首先沿原奥氏体晶界析出，勾划出柱状晶轮廓，如图4中1号标记所指处，此外，还存在向奥氏体晶内生长针状铁素体魏氏组织，如图4中2号标记所指处，柱状晶内部主要为贝氏体、块状铁素体以及少量珠光体，贝氏体如图4中4号标记所指处，块状铁素体如图4中3号标记所指处，珠光体如图4中5号标记所指处。

图4 焊缝金相组织×

500

3.2.2 熔合区、热影响区

熔合区是热影响区与焊缝相互过渡的区域，如图3中区域6所示，熔合区的晶粒在焊接加热时是处于局部熔化状态，熔合区上局部融化的母材晶粒成为熔池结晶的核心，冷却时成为柱状晶的基底，如图5所示。

图5 熔合区金相组织×100

根据受热程度的不同，热影响区可以分为过热区、正火区、不完全正火区、回火区。

过热区金相组织如图6所示，母材金相组织受焊接热源高温作用，奥氏体晶粒长大，冷却时沿奥氏体晶界析出铁素体，以及向晶内生长的铁素体魏氏组织，晶内生成粗大珠光体组织。

正火区金相组织如图7所示，主要是铁素体和珠光体，在焊接过程中，该区母材组织发生固态相变重结晶，但因保温时间较短，重结晶后奥氏体内碳并未完全扩散开来，冷却后生产的珠光体分布趋势与原母材的珠光体组织分布接近，晶粒明显细化。

在焊接过程中受焊接热源作用，靠近焊缝母材区域发生部分相变重结晶的组织区域，即为不完全正火区，如图3中区域3所示，详细金相组织情况如下图8所示，金相组织为铁素体和珠光体，因该区域母材受热温度以及受热时间的影响，主要是原珠光体组织相变重结晶，重结晶生成的珠光体略呈弥散分布，铁素体基本保持原相位分布，铁素体晶粒度基本无变化。

回火区如图8所示，此处温度低于AC1，母材原组织均铁素体和珠光体均为稳定相，受焊接热源作用后，金相组织无明显变化，晶粒大小不变。

图6 过热区金相组织×100图7 正火区金相组织  ×100

图8 不完全正火区、回火区金相组织  ×100图9 母材金相组织  ×100

3.2.3 母材

ZG230-450铸造碳钢（亚共析钢）为正火处理，其金相组织为铁素体和稍呈网状分布的块状珠光体。在正火热处理的降温冷却过程中，奥氏体晶粒中开始析出少量铁素体晶核，随着温度的降低，铁素体晶核不断生出，且不断地长大，所以奥氏体的数量越来越少，铁素体晶粒的量越来越多，此时，越来越多的碳溶解在剩余的奥氏体中，若降温速度较慢，奥氏体内铁素体将汇聚成片，剩余奥氏体呈现网状分布，随着温度进一步下降，呈网状分布的奥氏体转变为珠光体，最后呈现如图9所示金相组织图。                       

4 结  论

通过上述的焊接接头的制备和详细的焊接金相宏观和微观分析，可以得出以下结论：

1、钨极氩弧焊对ZG230-450金相焊修焊缝熔合良好，该方法可以进行该铸件的修复。

2、通过对热影响区的详细分析，性能较差的过热区较小，热影响区大部分组织都是经过正火的晶粒细化组织，晶粒度较母材更细。

3、焊缝区内存在的魏氏体和贝氏体组织，这些组织会降低焊缝的综合机械性能，后续可以提高预热温度、降低热输入量等措施减少这些组织的出现。

参考文献：

[1]   桂立丰，唐汝钧.机械工程材料测试手册 物理金相卷[M].沈阳：辽宁科学技术出版社,1999：10.

[2]   陈祝年，唐汝钧.焊接工程师手册 第二版[M].北京：机械工业出版社,2009：10.

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[*]收稿日期：