摘要：針對8mm厚Q345低合金鋼的深熔TIG焊中焊接電流、焊接速度、保護氣體流量對Q345焊縫成型的影響進行了研究，并對成型較好的焊接接頭進行了硬度測試和金相觀察.試驗結果表明，雖然深熔TIG焊在對低合金鋼焊接時的焊接參數不穩定，焊接窗口較窄，不易形成良好的焊縫.但在適當的焊接條件下，可以實現深熔TIG焊對8mm厚Q345的一次性單面焊雙面成型，焊縫性能較好并且成型良好的焊縫區組織由鐵素體和少量針狀貝氏體組成，焊縫熔合區和熱影響區的硬度較母材上升了50%，無軟化現象.具有繼續研究深熔TIG焊應用于低合金鋼Q345的意義。

0 引言

目前大量中厚板用于船舶的建設，而船舶建設中70%的工作量和30%-50%的成本涉及焊接，當前常用的低碳鋼中厚板焊接方法有埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊、多絲焊和激光一電弧復合焊等.

其中埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊、多絲焊需要進行焊前處理，焊接工藝復雜且效率不高，激光一電弧復合焊需要精密的焊接條件以及復雜的焊接設備.所以很有必要對中厚板新的焊接方法進行研究.

深熔TIG焊是一種新穎的中厚板焊接方法，它是在傳統TIG焊接方法的基礎上，通過大電流(>300A)形成的較大電弧壓力與熔池液態金屬表面張力實現相對平衡形成小孔而實現深熔焊的焊接方法,具有高速、高效、低成本的優勢.

本文使用低合金鋼Q345，由于Q345系列鋼用于中厚板的焊接時間久，在中厚板的產量中所占比例大，涵蓋品種規格范圍最多，選用Q345的其中一種作為試驗材料具有一定的代表性.

本文研究了深熔TIG焊方法焊接參數對焊接8mm厚的Q345低合金鋼板焊縫成型的的影響，對成型較好的焊縫進行了金相組織觀察和硬度測試.

1 試驗方法

本試驗采用自行設計搭建的深熔TIG焊焊接平臺系統，包括深熔TIG焊電源、深熔TIG焊槍、水冷箱和行走平臺等.母材選用8mm厚的Q345低碳鋼板。其化學成分如表1所示.

為保證焊接過程中的穩定性以及防止工件表面的油污、雜質等對焊接過程造成影響，焊前對焊接板材用細鋼絲刷進行機械清理.然后用乙醇清洗表面油污、塵垢.焊接時使用夾具來保證接頭的裝配精度.本文使用控制變量法來分別研究不同焊接參數對平板堆焊焊縫成型的影響，研究的焊接參數包括焊接電流、焊接速度、保護氣體流量.此后進行了堆焊焊接工藝參數的優化，得到了較優化的焊接參數列于表2.

對在優化焊接參數下得到接頭進行硬度測試和金相觀察.硬度測試采用維氏硬度方法，保壓時間10s，打點位置橫跨母材、焊接熱影響區、焊縫熔合區，打點間隔為0.5mm.在焊縫區域沿垂直于焊縫方向截取金相試樣進行觀察，對試樣進行預磨和拋光處理，用4%的HNO3酒精溶液進行腐蝕.

2 試驗結果

2.1 焊接參數對焊縫成型的影響

如圖1所示，在焊接電流對焊縫成型影響的研究中，隨著焊接電流的增大，焊縫的熔寬基本沒有變化，主要增大的是焊縫的熔深和深寬比。

當焊接電流達到最佳參數時，焊縫的熔深為8，是由于所規定的焊接熔深即為母材的上表面到焊縫熔池的相對距離而不包括余高.說明電流的增大主要增加的是焊接過程中電弧的穿透力和垂直方向的熱輸入.當電流很小的時候，電弧的穿透能力有限，這時由鎢極發射的離子束的能量和速度也較低，較低能量的離子打在未焊透熔池的底部發生折射從而產生焊接過程中的氣孔.

當焊接電流增大直至產生焊接過程中的小孔時，焊接氣孔消失.當焊接電流繼續增大，熱輸入過大，無法維持熔池重力、表面張力的平衡，這時就會發生熔池的坍塌.所以合適的電流能夠消除氣孔并獲得良好的焊縫.

實驗過程所使用的保護氣體為普通氬氣，氬氣為深熔TIG焊接過程提供導電離子和保護環境.從圖中2可以看到保護氣體對于焊縫熔寬的影響較大。

隨著保護氣體流量的增加，焊縫的熔寬減小，因為保護氣體流量的增加為焊接過程中的電弧提供更多的導電粒子從而增加了電弧的穿透力和垂直方向的熱輸入.但是保護氣體的流量對熔深的影響并非十分顯著.

如圖所示，當保護氣體流量較小時，保護環境容易受外界環境和電弧變化影響從而產生氣孔.但是當保護氣體流量過大為30L/min時，過大的保護氣體反而容易在熔池中產生紊流從而削弱電弧穿透力.所以最適宜的保護氣體流量為25L/min.圖3為焊接速度對焊縫成型的影響，從圖中可以看出焊接速度的改變對于焊縫的熔寬和熔深都有影響，對于焊縫的深寬比則沒有太大的影響.

這說明焊接速度下的單位熱輸入基本沒有改變.當焊接速度逐漸增大時，單位熱輸入沒有變化，但是此時的焊接過程不穩定，電弧中的離子更容易與熔池壁碰撞折射使熔池不穩定而產生氣孔.

2.2  焊接接頭組織分析

圖4所示為在較優化參數下的焊縫斷面宏觀金相圖，整個宏觀斷面圖中包括母材、焊接熱影響區、焊縫熔合區.宏觀金相中并未出現Q345鋼焊接時易出現的氣孔及冷裂紋缺陷.

如圖5所示，在焊縫的顯微組織中，最先發生鐵素體的析出，共析出的鐵素體沿柱狀晶界分布.晶體內的主要物相有由晶界向晶內生長的無碳貝氏體，針狀鐵素體和少量的粒狀貝氏體.并稍呈條狀分布.

相較焊縫中心，熔合線附近的冷卻速率更大，所以更易形成板條狀馬氏體組織.熱影響區域的過熱區處于過熱狀態，該區域個別部位細片狀先共析鐵素體沿晶界分布，晶內為針狀鐵素體和少量的粒狀貝氏體和馬氏體.熱影響區的正火區內有大量小塊的鐵素體和珠光體，灰色部分為馬氏體.

2.3  硬度試驗結果分析

對焊縫進行硬度測試，測試位置與硬度曲線如圖6所示.在焊縫熱影響區平均硬度為244.25HV，熔合區的硬度約為258.5HV，相較與母材170HV的硬度，熱影響區硬度上升了43.6%，熔合區硬度上升了52%.

熱影響區以及熔合區并未出現軟化現象，這是由于出現貝氏體及低碳馬氏體組織，從而使熱影響區與焊縫熔合區硬度顯著變大.

3討論  

對低合金鋼Q345進行深熔TIG焊的參數實驗時發現，焊接Q345等高熱導率材料相較焊接不銹鋼等低熱導率材料時的熔池小孔不穩定，焊接小孔也不易形成，能夠形成良好焊縫的焊接參數窗口窄.

這是因為深熔TIG焊是一種典型的小孔焊接方法，小孔的穩定保持主要是靠電弧壓力、液態熔池的重力和背部焊道液態金屬的表面張力之間達到平衡來實現的.與激光焊接等高能束焊接方法相比，深熔TIG焊熱源的集中程度和能量密度較差.所以在焊接不同熱導率的材料時的電弧能量集中程度不同.

當被焊材料的熱導率較高時，焊接電弧產生的熱量會有較大的一部分在熱傳導的作用下用于熔化電弧作用范圍周邊的材料金屬，一方面導致電弧熔透能力的下降，另一方面會造成熔池體積的加大.相對更高的電弧力和更大的液態熔池重力對于深熔TIG焊小孔的維持都具有不利的影響，容易在焊接過程中導致熔池的下淌甚至塌陷，無法完成小孔焊接過程.

而且Q345低合金鋼板，不僅材料本身的熱導率較高，其液態下的表而張力系數也很小，只有不銹鋼的大約三分之一，液態金屬產生的表面張力更加難以托住液態熔池，所以使用深熔TIG焊焊接Q345低碳鋼板時很難獲得理想的單面焊雙面成型焊道.

但是在實驗中發現，在焊接中對工件冷卻可以有效改善焊接過程中焊縫不易成型的缺陷.

4 結論

(1) 焊接參數影響Q345焊縫成型，但是Q345的焊接窗口較窄，焊接過程不穩定，仍需要一定的工藝改善促進其成型穩定.

(2) 成型良好的焊縫，無冷裂紋及氣孔.焊縫熔合區及熱影響區的組織得到一定程度的強化，組織主要由馬氏體及貝氏體組成.對成型良好的焊縫進行硬度測試無軟化現象，焊縫性能基本良好.仍有將深熔TIG焊應用在Q345低合金鋼的研究意義和對Q345的焊接參數穩定進行后續試驗的必要.

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