熔化极三元混合气体保护焊焊接１６Ｍｎ钢的研究杨友民，王清波（金属材料工程系）摘要对熔化极 三元混合气体（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２）保护焊焊接１６Ｍｎ钢的工艺性能进行了研究，当采用 Ｈ０８Ｍｎ＿２ＳｉＡ焊丝，并配合以适当的规范时，三元气体最佳配比为Ａｒ／ＣＯ＿２／Ｏ＿ ２＝８４／１３／３；此时电弧稳定、飞溅最小，熔透情况、表面焊波致密及平滑性等最好，当三 元混合气体中的氧小于５％时，氧在保护气中的氧化作用不明显。关键词：熔焊；混合气体；气体 保护焊；锰钢中图法分类：ＴＧ４４４．７７０前言混合气体保护焊（二元或三元）在细化熔滴、 减少飞溅、提高电弧的稳定性以及电弧的温度等方面均可获得满意的效果，因此在生产中理应获得 广泛的应用。但是，由于原始资料贫乏等原因，致使其推广应用效果较小。在实践中，对熔化极Ａ ｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２混合气体保护焊焊接１６Ｍｎ钢的工艺性能进行了系统的研究。找出了最佳 规范，并指出了原有资料中的含混之处，为推广应用混合气体保护焊工艺创造了有利条件。１焊接 工艺试验条件试验母材为１６Ｍｎ钢，板厚１２ｍｍ；试件采用６０°Ｖ型坡口对接焊，纯边及间 隙均为２ｍｍ。焊丝采用１．２的Ｈ０８Ｍｎ＿２ＳｉＡ，其化学成分见表１。第一作者：男．４ ９．讲师。三元气体成分的配比采用ＰＦ型气体配比分析器￣［１］．焊接电源型号为ＮＢＣ１－ ５００－１；焊接机由ＭＺ１－１０００型焊车与自制焊枪组装而成。当焊接含碳量偏高的１６Ｍ ｎ钢时，由于淬硬倾向加大，马氏体的含量也提高，采用小线能量时，冷裂倾向就要增大，过热区 的脆化也变得严重，所以在这种情况下，线能量宁可偏大一些为好￣［２］．本试验所用１６Ｍｎ 钢，经化验实测，其含碳量为０．１７％（见表１），属于上限偏高￣［３］，故选规范时，宜偏 大有利，为此，经反复试验，得出如表２所示的最佳焊接规范。２试验及测试结果为了获得系统的 第一手原始材料，对三元混合气的多种配比进行了反复试验，发现当Ａｒ气中ＣＯ＿２在２５％以 内、Ｏ＿２在５％以内时，按表２所选的焊接规范进行焊接，无论哪一种配比，其电弧都是稳定的 ，熔滴过渡、飞溅情况、熔透情况、表面焊波致密及平滑性等都很好，且无气孔、夹渣等任何缺陷 。对六种有代表性的混合气体配比下进行焊接的试件进一步做了机械性能、含氧量、冲击、硬度、 金相等检测．焊接接头的机械性能（拉伸、弯曲）及焊缝含氧量见表３；焊接接头热影响区的却贝 冲击试验值见表４．由于１６Ｍｎ钢为热轧钢，其热影响区是焊接接头的薄弱环节，故将却贝冲击 试件的缺口开在热影响区上。不同混合比的保护气体焊接的接头硬度见图１：各种配比下的焊接接 头金相组织照片见图２。３试验及测试结果分析试验表明，当Ａｒ气在７４％以上时，焊接飞溅都 比较小，随着混合气体中ＣＯ＿２量的增加，飞溅逐渐增多。这可以从气体成分对冶金反应、溶滴 过渡两方面的影响来分析；当混合气体中ＣＯ＿２含量增加时，使气体的氧化性亦增强，所生成的 气体也多，因此增加了由于冶金反应而引起的飞溅。当ＣＯ＿２超过２５％时，飞溅显著增大，不 但影响焊缝成形，而且飞溅粘附在枪体及喷嘴上，有碍于均匀送丝，影响气体保护效果。随着混合 气体中Ａｒ气含量的增加，焊丝端头的溶滴逐渐呈小滴状沿轴线分布，随着溶滴的细化，熔滴在焊 丝端头与电弧空间停留的时间减少，从而减弱了冶金反应，进一步减少了飞溅。试验表明，对于这 种三元的混合气体，当Ａｒ的含量在８０％以上时，电流达２９０Ａ就可形成射流过渡。且其熔透 形状呈“盆底状”，较纯Ａｒ保护射流过渡状态下所形成的乳头状熔深（指状熔深），其焊接质量 是非常高的。因为指状熔深焊缝的根部往往容易产生气孔，在焊接时还容易造成焊缝根部熔透不足 的缺陷￣［４］．试验表明，三元（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２，其中ＣＯ＿２占１５％左右；Ｏ＿ ２占１％～５％）混合气体保护焊与二元（８０％Ａｒ＋２０％Ｏ＿２或８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ ＿２）混合气体保护焊相比，在焊缝成形、接头，质量、熔滴过渡及电弧稳定性等方面都更优越￣ ［４］，这是因为ＣＯ＿２和Ｏ＿２虽然都可使混合气体具有氧化性，但是由于它们的物理及化学 性能不同，故在与Ａｒ气构成富氩型二元混合气体进行焊接时，对其工艺及接头质量的影响却不同 。如冲击韧性就是一例。由于ＣＯ＿２是三原子分子，在高温下较Ｏ＿２（双原子分子）更易分解 。ＣＯ＿２分解后放出的原子态氧具有根强的氧化性。且ＣＯ＿２在高温下亦可直接与Ｆｅ，Ｍｎ ，Ｓｉ反应。故在电弧这种条件下，ＣＯ＿２的氧化性要强于氧气，且其对熔池、熔滴的冶金反应 也复杂得多。从表３中可以看出，当保护气体中含氧量小于５％时，氧在保护气体中的氧化性并不 明显。此时焊缝中的含氧量主要取决于保护气体中ＣＯ＿２的比例，即焊缝中的含氧量随着混合气 体中ＣＯ＿２含量的增加而增加．焊缝中含氧量增加是由于其中夹杂物含量增高的缘故。这也是Ｃ Ｏ＿２的冶金反应较氧气的冶金反应更复杂所引起的，但是它较纯ＣＯ＿２焊接时的冲击韧性和工 艺性能还是强很多的，再加上ＣＯ＿２比Ｏ＿２气要便宜得多，故用Ａｒ，ＣＯ＿２，Ｏ＿２配成 三元混合保护气，与氧气相比，适当提高ＣＯ＿２含量，使其相互取长补短，从而得到理想的混合 气体保护气。再说，混合气中的氧还能有效地降低氢在液态铁、低碳钢、低合金钢中的溶解度。当 采用混合气进行ＭＡＧ焊接时，焊缝的疲劳强度、抗动载荷能力与采用低氢焊条手弧焊的情况一样 ，且对装配不良的焊件有较大的适应能力￣［５］。从表３与表４不难看出，焊缝金属的冲击韧性 在一定程度上取决于焊缝金属的含氧量（即焊缝所含夹杂物）的多少，而与保护气体的氧化性关系 不大。如上所述，当保护气体中含氧量小于５％时，氧在保护气中的氧化性不明显的结论，主要是 从焊缝金属中的含氧量（夹杂物）这一角度而言的。由图１可见，由于多层焊的热作用较复杂，所 以接头的硬度难以从数值上建立一定的规律，但是，由于硬度的最高值出现在熔合线附近，而且最 高硬度值不超过２５０ＨＶ，故可以肯定不存在淬硬的问题。当观察图２时，不难发现如下规律： 焊缝的组织一般均为较细的铁素体加珠光体，而且分布均匀；但热影响区的组织较粗大而且分布不 均。在热影响区中没有发现过热的魏氏组织和淬硬组织；这时接头的冲击韧性是有利的。４结论用 三元混合保护气体（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２）配用Ｈ０８Ｍｎ＿２ＳｉＡ焊丝焊接１６Ｍｎ钢时 ，与二元（Ａｒ＋Ｏ＿２或Ａｒ＋ＣＯ＿２）混合气体电弧焊相比，可得到良好的综合性能．具体 结论如下：（１）ＣＯ＿２在２５％以内，Ｏ＿２在５％以内，在常温时Ｖ型缺口冲击值ａ＿（ｋ ｖ）≥６２Ｊ／ｃｍ￣２，而－４０时，ａ＿（ｋｖ）≥３５Ｊ／ｃｍ￣２；接头的屈服极限和强 度极限均大于１６Ｍｎ母材；冷弯角均达１８０而不裂；焊缝及ＨＡＺ的最高硬度稍大于母材，但 均小于３５０ＨＶ，故不存在淬硬问题，（２）ＣＯ＿２在２５％以内，Ｏ＿２在５％以内，焊接 工艺性能均比二元（Ａｒ＋２０％Ｏ＿２或Ａｒ＋２０％ＣＯ＿２）时为好。由于氧的加入可以在 飞溅较小的情况下，使熔池的流动性及浸润性好，使熔滴更细化而使焊波平滑细密，这样就相应减 少了清理及打磨时间，达到提高焊接生产率的目的。（３）从焊缝金属的含氧量（夹杂物）的角度 来看，当混合气中的含氧量小于５％时，氧在保护气中的氧化性并不明显。（４）可供参考的最佳 混合比为Ａｒ／ＣＯ＿２／Ｏ＿２＝８４／１３／３，与之相应的焊接规范见表２，此时电弧稳定 、飞溅最小，且熔透情况、表面焊波致密及平滑性等最好。致谢：参加本项研究工作的还有王荣阶 、张许庆等同志，在此表示感谢。参考文献｜｜１王清波，杨友民等．ＰＦ型气体配比分析器的研 究．焊接，１９８３，（９）：６２周振丰编，金属熔焊原理及工艺，下册：北京：机械工业出版 社，１９８５，５６３全国焊接学会编．焊接手册（２）－材料的焊接，北京：机械工业出版社． １９９２．１６３４姜焕中主编．焊接方法及设备－电弧焊，北京：机械工业出版社１９８３．９ ６；２４１～２４５；２５６～２６０５综述．欧州的混合气体保护焊．焊接通讯，１９８２，（ ２）：８ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＭｅｔａｌＭｉｘｅｄＧａｓＡｒｃＷｅｌｄｉ ｎｇＷｉｔｈＴｈｒｅｅＥｌｅｍｅｎｔｓｏｆＳｔｅｅｌ１６ＭｎＹａｎｇＹｏｕｍｉｎ，Ｗａ ｎｇＱｉｎｇｂｏ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳＰ Ｕ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｒｏａｃｈｅｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｅｒｆ ｏｒｍａｎｃｅｏｎｔｈｅｍｅｔａｌｍｉｘｅｄｇａｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｗｉｔｈｔｈｒｅ ｅｅｌｅｍｅｎｔｓ（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２）ｏｆｓｔｅｅｌ１６Ｍｎ，Ｔｈｅｏｐｔｉｍｕ ｍｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓ（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２）ｉｓＡｒ／Ｃ Ｏ＿２／Ｏ＿２＝８４／１３／３ｗｈｅｎＨ０８Ｍｎ２ＳｉＡｗｅｌｄｉｎｇｗｉｒｅｉｓｆｉ ｔｔｅｄｗｉｔｈｓｕｉｔａｂｌｅｗｅｌｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，Ａｔｔｈｉｓｍｏｍｅ ｎｔｔｈｅａｒｃｉｓｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｓｐａｔｔｅｒｉｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔ，ａｎ ｄｉｔｉｓｔｈｅｂｅｓｔｉｎｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｉｐｐ ｌｅｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓａｎｄｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓｅｔｃ．Ｔｈｅｏｘｉｄ－ａｔｉｏｎ ｉｎｍｉｘｅｄｇａｓｉｓｎｏｔｑｕｉｔｅｃｌｅａｒｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｏｘ ｙｇｅｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｓｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇ；ｍｉｘｔｕｒｅｏｆｇａｓｅｓ；ｇａｓｓｓｈｉｅｌｄｅｄａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ；ｍａｎｇａｎｅｓｅｓｔｅｅｌｓ熔化极三元混合气体保护焊焊接16Mn钢的研究@杨友民，王清波熔焊；混合气体；气体保护焊；锰钢对熔化极三元混合气体（Ａｒ＋ＣＯ＿２＋Ｏ＿２）保护焊焊接１６Ｍｎ钢
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