焊接参数对不锈钢手弧焊接焊缝中铁素体含量的影响
王士山、边境、徐维英、崔晓东*

摘  要：大量的文献及资料均证明焊接参数对不锈钢焊缝铁素体含量是有很大影响的，本文通过列举试验数据，找出了不锈钢手工电焊条焊接时的不同工艺参数与焊后未经稀释的熔敷金属中的铁素体含量之间的关系及其影响规律。
关键词：不锈钢手工电弧焊 焊接参数 熔敷金属 铁素体含量
一．引言
众所周知，一定量的铁素体能够增强不锈钢焊缝金属的抗热裂纹性能，且铁素体可以提高焊缝的强度。但是，在某些介质中，铁素体可能对耐腐蚀性能起有害作用，通常也认为对低温工况下的韧性是有害的，并且在高温工况下也是有害的，因为它会转变为脆性的σ相。因此，研究影响铁素体含量的因素，以及如何在实际生产中控制铁素体的含量变得十分重要。
近年来，我公司E309L-16和E347L-16焊条在加氢反应器的焊接工程中用量越来越大，该种焊接工程对焊接复堆层表面的铁素体含量要求比较严格。但是，通过直接和间接对焊接现场的了解得知，各个厂家甚至同一厂家的不同焊工之间，对焊接工艺参数的控制不尽相同。为了能够更好的给加氢反应器的焊接工程供货，我们必须在保证产品质量的同时，更多的了解和掌握各种焊接工艺参数对最终焊接表面的铁素体含量的不同影响。只有这样我们才能够在给各个厂家提供焊材的同时提供更加有力的技术支持。

*参加此工作的还有：陈波、王卫东、董继

同时，在其他的焊接领域和焊接工程中，铁素体含量对焊缝质量和整个焊接结构的影响也是有目共睹且不容忽视的，为了能够彻底弄清焊接工艺参数以及冷却方式对焊缝中铁素体含量的影响规律，我们做了如下的试验。

二．试验
1．试验目的
此次试验意在找出焊接工艺、焊接参数对最终熔敷金属中铁素体含量的影响规律，主要有以下几个大类：

1. 不同的焊接电流对铁素体含量的影响。
2. 不同的焊接电压对铁素体含量的影响。
3. 不同的冷却方式及道间温度对铁素体含量的影响规律。

2．试验准备
此次手工电弧焊试验，使用公司现有的松下WP300型直流电焊机，进行E347L-16、E309-16和E308-16三种典型焊条的焊接试验，试验所用铁素体测定仪为德国产MP30型。试验要求对比不同焊接电流、电压、冷却方式等工艺条件对焊条未经稀释熔敷金属中铁素体含量的影响规律。
3．试验方法
1）所有焊接试验均采用304板做焊接试验底板；
2）为增强对比性，所有焊条均采用Φ4.0规格，以140A电流作为基准电流，以短电弧焊接状态下的电压作为基准电压，以焊后直接水冷作为基准冷却方式；
3）堆焊面宽度≥15mm，高度≥15mm，长度≥50mm；

4）堆焊表面进行机械加工时，加工方向与焊接方向垂直。
5）测量堆焊层表面铁素体含量时，应测量焊缝中心线的中段，取不少于10个有效数值的平均值。
4．试验过程及分析
1）不同焊接电流对铁素体含量的影响。
焊接电流是焊接过程中的一个重要参数，是影响焊接效率、焊接工艺、焊接效果的主要因素之一。因此，此次试验先从焊接电流入手，采用140A和180A两种不同的焊接电流进行铁素体含量试验，具体的试验数据如下表1~3所示。
表1：E347L-16焊条使用不同焊接电流的铁素体含量（%）对比

表2：E309-16焊条使用不同焊接电流的铁素体含量（%）对比

表3：E308-16焊条使用不同焊接电流的铁素体含量（%）对比

　　由以上三组试验数据可以看出，180A电流焊接时熔敷金属中铁素体含量略低于140A电流焊接所测得的结果。我们认为，其原因主要是由于大电流焊接时的热输入量要明显大于小电流焊接时的热输入量，由此造成了焊接过程中熔池温度的大幅提升，温度的提升直接

　　造成了焊缝成分的烧损，由表4中数据可以看出，强铁素体元素Cr的烧损量最为突出，也正是这一因素造成了以上的试验结果。用熔敷金属化学成分计算Creq、Nieq后查德龙图得出的铁素体数（见表4）虽然与用磁针法测得的铁素体含量有一定的差别，但其变化规律是一致的，这进一步证实了我们试验结果的正确性。（增大电流后对焊接电压的微小影响也是产生铁素体变化的因素之一，这一机理详见后文描述。）
表4：熔敷金属化学成分（%）

2）电压变化对铁素体含量的影响。
　　电弧电压的影响因素很多，不同的药皮类型、不同的焊接手法、不同的焊接电流等均对电弧电压有一定的影响。找出电弧电压与熔敷金属中铁素体含量之间的关系，对实际焊接有着重要的指导意义。本次试验采用正常短弧焊接时的电压作为基准电压，采用人为拉长电弧的焊接手法提高电弧电压，电压约增加3~5V，以此进行对比试验，具体试验数据如下表5~7所示。
表5： E347L-16焊条不同焊接电压铁素体含量（%）对比

表6： E309-16焊条不同焊接电压铁素体含量（%）对比

表7：E308-16焊条不同焊接电压铁素体含量（%）对比

　　由以上试验数据可以看出，高电弧电压焊接的熔敷金属中铁素体含量明显低于正常焊接时的铁素体含量，我们认为，造成如此大差异的主要原因是焊缝增氮量的不同。众所周知，焊条药皮的主要作用之一就是产生气体保护熔池，电弧拉长、电压增高后，焊条药皮套筒距焊接熔池的距离增加，造成对熔池的保护效果变差，从而增大了氮元素的渗入量（具体数据见表8），而氮元素是强奥氏体元素，其奥氏体化作用是镍元素的20~30倍，氮元素含量的增高是造成此差异的直接因素。
表8：电压变化对熔敷金属含氮量的影响

3）不同的层间温度及冷却方式对铁素体含量的影响

　　焊接时的道间及层间温度也是焊接过程中易于变化的一个焊接参数，此次试验的三种电焊条均采用了三种不同的冷却方式进行对比

试验：水冷至室温、空冷至室温和空冷层温≥500℃。
表9：E347L-16焊条不同层温铁素体含量（%）对比

表10：E309-16焊条不同层温铁素体含量（%）对比

表11：E308-16焊条不同层温铁素体含量（%）对比

　　从铁素体含量测量的结果可以看出：层温控制采用水冷方式的熔敷金属中铁素体含量最高，空冷且层温≥500℃的熔敷金属铁素体含量最低，空冷至室温的熔敷金属中铁素体含量居中。造成此数据差异的原因主要是以下两个方面：首先，试块焊后立即水冷可以缩短高温试块与空气的接触时间，减小增氮量和元素的氧化烧损。其次，层温的高与低，对焊接起到了不同程度的预热作用，影响了焊接时的最高温度，从而影响了焊缝合金元素的烧损，其原理类似于采用大电流焊接。

三. 结论
通过此次试验，对比各组数据，我们不难得出以下几项结论：
1. 熔敷金属中的铁素体含量随焊接电流的增大而降低。
2. 熔敷金属中的铁素体含量随电弧电压的提高而急剧下降，焊接电压是影响铁素体含量的最主要因素。
3. 熔敷金属中的铁素体含量随降温速度的加快而有所提高，随层间温度的提高而有所下降。
4. 控制焊接工艺，对保证不锈钢焊接质量意义很大，应在实际焊接中引起高度重视。