摘要：Q345E无缝钢管具有高强度、低温冲击韧性和焊接性能，是石油化工管道、锅炉、压力容器、船舶、电站等广泛使用的低合金高强度钢管。在16Mn系列合金钢中添加钛铌等微细粒子的微量元素，严格控制p和s元素含量，提高低温冲击韧性，减少裂纹倾向。鉴于此，本文对焊接方法对Q345E钢管焊接接头组织和性能的影响进行分析，以供参考。
关键词：焊接方法；Q345E钢管；显微组织；力学性能
引言
焊接工艺评定是焊接施工中的重要组成部分，焊评报告是焊评标准试验最后的成果。各焊评标准试验异中存同，有很大的兼容性，目前仍无一个统一的标准。今后标准是否可以完善，可能发展到一个通用标准即试验项目、试样数量、技术要求一致。在焊接材料、焊接方法相同情况下，各行业可以通用同一焊评报告，避免重复，从而节约人力、物力、财力，大大缩短评定周期，提高效率，还进一步降低工程成本，简化焊接工艺评定管理。
1试验材料
测试母材用φ168mm×8mm的Q345E无缝钢管将钢管分割为150mm长的段，如表1所示。两个管段为管道端对接，对接格式为60 V坡口，对接间隙为2.8到3.5mm，钝边为0.5到1.0mm。在凹槽内外两侧30毫米范围内，清洁油污、水、铁锈等其他有害杂质。测试焊接是国内焊接工厂φ=2.5mm ER55-Ni1 TIG焊接线和规格φ=3.2mm低氢碱性E5018-1焊条，如表2所示。焊接焊条前，应在350 ℃保温，2h干燥，然后放入焊条并一起使用。
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2检测方法
根据Nb/t 47014-2011检查焊接接头的外观。根据Nb/t 47013-2015对焊接接头进行100%RT检查。根据Gb/t 13298-2015，通过OLYMPUSGX-71F金相显微镜观察焊接接头的显微结构，侵蚀液为4%硝酸醇溶液。SHT4605 60t微机控制电液伺服万能试验机室温侧拉试验机按GB/t 228.1-2010；按照Gb/t229-2007在ZBC2302-C单摆冲击试验中进行冲击试验；WEW-600 60t微机控制电液伺服万能试验机的弯曲试验按照GB/t 2653-2008进行。
3试验方法
3.1焊材选择
本试验均采用焊条电弧焊。由于使用化学成分相近的焊接材料焊接钢时，受热输入的影响，会导致熔合区奥氏体组织中的合金元素严重偏析，特别是直接影响焊缝接头抗腐蚀性能的Cr，Mo和N元素将向枝晶晶间聚集，而晶核内的合金含量锐减，使得这些区域成为抗腐蚀性能差的地方。与此同时，由于熔池在奥氏体区域内的结晶，焊缝区和HAZ区易出现热裂纹。因此，在焊接超级奥氏体不锈钢时，可选择ERNiCrMo－3焊条，焊接过程中焊件的正面和背面均使用φ（Ar）99．99％的氩气保护。
3.2焊前准备
使用Bodor公司生产的E4020T激光切割机获得坡口，并采用机加工和丙酮清洗的方式，将坡口打磨干净，确保坡口面50mm以内的区域无油污、锈迹和其他夹杂物。将焊条存放在70℃的保温箱中烘干并保温。焊接过程中，注意保持焊件和焊材的清洁，以避免污染。
4焊接工艺参数
为保证焊缝区域的强度和耐腐蚀性能，焊接过程中要严格控制热输入和层间温度。其中，热输入要控制在15kJ/cm以下，层间温度控制在100℃以下。热输入和层间温度控制的主要目的是为了控制焊缝的冷却速度，这样不仅保证了奥氏体组织的转变形成，而且还能避免由于冷却速度过快、大量高铁素体含量的组织形成而导致有害的σ相析出。
5试验结果与分析
5.1显微组织
在两种焊接方法下，焊接接头焊接金属微结构如图1所示。其中白色部分区域是铁氧体，黑色部分区域是珍珠岩。图1a和图1b分别是完整的氩弧焊端面焊接组织，可以看出，完整的氩弧焊端面焊接由大量的铁氧体+珠光体、氩弧焊端面焊接由大量的珠光体+铁氧体组成。分析原因可能是氩弧焊金属的Ni含量(0.89%)高于电极(0.03%)，Ni促进针状铁素体的形成，提高焊接金属的冲击韧性，同时降低脆性转变温度，以确保在较低的温度下冲击韧性好。也说明表2中的整体氩弧冲击韧性高于氩弧焊。
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5.2弯曲性能
两种焊接方法下，如图2所示，Q345E钢管焊接接头弯曲试样的宏观形式是根据各焊接方法的两个面弯曲和两个后弯曲试样，弯曲角度180，压头弯曲直径D=4t，t是弯曲试样的厚度。如图2所示，弯曲表面没有裂纹，满足nb/t 47014-2011的要求。
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图2弯曲试样宏观形貌
5.3焊接线能量对焊接接头拉伸性能的影响
焊接线能量的变化导致焊接成分和冷却速率的改变，从而影响焊接接头的性能。一方面，焊接线能量增大会造成焊缝金属熔合比增大。由于母材合金元素含量低于焊丝中合金元素含量，因此，线能量的增大使焊缝金属中合金元素的浓度降低，从而使焊缝金属淬透性减小，合金元素直接参与的固溶强化效果以及其他强化效果均下降，从而使得接头强度降低。另一方面，线能量增加，生成淬硬组织的可能性减小，也会导致接头强度降低。
5.4焊接线能量对焊接接头显微硬度的影响
不同焊接线能量条件下，从焊缝中心向母材方向测试的显微维氏硬度分布。3种线能量下的硬度分布曲线变化规律基本一致，焊缝宽度和热影响区的宽度随线能量的增大而增加。不同的焊接线能量下，焊缝区的维氏硬度值变化不大。靠近熔合线附近的焊缝组织出现一个硬度低值，这主要是因为靠近熔合线附近的焊缝成分受母材成分的稀释作用更加明显，使得C及合金元素含量降低明显。而熔合线偏母材一侧，由于未发生母材与焊缝的熔合，金属处于过热
6焊接工艺改进
1）里口保护气中的氧气是造成焊道和热影响区氧化变色的主要原因，所以排除保护气体中的氧气就能解决氧化问题。改进工艺后采用纯度为99.999%高纯氩气作为焊接气体，用混合气（5%H2+95%Ar）作为背面保护气，利用氢气和氧气在高温下的化学反应来降低管内的氧气含量。
2）使用有电流缓升、电流衰减、提前送气、滞后停气功能的焊机和高频引弧焊枪。在刚引弧时利用燃烧的电弧先烧损保护气中的氧气，避免了焊道起弧接头时被氧化，在断弧后高温的焊道仍处于氩气的有效保护下，防止了接头的局部氧化变色。
3）封坡口采用密封性能好的锡箔纸胶带，不能用纸胶带。
4）最后的接头收口时减小充氩气流量，最好采用充氩气流量不变，一侧打开排气的方法焊接效果最好。
5）前三层采用热输入小的氩弧焊进行焊接，同时继续对里口充氩气保护，达到一定厚度后再采用焊条进行焊接。无论是氩弧焊还是焊条电弧焊焊接，电流尽可能小些，采用直线行走或者微摆动的运弧方法，在保证焊接质量的前提下焊接速度越快越好，从而降低焊接热输入，避免焊道温度过高而氧化。
结束语
工业是立国之本、强国之基，重工业的发展体现国力，焊接工艺是重工业发展所必须的一门基础工艺。焊接工艺评定（以下简称“焊评”）试验通过对焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验，来判定焊缝的好坏，从而验证所拟订的焊件焊接工艺的正确性。我国不同部门针对不同产品已制订了焊评国家标准、行业标准及规范。
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