0 前言
自保护药芯焊丝是20世纪50年代发展起来的一种新型焊接材料。它是通过在药芯中添加造气、造渣、脱氧、脱氮等物质，可以在不加保护气体的条件下进行直接焊接的一种焊丝。自保护药芯焊丝具有优异的抗风能力(能在8 m/s的风速条件下施焊)；不需要额外的保护气体，可以在高空、野外等气体不易输送的场所焊接；焊接工艺性能好，电弧稳定，吹力大，脱渣容易，焊缝成形美观；适用于全位置焊接等优点，广泛应用于油气管道、高层钢结构、海洋工程、大型桥梁等的焊接施工中[1-2]。但随着自保护药芯焊丝在X80等高强管线钢中的应用，发现自保护药芯焊丝焊缝金属韧性不稳定，有部分冲击吸收能量很低。针对韧性低的问题，有研究者研究了组织、合金元素、热输入等对韧性的影响。而有关具体的焊接参数(如道间温度，焊接道数)对韧性的影响研究较少。文中试验主要探究了道间温度、焊接道数等焊接参数对自保护药芯焊丝韧性的影响，以为其实际焊接工艺的制定提供理论依据。
1 试验材料及方法
试验通过焊接熔敷试板来分析焊接参数对韧性的影响，所用焊丝为洛阳双瑞特种合金材料有限公司自行研制的SRTX80自保护药芯焊丝。使用林肯DC-400型直流焊机和LN-23P送丝机进行焊接(直流正接)，焊接电压为20±1 V，焊接电流为200～250 A。焊接道数和道间温度是试验变量，焊接道数的变化通过焊接速度来实现。1号，2号，3号试样的焊接速度为20 cm/min，道间温度依次为80 ℃，120 ℃，150 ℃；4号，5号，6号试样的焊接道数(每层单道)分别为4道，6道，7道。焊后根据GB/T 2650—《焊接接头冲击试验方法》标准进行取样，检测熔敷金属的冲击韧性。取熔敷金属横截面做金相试样，经磨光、抛光、浸蚀(浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液)后，根据GB/T 13298—《金属显微组织检验方法》标准进行金相组织的观察。分析金相组织所用到的仪器有ZEISS Observer.Z1m 金相显微镜、Quanta650FEG 扫描电子显微镜以及JEM-2 100 透射电镜。用SPECTROLAB型直读光谱仪分析熔敷金属化学成分，使用Image pro plus软件对组织中的M-A岛尺寸和含量进行统计。
2 试验结果与分析
2.1 道间温度对韧性的影响
1号，2号，3号试样的道间温度不同，它们的化学成分和冲击结果见表1和表2。由表1可看出，道间温度对化学成分没有明显的影响，而对韧性有较大的影响。从表2可看出，随着道间温度从80 ℃增加到150 ℃，平均冲击吸收能量先增大后减小。当道间温度为120 ℃时，冲击吸收能量最高。材料的性能由其成分和组织决定。而1～3号试样的成分基本上没有差别，为了分析道间温度对韧性的影响，对1～3号进行了显微组织观察，其组织形貌如图1所示。
表1 熔敷金属化学成分(质量分数，%)
编号CSiMnCrNiAlCu10.0660.1741.210.0271.821.010.01720.0680.1681.240.0241.801.040.01730.0650.1721.220.0251.870.990.019
表2 道间温度对韧性的影响
编号(-30 ℃)冲击吸收能量KV /J冲击吸收能量平均值KV/J道间温度T/℃1125,145,96,79,75104.080284,146,175,173,123140.01203126,124,109,104,107114.0150
从图1a～1c的金相图片可以看出，1号，2号，3号的组织均为针状铁素体+块状铁素体+粒状贝氏体。2号组织中的针状铁素体较1号，3号多。对于低合金钢焊缝来说，针状铁素体是一种强韧性很好的组织。这是因为针状铁素体具有大角度晶界，平均尺寸为0.1～0.3 μm，铁素体板条内的位错密度平均高达1×108～1×1010条/cm2，微裂纹解理跨越针状铁素体晶界需消耗较高的能量[3]。
到了元朝时期，钧窑窑口已近不再烧制，不过值得幸运的是禹州窑钧瓷的烧制技术在别的产瓷区保存下来，这应该是禹州窑窑工逃避战乱往南迁徙中把钧红瓷技术也一并带走。景德镇从宋朝开始就烧制钧红瓷，到南宋烧制技术已非常成熟，烧制技术一直延续到今天。
图1 1～3号显微组织
因此含有较多针状铁素体的焊缝金属具有较高的低温冲击吸收能量。另外，2号组织中的铁素体板条较细，板条间是大角度晶界，对韧性有利。从1～3号，随着道间温度的提高，意味着焊缝金属高温停留时间变长，析出的先共析铁素体增多，特别是3号组织中的先共析铁素体较多，而且其组织中有较多的黑色长条状物质，类似于碳化物。从图1d～1f的扫描电镜图片可看出，金相下的黑色条块状物质是M-A岛(马氏体与奥氏体的混合物，也可能是其中某一相单独存在)，而并非碳化物。M-A岛是粒状贝氏体中常见的组织，它是在低碳低合金钢连续冷却析出贝氏体铁素体后，余下的富碳奥氏体在随后的冷却过程中形成的岛状物[4]，其主要存在于层间热影响区的粗晶区中，含量一般不多，但对性能特别是韧性影响较大。
为突出介观尺度铣削加工特有的尺度效应，本文选取主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度作为主要影响因素，分别编码为A、B、C，取值如表1所示，根据表1构建正交实验。为避免刀具磨损对实验结果的影响，每组铣削实验进行两次，实验顺序按U型排列，如表2所示。
1～3号粗晶区组织中M-A岛的尺寸及含量见表3。
表3 1～3号M-A岛尺寸及含量
编号平均尺寸l/μm最大尺寸lM/μm面积分数S(%)10.5710.158.920.6010.2610.530.6333.744.3
从表3可看出，1号，2号和3号组织中的M-A岛平均尺寸大致相同，都在0.60 μm左右。2号组织中的M-A岛含量最高，所占面积分数为10.5%。3号中的M-A岛有部分呈细长条状或链状，最大尺寸可达33.74 μm。有研究指出，组织中的M-A岛是一种脆性相。在外力的作用下，M-A岛与基体的结合处会产生应力集中，从而引发微裂纹，导致韧性降低，并且M-A岛数量越多，尺寸越大，对韧性越不利[5]。基于此，3号组织中的长条状M-A岛对基体的割裂作用更加严重，这可能是导致其韧性较低的原因。在试验中，随着道间温度的升高，M-A岛尺寸变化不大，但其含量有先增多后减少的趋势。然而，2号组织M-A岛含量最多，但其冲击吸收能量最高，这与“M-A岛越多，韧性越低”的理论不一致。这表明M-A岛的含量不是影响韧性的唯一因素。M-A岛是由马氏体和奥氏体所组成，马氏体和奥氏体的比例会对韧性产生一定的影响。因此，对三个试样进行了透射电镜分析，以确定M-A岛的组成。1～3号透射电镜组织如图2所示。
图2a～2f为1～3号的M-A岛形貌及衍射斑点。图2a中箭头所指的黑色物质的衍射斑点如图2b所示。由衍射斑点标定分析以及粒状贝氏体的转变特点，可确定黑色物质为奥氏体。从图中可看出，奥氏体沿铁素体晶界析出，呈细小的长条状，尺寸不到0.1 μm。结合图2c和图2d,可判定出图2c中的黑色块状物为马氏体，其尺寸可达0.4 μm。从图2c中可明显看到马氏体上的孪晶界，能谱分析发现马氏体的含碳量为0.8%，而铁素体基体的碳含量不到0.1%，这说明在贝氏体的转变过程中，由于冷却速度较快，奥氏体中的碳来不及扩散，直接转变为马氏体。孪晶马氏体属于高碳马氏体，又硬又脆，严重割裂基体，对韧性危害较大。在透射电镜下还发现，1号组织中有较多的M-A岛以单独的马氏体或奥氏体存在，2号组织中的M-A岛存在形式与1号类似，但其M-A岛内的奥氏体比1号多。在粒状贝氏体中，残余奥氏体是塑性相，含有一定量的奥氏体能提高基体的韧性。2号的道间温度比1号要高，焊接过程中冷却速度相对较慢，有部分奥氏体没有转变为马氏体，而保留下来，这使得2号中的残余奥氏体较多，韧性较高。
由图2e和图2f可确定图2e上的黑色物质为碳化物，透射电镜下没有发现马氏体，只有少量的奥氏体和碳化物，金相显微镜下可见少量的M-A岛。这说明3号组织在较高的道间温度(150 ℃)影响下，奥氏体高温停留时间较长，碳原子发生了一定程度扩散，转变生成铁素体和碳化物。由于温度较高，驱动力不足，而没有转变为马氏体，即其含有的M-A岛最少。经测量，3号组织中的碳化物很细小，只有0.2 μm，但生成的碳化物有部分是成堆聚集，对基体产生了割裂作用，这使得基体与碳化物的界面上易产生应力集中，导致其韧性较差。与1号相比，3号中的先共析铁素体较多，但M-A岛含量较少，大部分已分解为尺寸不到0.2 μm的碳化物，其对韧性的危害比尺寸更为粗大的马氏体小的多，因此3号的韧性比1号要高。
图2 1号和3号组织中的M-A岛
另外，从表2中可以看出，1号和2号试样的冲击吸收能量不稳定，波动较大，这也是目前自保护药芯焊丝存在的问题。对比3号可发现，3号的M-A岛含量最少，其韧性较稳定，即M-A岛含量越多，韧性越不稳定。1号和2号部分冲击试样中的M-A岛含量较多，在外力的作用下，裂纹易在M-A岛与基体的交界处产生，并迅速扩展，导致解理断裂，使韧性降低。
由以上分析可知，随着道间温度的提高，组织中的先共析铁素体增多，层间热影响区晶粒有粗化的趋势。道间温度对粒状贝氏体中的M-A岛平均尺寸影响不大。但当道间温度在150 ℃左右时，M-A岛的含量剧烈减小。当道间温度从80 ℃变化到120 ℃时，组织中的马氏体减少，奥氏体增多，使韧性提高。当道间温度为150 ℃时，析出的长条状碳化物使韧性有所降低。另外，当组织中含有较多的M-A岛，会导致冲击吸收能量的不稳定。
2.2 焊接道数对韧性的影响
试验中采用单层单道的焊接方法，对4～6号试板分别焊接了4道、6道和7道，以分析焊接道数对韧性的影响，试验结果见表4。由表4可以看出，随着焊接道数的增加，平均冲击吸收能量增大。特别是焊接道数从4道增加到6道时，冲击韧性有明显的提高。焊接道数为6道和7道的冲击吸收能量基本相同。
（2）过敏反应。在转基因食品中常常含有能够引起部分人过敏的基因，比如转基因玉米极易造成某类人群出现过敏的情况。
图3是4～6号的扫描组织和层间热影响区组织。
表4 不同焊接道数下的冲击吸收能量
编号焊接道数(-30 ℃)冲击吸收能量KV /J平均冲击吸收能量KV/J4465,66,81,115,130915695,145,148,142,1471356796,141,143,145,161137
图3a～3c依次为4～6号的显微组织，它们的基本组织都是先共析铁素体+粒状贝氏体。4号组织中基本上不存在针状铁素体，且M-A岛以较大的长条状分布在铁素体基体上，而且有部分长条连在一块，呈网络状。而5号和6号组织中含有一定量的针状铁素体，且M-A岛主要呈细小的块状或颗粒状分布，基本上没有尺寸较大的块状或者长条状M-A岛。与点状、球状的M-A岛相比，尖角状和长条状的M-A岛对韧性相当不利，它更容易引起应力集中，进而引发微裂纹的产生[6]。因此，4号组织中长条状的M-A岛是导致其韧性较低的原因之一。
图3 4～6号显微组织
为了确定M-A岛的尺寸及含量对韧性的影响，利用Image pro plus软件对4～6号组织中的M-A岛进行了定量分析，结果见表5。由表5可知，随着焊接道数的增加，M-A岛的平均尺寸和面积分数都减小。
表5 M-A岛尺寸及含量
编号平均尺寸l/μm面积分数S(%)41.899.650.857.960.747.1
焊接道数由焊接速度来决定，焊接速度越快，焊接所需的道数越多。焊接道数的增加意味着每道的冷却速度加快。
当焊接道数较少时(比如4号)，冷却速度较慢，粒状贝氏体的BS点(开始转变点)较高，碳原子有充分的时间进行扩散，这会使奥氏体在较长的距离上富碳，因而会导致随后冷却得到的M-A岛尺寸增大。当焊接道数增加时，冷却速度加快，BS点降低，碳的扩散受到抑制，M-A岛没有足够的时间长大，因此小岛尺寸变小。另外，较大的冷却速度使相变应力增大，缺陷增多，因而贝氏体铁素体形核位置增多，使得M-A岛的长大空间有限，尺寸减小[7]。与2.1节类似，对4～6号中的M-A岛进行了透射电镜分析，以确定其物相。透射电镜分析表明，4号组织中M-A岛较大较多，且主要以马氏体为主，残余奥氏体很少。另外，有部分M-A岛已分解为碳化物，以长条状存在于铁素体板条之间。5号组织中有较多的M-A岛是马氏体和奥氏体的混合物，而且奥氏体分布在M-A岛的边缘，马氏体分布在中间。5号组织中的M-A岛没有分解为碳化物。对于6号，其组织中也不存在碳化物，M-A岛的存在形式与5号类似。因此可认为，4号组织中较多的马氏体和碳化物，增大了组织的脆性，割裂了基体的连续性，导致其韧性较低。
另外，随着焊接道数的增加，前后两道的层间热影响区(即细晶区)增多。层间热影响区相当于下一道焊对上一道焊的热处理作用区，其显微组织如图3d中箭头所指的弧形区域，宽度大约为0.4～0.5 mm。层间热影响区的晶粒细小，M-A岛大部分已分解为铁素体和碳化物，组织较为均匀，韧性很高。当焊接道数增加时，焊缝组织中层间热影响区所占的比例有所增多，整体力学性能得到一定程度的提升，韧性也随之提高。
（2）夜间施工要注意减少对周围群众的影响，禁止使用噪音较大的机械，并做好耐心细致的解释工作，取得群众的谅解。
由以上分析可知，随着焊接道数的增加，熔敷金属冲击吸收能量得到提高，主要是由于组织中M-A岛的尺寸变小、含量降低，细晶区所占的比例增大造成的。
最后，在修订的时候要注意与时俱进。例如考勤机制，移动网络的普及，促使企业的管理方式有所改变和调整，因而这些制度方面需要及时更改来适应当前的变化，逐步完善与时俱进，让企业管理工作跟上发展的步伐。但要注意修改一些对企业管理工作出现局限的内容，切记修改过于频繁，影响管理制度权威。
3 结论
文中研究了道间温度和焊接道数对自保护药芯焊丝熔敷金属组织及韧性的影响，分析了组织与冲击韧性的对应关系，主要得出了以下几个结论。
心力衰竭：心衰患者很容易水肿——双腿肿胀、肚子胀大。治疗的根本在于纠正心衰，同时尽最大可能改善体循环瘀血状态。常规做法包括休息、吸氧、利尿和限盐等。
(1)当道间温度从80 ℃升高到150 ℃，平均冲击吸收能量先增大后减小。较高的道间温度使M-A岛中的马氏体含量减少，韧性提高。过高的道间温度会使组织粗化，碳化物析出，导致韧性降低。
(2)随着焊接道数的增加，熔敷金属组织中M-A岛的尺寸减小，含量减少，而且层间热影响区所占的比例增大，这些都使得韧性提高。
(3)M-A岛的大小、含量和分布是影响冲击韧性的重要因素，但M-A岛中马氏体与奥氏体所占的权重也会对韧性产生较大的影响。
参考文献
[1] 牛全峰.自保护药芯焊丝的研究[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,.
[2] 蒋旻,栗卓新,蒋建敏.自保护药芯焊丝的国内外研究进展[J].焊接,(12):5-8.
[3] 余圣甫,李志远,王杰,等.药芯焊丝焊缝中的夹杂物对针状铁素体形成的影响规律[J].应用科学学报,2000,18(3):192-196.
[4] 徐祖耀，刘世楷.贝氏体相变与贝氏体[M].北京：科学出版社,1991.
[5] 汪凤,范玉然,张希悉,等.自保护药芯焊丝中Cr含量对钢管焊缝冲击性能及组织的影响[J].焊管,,37(5):58-61.
[6] 于庆波.M/A岛对粒状贝氏体钢冲击韧性的影响[J].热加工工艺,,41(24):41-42.
[7] 于庆波,段贵生,孙莹,等.粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响[J].钢铁,,43(7):68-71.
