为什么药芯焊丝保护焊(FCAW)比实芯焊丝保护焊(GMAW)更易产生冷裂纹？

Question

为什么药芯焊丝保护焊(FCAW)比实芯焊丝保护焊(GMAW)更易产生冷裂纹？

Answer 1

目前，最常用的熔化极气体保护焊焊接方法为：实芯焊丝气体保护焊（GMAW）及药芯焊丝气体保护焊（FCAW）。对于碳钢及低合金钢而言，GMAW主要采用的气体为氩气(Ar)+二氧化碳(CO2)混合气kodi.cn，FCAW主要采用的气体为100%二氧化碳(CO2)。通过调研发现，相对于GMAW, FCAW更易产生冷裂纹。为了验证上述推论，我们进行了相关试验。首先：我们采用熔敷金属扩散氢测定方法，研究不同焊接方法、焊接参数及气体对熔敷金属扩散氢的影响。其次：采用斜Y型坡口焊接裂纹试验方法研究不同扩散氢含量对冷裂纹的影响。

【熔敷金属扩散氢测定实验内容及结果】

(注：Arcal 5和Arcal 21为法液空kodi.cn的焊接气体解决方案，是氩气(Ar)+二氧化碳(CO2)混合气。Arcal 5的二氧化碳(CO2)含量高于Arcal 21。)

焊接试样包括前后两块引、熄弧试块及中间的正式试样。试样材料为镇静碳素钢，中间试样需在650C温度下去氢处理1小时，然后在惰性气氛下冷却。然后对中间试样进行称重，精度在0.01g。然后放在清洁干燥的容器内进行保存。焊接方法分别为GMAW和FCAW。对于GMAW，我们采用的气体为Arcal 5，Arcal 21, 焊丝为ER70S-6。对于FCAW，我们采用的气体为100%二氧化碳(CO2)，焊丝分别采用了扩散氢含量分别为H4，H8的E71T-1低氢药芯焊丝。焊接设备采用自动焊接小车，为了确保试验的可比性，焊接周围环境必须控制恒温，恒湿。焊接前，我们需对焊接管路进行半小时的吹扫，保证气体管路无水分吸附。另外采用露点仪对不同气体气瓶出口处进行露点测量，以掌握上述不同气体所包含的水分含量。焊接方式为无摆动焊接，焊接参数需保证熔敷金属重量为4g+-0.5g。焊接结束后（3-5s内）立即将焊接试样放入冰水混合物中保存20秒，然后再将该试样放入低于-78C的干冰酒精溶液或者液氮中储存。执行扩散氢含量测试前，需采用丙酮或酒精溶液将中间试样清洁干净并用冷空气迅速吹干。然后放入如图所示的收集器中并充入氩气使试样与外界隔离。并将收集器放入加热炉中在温度为45℃加热72小时，收集来自中心试样的扩散氢。最终通过气像色谱法对收集的扩散氢含量进行测量。

试验结果显示：
1）采用药芯焊丝气体保护焊（FCAW）的熔敷金属扩散氢含量明显高于实芯焊丝气体保护焊（GMAW）的熔敷金属扩散氢含量。主要原因我们认为药芯焊丝内部药粉的一些原材料（例如金红石、荧石）所含的水份以结晶水形式存在。这些结晶水具有较强的离子-偶极相互作用，在1000C以下都能保持稳定状态。当在电弧作用下，分解成原子氢，并进入熔敷金属。

2）对于实芯焊丝气体保护焊而言，采用短路过渡的熔敷金属扩散氢含量低于采用喷射过渡的熔敷金属扩散氢含量。主要原因在于：相对于喷射过渡，短路过渡具有较短的电弧长度，电弧周围大气的水分与电弧接触范围较小，将产生较少的氢原子溶解到熔敷金属中。

3）对于实芯焊丝气体保护焊而言，随着气体中CO2成分的增多，熔敷金属扩散氢含量减小。主要原因在于：CO2在电弧的作用下分解成氧原子，电弧气氛下的氧原子与氢原子结合，因此会降低进入熔敷金属内部的氢原子数量。

【斜Y型坡口焊接裂纹试验内容和结果】
通过上述实验已知，相对于GMAW，FCAW熔敷金属中具有更高的扩散氢含量。是否扩散氢含量越多，就更加容易引起冷裂纹？现在就来看看以下实验。

试样为斜Y型坡口焊接裂纹试样，该材料为低碳钢，板厚为25mm。中间坡口为斜Y坡口，两边坡口为X型坡口。在进行正式焊接试验前，需完成两边X型坡口的焊接。该焊缝需要100%全熔透。该焊缝也可以叫做拘束焊缝，其目的是使中间正式焊缝在焊接时，收到较大的拘束度。正式焊缝只要焊接一道。

我们准备采用三块试样。
试样①：焊接方法为GMAW，气体为Arcal 5;
试样②：焊接方法为GMAW，气体为Arcal 21;
试样③：焊接方法为FCAW，气体为100%CO2。
(注：Arcal 5和Arcal 21为法液空kodi.cn的焊接气体解决方案，是氩气(Ar)+二氧化碳(CO2)混合气。Arcal 5的二氧化碳(CO2)含量高于Arcal 21。)

焊接参数保持与扩散氢含量测试试验所采用的参数相一致。

当我们对表面焊缝进行PT检测（渗透检测）时，发现采用FCAW的焊缝表面已有裂纹出现（试样③中间有一条紫色的线，此处为裂纹）。因此从该试验可以说明冷裂纹的敏感性与焊缝扩散氢含量成正比。