本研究通过试验评估了 SM355 钢在药芯焊丝电弧焊（FCAW）过程中，焊接位置和保护气体对焊缝区力学性能的影响。试验考虑的焊接位置为 1G、2G、3G，保护气体则采用100%二氧化碳（CO2）气体和混合气体（80% 氩气+ 20% CO2）。试样由焊接结构用轧制钢板SM355A 焊接制成，并开展了拉伸试验、弯曲试验、硬度试验、冲击试验、宏观试验及无损检测等多种试验。结果表明，所有试验结果均满足韩国工业标准（KS 标准）。基于试验结果可知，在SM355 钢的 FCAW 焊接中，可用混合气体替代CO2作为保护气体。
01
引言
焊接是将两个或多个待连接金属部件进行局部熔合的方法。焊接的应用领域涵盖汽车、造船、工厂产业等整个工业领域，伴随着电子产业的发展，其在半导体产业中也得到了应用。在多种焊接方法中，药芯焊丝电弧焊（FCAW）是采用管状焊丝内部填充焊剂的药芯焊丝（FCW）进行焊接的方法。一直以来，FCAW主要局限于造船行业使用，但由于其焊接速度快且可实现全位置焊接，目前正逐渐向整个工业领域普及。
FCAW是利用电弧热熔化焊剂进行焊接的，在此过程中，为保护焊缝区，需使用保护气体。保护气体主要采用CO2，但由于夏季干冰需求旺盛以及原料生产企业的定期维护，CO2供应存在不稳定的情况。因此，工业现场正尝试用混合气体替代焊接时使用的单一CO2。焊接中用作保护气体的混合气体，主要是将CO2与氩气（Ar）混合使用，通常采用80%氩气与20%CO2的混合比例。然而，当保护气体从单一气体替换为混合气体时，焊缝区的力学性能可能会发生变化。以往有研究针对保护气体混合比例对MAG焊（熔化极活性气体保护电弧焊）力学性能差异的影响展开过探讨；在FCAW焊接领域，也有研究分析了保护气体混合比例对Atos60钢、碳钢、不锈钢焊缝区特性的影响。
焊缝区的力学性能不仅受保护气体影响，还会受到焊接条件的制约。在FCAW焊接中，已有研究针对超厚钢板和HSA800钢的焊接条件对焊接接头性能的影响开展分析。但在现有研究中，几乎难以找到针对SM355级钢在FCAW焊接时，焊接位置与保护气体种类对力学性能影响的对比分析案例。因此，本研究旨在通过试验评估焊接位置及保护气体对焊缝区力学性能的影响。
生产过程中，采用含CaO的炉渣从钢水中去除硫、磷等杂质。氢、氮、氧等气体成分则通过添加高亲和力元素或利用脱气装置予以去除。在这些工艺过程中，会生成非金属夹杂物（以下简称“夹杂物”），例如氧化物和硫化物。部分夹杂物会残留在金属基体中，进而导致表面或内部出现缺陷。促进夹杂物的聚集与结合，有助于夹杂物的粗化，进而有利于夹杂物从钢水中分离并上浮去除。一般而言，可从夹杂物与钢液界面性质的角度，来理解夹杂物在钢液中的行为。
已知CaS会与各种氧化物共同影响夹杂物在钢液中的行为，故而它也被视作炼钢过程中需要管控的对象。例如，Ca处理法被广泛用于将固体夹杂物转化为液态的CaO-Al2O3夹杂物，以此解决连铸浸入式水口堵塞问题。在夹杂物的转变进程中，于液态CaO-Al2O3相形成之前，会先形成瞬态的CaS相。就炼钢过程中的夹杂物形成行为而言，已存在的夹杂物会与钢液中的硫发生反应，进而形成CaS相。这些事实表明，在精炼过程中，CaS相会对钢液中的夹杂物行为产生影响。
关于CaS与钢液的界面性质，Staronka和Gotas报道称CaS与钢液的接触角为87°，这意味着CaS与钢液间具有较高的润湿性。自该观点被报道以来，CaS与钢液间的润湿性尚未得到进一步研究或报道。然而，Yoshikawa等人报道称，CaO在含Al-S的钢液中呈现非湿润状态，所形成的CaS相使CaO的润湿性变差。这表明CaS的润湿性比CaO要差。因此，对于CaS的润湿性能，目前尚未形成一致认识，这给探讨钢液中CaS夹杂物的行为带来了困难。本研究旨在通过液滴法评估CaS与钢液之间的润湿性，从而精准了解CaS的界面性质。
02
试验方法
2.1试验材料及试验条件
本研究使用的材料为焊接结构用轧制钢材（KS D 3515 SM355A），该材料适用于钢结构、船舶、桥梁、铁路车辆等领域。试验采用板材，母材的KS标准及质量检验证明书如表1所示。经确认，原材料具备SM355A级钢材的力学性能。
本研究中按焊接位置进行焊接时，各位置试样的尺寸为475mm×200mm×25mm，对试样单面进行了45°坡口加工，未设置根部间隙，直接对母材进行加工处理。填充材料采用现代综合金属公司生产的SF-71焊丝（AWS A5.36 E71T-1C），直径为1.4mm。SF-71属于钛型药芯焊丝，适用于全位置焊接，且具有焊道外观美观的优点。通常情况下，SF-71采用100%CO2作为保护气体，而本研究中则分别采用100%CO2气体和混合气体（80%氩气+20%CO2）作为保护气体。保护气体的流速为25L/min，采用20mm口径的喷嘴。
焊接位置分为1G、2G、3G三种进行试验。试样在无预热的常温环境下进行焊接，最大层间温度控制在230℃以下。电流类型采用直流反接（DCEN），并采用焊枪呈“之”字形移动的摆动（Weaving）焊接工艺。
2.2按焊接位置分类的接头
焊接位置考虑了平焊（1G）、横焊（2G）、立焊（3G）三种，其中立焊采用向上焊接的方式进行。不同焊接位置对应的焊道形状不同，各位置的焊道形状及焊接道次如图1所示。焊缝区的坡口加工采用单边45°坡口，安装了衬垫板和引弧板后进行焊接。各焊接位置的详细焊接条件如表2所示。
2.3力学性能试验
为评估焊缝区的力学性能，开展了相关试验。表3列出了力学性能验证试验的类型、试验内容及对应的KS标准，各项试验均按照规定流程进行。
拉伸试验按照KS B 0801（金属材料拉伸试验试样）标准，沿焊接结构的轧制方向制作3个1A型拉伸试样进行试验。
弯曲试验根据板材厚度，按照规定的弯曲半径，对试样进行180°表面弯曲、背面弯曲及侧面弯曲试验。试样沿焊接结构的轧制方向，在焊接结构厚度方向的中间位置截取，尺寸为25mm×10mm×400mm，每种焊接位置制作4个试样进行试验。
为测量焊缝区的硬化程度，开展了硬度试验。硬度试验按照KS B 0893（焊接热影响区最高硬度试验方法）和KS B 0811（金属材料维氏硬度试验方法）进行，对试样施加10kgf的载荷。分别从焊缝区、热影响区、母材中各采集3个试样，每种焊接位置制作3个试样。硬度测量位置为厚度的1/4处，其中母材按1mm间距测量，热影响区按0.5mm间距测量，焊缝区按1mm间距测量，每个区域测量3个点。硬度测量的详细位置如图2所示。
为测量焊缝区的韧性，开展了冲击试验。分别从焊缝区、热影响区、母材制作带缺口的试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，在厚度的1/4处截取。缺口位于试样中心，且缺口方向与焊接方向一致。冲击试验按照KS B 0809（金属材料冲击试验试样）标准进行。
为了解焊缝区的熔深状态、多层焊接中各焊层的形态、热影响区范围及是否存在缺陷等，还开展了宏观试验（KS D 0210）。
为确认焊缝区是否存在裂纹，开展了无损检测，采用相控阵超声检测（PAUT）方法。该方法通过向物体发射不同角度、不同振幅的超声波，实时生成二维图像，在工业现场应用广泛。相控阵超声检测采用奥林巴斯（OLYMPUS）公司的OMNISCAM MX2设备进行。
03
试验结果与讨论
为确保试验结果的高可靠性，本试验委托韩国化学融合试验研究院（KTR）进行。
3.1拉伸试验结果
拉伸试验结果及试样照片分别如图3和图4所示。可以看出，不同试样的力学行为非常相似，断裂位置和抗拉强度也均相近。各试样的抗拉强度对比如表4所示。结果显示，焊接位置和保护气体导致的抗拉强度差异小于1%，且该焊接结构的抗拉强度满足轧制钢材标准（KS D 3515）中490-630MPa的要求。
3.2弯曲试验结果
不同保护气体种类及各焊接位置下的弯曲试验结果均良好。表面弯曲试验结果如图5所示，试样表面未发现缺陷，表明即使经过塑性变形，试样仍具有足够的韧性。
3.3硬度试验结果
硬度试验结果对比如表5所示。由于焊接产生的硬化组织是导致低温裂纹的原因，因此，焊缝区的硬度需控制在HV350以下。结果显示，所有焊接位置和保护气体条件下，试样硬度均低于该标准值。
3.4 冲击试验结果
采用CO2气体和混合气体焊接的试样冲击试验结果如表6所示。根据KS标准，SM355钢焊缝区在20℃的冲击吸收功需达到27J以上。试验结果显示，母材、热影响区、焊缝区的冲击吸收功均超过27J，表明焊接结构具有足够的韧性。
3.5 宏观试验结果
按保护气体种类和焊接位置分类的宏观试验结果如图6所示。结果表明，焊缝区的横截面、表面、热影响区及金属组织整体均处于良好状态。
3.6 相控阵超声检测结果
采用CO2气体作为保护气体时，未发现焊接缺陷；而采用混合气体时，在2G焊接位置下检测到微小缺陷。该缺陷尺寸在2mm以内，符合KS标准（KS B ISO 19285）的允许范围。经推测，缺陷产生的原因是焊接过程中焊渣未清理干净，与保护气体无关。
3.7试验结果总结
按焊接位置和保护气体种类分类的力学性能试验结果如表7所示。结果表明，无论是采用100%CO2气体还是80%Ar+20%CO2混合气体作为保护气体，所使用钢材的性能试验结果均满足要求，且不同焊接位置下的力学性能均符合KS标准。
04
结论
本研究分析了SM355钢在药芯焊丝电弧焊（FCAW）过程中，保护气体和焊接位置对力学性能的影响。通过拉伸试验、弯曲试验、硬度试验、冲击试验、宏观试验及无损检测，对力学性能进行了全面分析，得出的结论如下：
1）拉伸试验结果表明，无论焊接位置和保护气体种类如何，试样均在母材处断裂，这说明焊缝区具有足够的强度。
2）弯曲试验结果表明，无论焊接位置和保护气体如何，试样表面及背面均未发现开裂现象及其他缺陷，因此判断焊缝区的弯曲性能无问题。
3）硬度试验和冲击试验结果表明，焊缝金属区、热影响区、母材的硬度均低于KS标准上限，冲击吸收功均高于KS标准下限，且该结果不受焊接位置和保护气体影响。由此可知，在试验所用的保护气体和焊接位置下，焊缝区具有足够的韧性。
4）宏观试验和无损检测结果表明，在试验所用的保护气体和焊接位置下，未发现超过标准的焊接缺陷。由此判断，即使将保护气体更换为混合气体，在所有焊接位置下，焊接性能均无问题。
5）本研究通过多种试验证实，在SM355钢的FCAW焊接中，将保护气体更换为混合气体后，其力学性能仍全部满足标准要求。因此，在工业现场二氧化碳气体供应不足时，可采用混合气体作为保护气体。
