自保護藥芯焊絲韌化機理及電弧特性的研究進展

宋紹朋 栗卓新 李國棟

北京工業(yè)大學,北京,100124

0 引言

自保護藥芯焊絲最早出現(xiàn)于20世紀50年代[1],在隨后50余年里,自保護藥芯焊絲以其特有的優(yōu)越性得到了很大的發(fā)展,尤其在高層建筑、輸油管道和海洋石油平臺等領域中得到了廣泛應用。2008年2月22日西氣東輸二線工程開工,管線全長9102km,干線管道采用X80鋼管,全長4895km。這一浩大工程中管線鋼的環(huán)縫焊接主要采用自保護藥芯焊絲半自動焊與手工焊相結(jié)合的方法,這對自保護藥芯焊絲的韌性提出了更高的要求。

自保護藥芯焊絲經(jīng)歷了五代發(fā)展歷程[2]。第一代出現(xiàn)在20世紀50年代末,配方中主要用鈦來形成氮化物以脫氮,用硅來脫氧;第二代出現(xiàn)在20世紀60年代中期,主要采用鋁作脫氧劑和脫氮劑;第三代出現(xiàn)在20世紀70年代中期,通過在配方中添加鎳及其他合金元素,平衡鋁對焊縫金屬組織中相的穩(wěn)定性影響,提高焊縫金屬沖擊韌性;第四代出現(xiàn)在20世紀90年代中期,主要專注于提高焊縫金屬的沖擊韌性,同時兼顧降低其分散度。在配方上通過調(diào)整合金元素鋁、鈦及鋯的比例來改善沖擊韌性的穩(wěn)定性,得到離散度低的沖擊韌性值;第五代出現(xiàn)在21世紀,是一種總的工藝解決方案,是一種可控制弧長與熱輸入量的革新工藝。與傳統(tǒng)的自保護藥芯焊工藝相比,此工藝操作更加簡單易行,焊縫的力學性能更加穩(wěn)定。它所用的新型電源能保持短弧操作,可減少大氣污染,減少脫氧劑、脫氮劑的使用,進而減少非金屬夾雜物的產(chǎn)生。

自保護藥芯焊絲對焊接工藝的重要性不言而喻,其應用范圍不斷拓寬,尤其在管線鋼焊接中發(fā)展極為迅速,研究自保護藥芯焊絲對我國的管線建設意義重大。本文就自保護藥芯焊絲熔敷金屬韌化機理及電弧特性進行概述。

1 自保護藥芯焊絲熔敷金屬韌化機理

當前自保護藥芯焊絲的韌化研究有兩個方向。一是選擇有利于韌性的渣系,使熔敷金屬得到類似于手工焊或埋弧焊熔敷金屬的化學成分,然后采用已成熟的韌化方法,如將熔敷金屬中錳元素和硅元素的質(zhì)量比控制在3～7的范圍內(nèi),或通過在配方中添加鈦、硼等元素構(gòu)成Ti-B系等方法來改善韌性。另一方向是保留自保護藥芯焊絲的特征渣系,獲得鋁含量較高的熔敷金屬。在高鋁合金條件下,通過添加微量元素,從夾雜物和微觀組織結(jié)構(gòu)角度來研究高鋁合金系的韌化機理。

熔敷金屬獲得良好沖擊韌性的理想組織為含量大于65%的針狀鐵素體(acicular Ferrite,AF),同時希望減少先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的析出。目前關于AF的形成機理普遍認為有三種：①由于 TiO與α-鐵素體的晶格錯排度最小,形核時表面能較小,因而使含Ti的夾雜物誘發(fā)AF的形核[3];②夾雜物作為一種惰性介質(zhì)表面降低了形核的能壘,促進了AF的形核[4]。③夾雜物和母相由于膨脹系數(shù)不同而形成應力場,是AF形核的原因[5]。第一種觀點的“誘發(fā)AF形核機理”令人懷疑。原因在于,Al2 O3或AlN與α-鐵素體晶格錯排度較大。即使在Ti-B系中也很難找到嚴格的K-S關系。事實上許多研究者都沒有發(fā)現(xiàn)AF與基本夾雜物之間存在這種K-S關系[6]。第二種和第三種機制被相關文獻證實是可行的[5,7-8]。Al2O3、MgO、TiO、TiN、AlN、Ti2O3等都具有較高的表面能[9],這類夾雜物與原來奧氏體之間存在能量較高的表面,AF在夾雜物上形核可以降低形核的能壘,因而這些夾雜物可以作為AF的形核點。文獻[7]證實,Al2O3-MnO-SiO2這種夾雜物因其熱膨脹系數(shù)小而比MnO-TiO-SiO2作為AF形核的可能性大為減少。Al2 O3的線脹系數(shù)為 8.0×10-6K-1,與基體奧氏體的線脹系數(shù)相差很大,因而可以在Al2O3周圍產(chǎn)生較大的應力場,增加奧氏體中位錯密度,誘發(fā)AF形核。

文獻[8]與文獻[4]的觀點一致,認為高鋁系熔敷金屬韌化原因為：適量微量元素硼、稀土、使熔敷金屬獲得特征參數(shù)適當?shù)腁l2 O3這類夾雜物。Al2O3可以通過降低針狀鐵素體形核能壘,提高奧氏體中位錯密度來誘發(fā)針狀鐵素體的形核,起到傳統(tǒng)Mn-Si系中Ti-B系韌化的作用。

有關研究表明[9]：當夾雜物尺寸大于0.2μm時,焊縫金屬組織主要是AF,但該研究中沒有給出夾雜物尺寸的具體上限是多少。而當夾雜物尺寸為0.14μm和0.16μm時,將得到大量先共析鐵素體。文獻[10]卻認為,夾雜物尺寸即使在0.2μm～0.4μm范圍內(nèi),也不易形成AF,而是容易產(chǎn)生先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體。只有尺寸在0.4～1.0μm范圍內(nèi)的夾雜物在晶內(nèi)可作為形核質(zhì)點,促使AF的形成。尺寸大于1.0μm的夾雜物有可能作為裂紋源,減小裂紋擴展能,對韌性有害。

文獻[10]還指出了焊縫中夾雜物的兩個特征：①焊縫中夾雜物對韌性有利與否與其形狀、尺寸、密度的關系很大,而與其化學成分關系不大;②在夾雜物特征參數(shù)對AF形核即對韌性的影響的研究中發(fā)現(xiàn),圓形夾雜物不易引起鋼基體的應力集中,使得焊縫金屬韌性比有棱角的夾雜物的鋼基體的韌性好。

文獻[11]認為Al、N是降低自保護藥芯焊絲熔敷金屬韌性的主要原因(圖1、圖2),在自保護藥芯焊絲中與韌性有關的最重要的因素是脫氮劑、脫氧劑的雙重影響。

圖1 室溫韌性與焊縫含氮量的關系

圖2 室溫韌性與焊縫含鋁量的關系

一方面,在固溶體中,Al、Ti這些合金元素能提高V形缺口夏比沖擊試驗的轉(zhuǎn)變溫度;另一方面,Al、Ti又能改變組織轉(zhuǎn)變的結(jié)果。當脫氧劑減少時,可能發(fā)生奧氏體向細韌鐵素體的轉(zhuǎn)變;當脫氧劑增加時,有可能形成相對較脆的貝氏體;當脫氧劑進一步增加時,可能完全阻止奧氏體的形成,產(chǎn)生粗脆的δ-鐵素體,并一直保留到室溫,這是由于脫氧劑都是鐵素體的形成元素。也有文獻認為[12],韌性降低的原因是焊縫中存在氧化物和氮化物。這些硬脆的顆?？梢宰鳛榛w局部屈服的裂紋源。其中以鋁的氮化物最為有害。另文獻[8-10]認為,焊縫中夾雜物的化學性質(zhì)對韌性的影響是次要的,而決定韌性的關鍵是夾雜物的顆粒尺寸、形狀特征及分布。

Quintana等[13]對 E70T-4和 E71T-8兩種含鋁量不同的自保護藥芯焊絲焊縫(w(Al)分別為1.70%和0.53%)進行了研究,并對焊縫組織進行熱力學計算,預測其微觀組織結(jié)構(gòu)變化。認為在高鋁焊縫中,AlN的形成優(yōu)于Al2O3和 Ti(C、N)的形成,在低鋁焊縫中則相反。高鋁焊縫(E70T-4)、AlN為主要夾雜物時,AlN夾雜物的尺寸、數(shù)量及所占百分比如圖3所示,尺寸在1.0～2.0μm的AlN夾雜物所占比例高達60%,而尺寸介于0.4～1.0μm之間的僅占約13%,根據(jù)上文所述規(guī)律可知,高鋁焊縫中的夾雜物不利于AF的生成,故其沖擊韌性較低。低鋁焊縫(E71T-8)、Al2O3和 Ti(C、N)為主要夾雜物時,其尺寸、數(shù)量及所占百分比如圖 4所示,其中0.2～1.0μm的夾雜物所占比例約為60%,大于2.0μm的只占不到5%,可見低鋁焊縫有利于提高焊縫金屬的沖擊韌性。

圖3 AlN夾雜物尺寸分布

圖4 Al2O3和Ti(C、N)夾雜物尺寸分布

Cole等[14]與諸多研究者觀點一致,認為低鋁焊縫中合適尺寸的Al2O3夾雜物可能誘發(fā)針狀鐵素體的形核,從而提高焊縫金屬的韌性。文獻[8]提出：即使是高鋁焊縫,通過合理控制焊縫中的鋁氧比,也可增加AF的含量。高鋁焊縫中形成的AlN質(zhì)點,能提高淬透性,抑制先共析鐵素體的生成。Al容易使AF在原奧氏體晶內(nèi)合適的夾雜物上形核長大。焊縫中期望得到的最佳鋁氧比約為0.84。

Babu等[15]對焊縫中微觀組織的形成進行了熱力學和動力學計算,其結(jié)果表明高鋁焊縫的微觀組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的骨架狀δ-鐵素體晶粒。在固相高溫區(qū),大約有30%～40%的奧氏體存在,在隨后的冷卻過程中,奧氏體又分解為魏氏鐵素體和珠光體。相反,在低鋁焊縫中并沒有出現(xiàn)骨架狀δ-鐵素體組織,而是呈現(xiàn)出典型的α-鐵素體柱狀晶粒,原來的奧氏體轉(zhuǎn)變成為晶界α-鐵素體結(jié)構(gòu)、魏氏鐵素體和一小部分珠光體。說明在高溫時,低鋁焊縫應該是 100%的奧氏體?？梢钥闯龅弯X焊縫的微觀組織好,具有良好的力學性能。由于含鋁量和含碳量的不同而引起微觀組織的重大差別,這個現(xiàn)象值得進一步研究。

在自保護藥芯焊絲中加入Li可降低焊縫金屬所需的Al含量,從而改善焊縫金屬的沖擊韌性。這類焊絲雖然全位置操作性能好,熔敷速度快,同時焊縫金屬沖擊韌性好,但焊縫金屬在焊態(tài)下出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織,使得焊縫金屬沖擊韌性在焊態(tài)與焊后熱處理之間、多層焊和單道焊之間有很大的差別。因此,采用此類自保護焊絲焊接時,應嚴格注意焊接規(guī)范參數(shù)、熱輸入量、焊接道次以及每道焊層的厚度等[16-17]。

文獻[18]指出,微量元素 Ti、B是改善高BaF2渣系自保護藥芯焊絲熔敷金屬韌性的重要途徑之一。藥芯配方中的Ti、B加入量應適當配合,用B來抑制先共析鐵素體,使之在較低溫度下發(fā)生γ-α相變,用Ti來得到大量相變核心,使相變溫度降低,得到以針狀鐵素體為主的組織,從而改善熔敷金屬韌性。

文獻[19]在自保護藥芯焊絲中加入CeF3能夠細化焊縫夾雜物,減少熔敷金屬中大顆粒夾雜物數(shù)量,使夾雜物的沾污度和平均直徑降低,并能使夾雜物球化。熔敷金屬中夾雜物以AlN、A12O3和 MnS為主。在藥芯中加入適量的CeF3,能夠使熔敷金屬的沖擊韌性提高。

美國公開專利[20]提出在含有約40%的造氣劑氟化物(BaF2、CaF 2、K3 AlF6、LiF 等)藥芯中添加 Al、Ti、Zr、Ce四元素中的至少三種,以及金屬氧化物和鎂元素,可改善熔敷金屬的沖擊韌性。其-20℃時的沖擊吸收功平均值較常規(guī)自保護藥芯焊絲高,且分散性低(圖5)。該焊絲在-40℃的V形缺口沖擊吸收功最高值可達122J。該專利中指出：添加 Al、Ti、Zr、Ce四元素中至少三種元素后,阻止了用于成為氧化鋁、氧化鎂等大尺寸夾雜物形核的氮化物的形成。圖6中有兩個區(qū)域?qū)臎_擊吸收功在-20℃時低于54J的發(fā)生頻率為零,這正是因為Al、Ti、Zr三種元素的合理配比再結(jié)合藥芯中的鎂元素阻止了氮化物的形成。發(fā)生頻率為零的區(qū)域所對應的焊絲熔敷金屬中氮化物含量幾乎為零。

文獻[21]對主渣系為BaF 2-Li2CO3-Fe2 O3的自保護藥芯焊絲如何提高低溫沖擊韌性進行了研究。從圖7可見,自保護藥芯焊絲中加入Zr后熔敷金屬的低溫沖擊吸收功有顯著提高。當焊絲藥芯中加入0.75%～1.00%Zr時,熔敷金屬獲得以針狀鐵素體為主的組織且組織細小均勻。隨著藥芯中Zr含量增加,熔敷金屬中除了Zr含量直線增加以外,其他元素的含量基本保持不變,而從圖8可以得出,熔敷金屬中Zr含量增加實際體現(xiàn)在熔敷金屬夾雜物中Zr含量的增加上。因此可以得出：藥芯中加入Zr使熔敷金屬夾雜物中的Zr含量增加,含Zr夾雜物促進了熔敷金屬中針狀鐵素體的形成,使熔敷金屬的組織細化,從而提高了熔敷金屬的低溫沖擊韌性。

圖5 改進與常規(guī)自保護藥芯焊絲沖擊吸收功對比

圖6 Al、Ti、Zr三種元素對焊縫金屬在-20℃時V形缺口沖擊吸收功低于54J的發(fā)生頻率關系圖

圖7 藥芯中Zr含量對熔敷金屬沖擊吸收功的影響(-20℃條件下)

圖8 藥芯中Zr含量對夾雜物中Zr含量的影響

很多專利提出了一些改進焊縫金屬沖擊韌性的方法。專利U.S.3742185[22]在藥芯中加入 Li的化合物,還原劑使用Ca、Al和Mg,可獲得在-20℃條件下最高沖擊吸收功為70J的熔敷金屬。專利U.S.4186293[23]使用大量堿性氧化物替代氟化物獲得-30℃條件下最高沖擊吸收功為50J的熔敷金屬。專利U.S.4571480[24]發(fā)明了一種高BaF2自保護藥芯焊絲,通過在藥芯中添加適量的Ni、Zr、Ti、B來提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。其焊縫金屬V形缺口沖擊吸收功的典型值為 A KV=139J(-30℃條件下)。專利 CN 1117903A[25]采用CaF2-TiO2-MgO中性渣系,利用鈦在焊縫中的固氮作用及Ti-B-Ni合金系的韌化作用來提高焊縫金屬的韌性,其V形缺口沖擊吸收功的典型值為A KV＞50J(-40℃條件下)。專利CN 101279409A[26]指出,鋁含量的增加會導致焊縫柱狀晶變粗,先共析鐵素體增加,針狀鐵素體減少,從而使焊縫金屬沖擊韌性下降。該專利提出在配方中添加聚偏氟乙烯樹脂可減少鋁的添加量,可得到韌性高而穩(wěn)定的熔敷金屬,其V形缺口沖擊吸收功的典型值為 AKV≥57J(-30℃條件下)。

綜上所述,影響自保護藥芯焊絲焊縫金屬沖擊韌性的因素很多,其中 Al的影響最為顯著。為減少Al對沖擊韌性的影響而又盡可能地保證良好的操作性能,可采取以下措施：①控制焊縫金屬中夾雜物的尺寸,盡量減少固溶態(tài)鋁,對化合態(tài)鋁可采用必要措施,減小夾雜物尺寸,增加小直徑Al2O3的比例,促使AF的形成和晶粒細化,盡可能使夾雜物尺寸控制在0.2～1.0μm之間,最好在0.4～1.0μm之間。在藥芯中加入適量的CeF3以利于細化夾雜物。②對于高鋁焊縫,最佳鋁氧比約為0.84。將鋁氧比控制在該數(shù)值內(nèi),有利于提高焊縫金屬的沖擊韌性。③在藥芯中加入適當?shù)?Li、Zr、Ti、B、Ni等元素,可改善焊縫的沖擊韌性。對于BaF2-Li2CO3-Fe2O3渣系的自保護藥芯焊絲而言,Zr含量控制在0.75%～1.00%時,可大幅度提高焊縫的沖擊韌性。

2 自保護藥芯焊絲電弧特性

對自保護藥芯焊絲電弧特性的研究主要集中在熔滴過渡形態(tài)和飛濺形成機理兩個方面[27-30]。

自保護藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)包括：附渣過渡(包括短路附渣過渡和非短路附渣過渡)、顆粒過渡、爆炸過渡和射滴過渡。潘川等[27]認為附渣過渡和顆粒過渡是自保護藥芯焊絲的主要熔滴過渡模式;張征[28]指出自保護藥芯焊絲全位置焊接具有“弧橋并存”的熔滴過渡特征,并伴有個別的爆炸過渡和射滴過渡特征;栗卓新等[29]發(fā)現(xiàn)增大藥芯中C、O質(zhì)量分數(shù),添加表面活性劑可提高顆粒過渡、射滴過渡的比例。

文獻[27]通過高速攝影試驗觀察到自保護藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)主要有：附渣過渡(包括短路附渣過渡和非短路附渣過渡)和顆粒過渡。認為電弧電壓對熔滴過渡形態(tài)有著重要的影響。當電弧電壓較低時,以短路附渣過渡和非短路附渣過渡為主要過渡形態(tài);隨著電弧電壓的升高,短路附渣過渡次數(shù)減少,非短路附渣過渡次數(shù)增加;繼續(xù)升高電壓,短路附渣過渡消失,出現(xiàn)顆粒過渡,但還是以非短路附渣過渡為主要的過渡形態(tài),所以,非短路附渣過渡是自保護藥芯焊絲熔滴過渡的主要形態(tài)。并且指出自保護藥芯焊絲的焊接化學冶金反應不僅在熔滴反應區(qū)劇烈進行,而且在熔池中劇烈進行。

文獻[28]通過對 Fabshield 81N1自保護藥芯焊絲熔滴過渡行為的研究,指出自保護藥芯焊絲全位置焊接具有“弧橋并存”的熔滴過渡特征,并伴有個別的爆炸過渡和射滴過渡特征,熔滴瞬時短路時接觸熔池的方式有外擺接觸和沿著滯熔渣柱下滑接觸兩種。此文獻還進一步研究了Na2CO3/K2 CO3、大理石/白云石、長石和石英加入量的不同對熔滴過渡的影響。指出在穩(wěn)弧劑、表面活性劑及大理石、白云石等造渣劑的綜合作用下,只有當熔滴尺寸達到一個適當值,使得熔滴與熔池瞬時接觸過渡的金屬量與該時間內(nèi)熔化的金屬量達到平衡時才具有最好的焊接工藝效果。

文獻[29]從藥芯組成和焊接工藝兩方面對自保護藥芯焊絲熔滴過渡的影響進行了研究,對熔滴過渡的受力進行了分析,研究結(jié)果表明：適當增加氣體動力即增大藥芯中C、O質(zhì)量分數(shù),添加表面活性劑可提高顆粒過渡、射滴過渡的比例。電流、電壓主要影響作用在熔滴上的電弧力,電流增大使短路非爆炸附渣過渡、短路爆炸過渡及爆炸過渡的比例增大。電壓增大使短路爆炸過渡、顆粒過渡、射滴過渡的比例增大。電流和電壓同樣也對過渡時間有影響。而過渡時間對熔滴保護效果以及飛濺量大小有重要影響。

焊接飛濺量大小是焊接材料工藝性能的一項重要指標,能夠反映電弧穩(wěn)定性的高低,同時會影響焊后的清理工作量。對于自保護藥芯焊絲,它主要與藥芯成分、焊接工藝條件及焊絲直徑有密切關系。

文獻[30]詳細研究了自保護藥芯焊絲飛濺的形成機理及其影響因素。通過高速攝影觀察可知,自保護藥芯焊絲在焊接過程中的飛濺主要有：電弧力引起的大顆粒飛濺、氣泡放出型飛濺和氣體爆炸引起的飛濺。并認為藥芯成分通過影響熔滴的表面張力、焊接區(qū)的氣體動力等來影響飛濺量的大小。且進一步采用混料回歸設計中的極端頂點法和SPSS軟件建立了藥粉成分與焊接飛濺的數(shù)學模型：Y=29.256Z1+6.281Z2-22.218Z1Z4-81.820Z3Z4,其中,Y為飛濺量,Z1為氟化物含量,Z2為氧化物含量,Z3為碳酸鹽含量,Z 4為脫氧劑的量。結(jié)果表明,氟化物和碳酸鹽對飛濺的影響較大,氧化物和脫氧劑對飛濺的影響較小。

文獻[6]采用單因素輪換法著重研究了粉芯組成對CaF 2-Al2O3-CaO型渣系自保護藥芯焊絲飛濺率的影響(圖9)。結(jié)果表明,隨著碳酸鹽的增加,飛濺率出現(xiàn)了先由大到小,再由小到大的趨勢。大顆粒飛濺數(shù)目也有所變化,有較明顯的峰。強還原劑對飛濺的影響為：剛開始時隨著強還原劑的增加,飛濺率減小,當強還原劑超過20%時,飛濺率增大,當強還原劑超過25%時,飛濺率開始明顯增大,大顆粒飛濺基本呈現(xiàn)單調(diào)增大趨勢。石墨對飛濺的影響與碳酸鹽有類似的規(guī)律,隨著石墨的增加,飛濺率出現(xiàn)了由大到小,再由小到大的趨勢。石墨含量為2%時,飛濺率最小。

圖9 粉芯組成對飛濺率的影響

3 結(jié)束語

夾雜物對藥芯焊絲韌性的影響主要取決于夾雜物的形狀和尺寸,而與其化學成分關系不大,尺寸在0.2～1.0μm 之間,尤其是介于0.4～1.0μm之間的圓形夾雜物易成為AF的形核中心。在藥芯中加入適量的 CeF3、Li、Zr、Ti、B 、Ni等,并控制鋁氧比,熔敷金屬可獲得針狀鐵素體為主的細小均勻的組織,韌性可得到大幅度提高。

自保護藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)包括：附渣過渡(包括短路附渣過渡和非短路附渣過渡)、顆粒過渡、爆炸過渡和射滴過渡。附渣過渡和顆粒過渡具有較好的焊接工藝。

自保護藥芯焊絲飛濺主要有：大顆粒飛濺、氣泡放出型飛濺和氣體爆炸引起的飛濺。藥芯中氟化物和碳酸鹽對飛濺的影響較大,氧化物和脫氧劑對飛濺的影響較小。

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