自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬中O、N的控制及其對顯微組織和韌性的影響

張占偉，李午申，薛振奎，白世武

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065001)

自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬中O、N的控制及其對顯微組織和韌性的影響

張占偉1，李午申1，薛振奎2，白世武2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065001)

采用氧氮分析儀、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡及電子能譜儀研究了自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬中O、N含量對夾雜物類型、顯微組織及低溫沖擊韌性的影響規(guī)律．結(jié)果表明，對于BaF2-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲，藥芯中不低于4%的LiF，可有效改善電弧穩(wěn)定性；同時在電弧區(qū)生成Li3N，降低熔覆金屬中的N含量．通過向藥芯中加入10%的Fe2O3和5%的MnO2，可將熔敷金屬中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至0.84%，而氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到85×10-6，得到以Al2O3為主的圓形夾雜，增加晶內(nèi)異質(zhì)形核核心，焊縫組織得到細(xì)化．通過對O、N含量的有效控制可顯著提高熔敷金屬的低溫韌性．

自保護(hù)藥芯焊絲；O；N；夾雜物；韌性

自保護(hù)藥芯焊絲自問世以來經(jīng)過了近50年4個階段的發(fā)展[1]，已經(jīng)從最初的以追求工藝性能為主發(fā)展到目前的高強(qiáng)、高韌且能夠進(jìn)行全位置焊接的高品質(zhì)自保護(hù)藥芯焊絲．作為一種高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的新型焊接材料，自保護(hù)藥芯焊絲在油氣管道、海洋平臺等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用．石油天然氣管道現(xiàn)場環(huán)焊縫的焊接是自保護(hù)藥芯焊絲的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著鋼鐵冶煉及軋制技術(shù)的提高，管線鋼正向著大口徑、高壓力的方向發(fā)展[2-3]，因此對焊接材料的強(qiáng)度及低溫韌性提出了更高的要求．近期我國的重點(diǎn)工程“西氣東輸一線”及“二線”工程主干線分別使用了X70和X80管線鋼，都大量使用了自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行環(huán)焊縫對接．與采用氣保護(hù)焊絲焊接相比，自保護(hù)藥芯焊絲焊接可以簡化焊接輔助設(shè)施，如無需氣瓶、工棚等，而且焊接效率高，可有效縮短施工周期，從而降低綜合建設(shè)成本[4]．

由于我國對自保護(hù)藥芯焊絲的研究相對較晚，且研究大多局限在高校及科研院所，加之焊材生產(chǎn)企業(yè)的參與積極性不高等因素，使早期研究較多停留在理論水品，很少有高質(zhì)量的產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品相競爭．其差距尤其表現(xiàn)在低溫沖擊韌性的穩(wěn)定性方面，因此，進(jìn)一步深入研究自保護(hù)藥芯焊絲的強(qiáng)韌化機(jī)理是提高國產(chǎn)焊絲質(zhì)量的關(guān)鍵．BaF2-Al-Mg渣系是目前高韌性全位置自保護(hù)藥芯焊絲普遍選用的渣系[5-6]．該渣系以Al、Mg強(qiáng)脫氧、固氮保護(hù)為主，氣、渣輔助保護(hù)的方法抑制氣孔的產(chǎn)生．然而與焊條電弧焊、氣保護(hù)焊及埋弧焊等焊接方法相比，該渣系自保護(hù)藥芯焊絲焊縫中的N含量較高而氧含量較低[7]11-22．焊縫中的N與Al結(jié)合成多邊形 AlN脆性夾雜[8-9]，嚴(yán)重?fù)p害焊縫低溫沖擊韌性．研究表明，通過向藥芯中加入適量的LiF，不僅可改善電弧穩(wěn)定性，且顯著降低了熔敷金屬中的N 含量，從而減少了AlN有害夾雜的數(shù)量．另外，向藥芯中加入適量Fe2O3及MnO2組分，可提高熔敷金屬中的氧含量，不僅可以降低熔敷金屬中的殘留Al含量，避免形成δ-鐵素體和時效作用，而且在焊縫中生成以Al2O3為主的圓形夾雜，增加晶內(nèi)異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化焊縫組織，從而提高熔敷金屬的低溫韌性．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本著降低熔覆金屬中的N含量而適當(dāng)提高O含量的設(shè)計思想，通過調(diào)整藥芯中LiF、Fe2O3和MnO2的含量自制了5種自保護(hù)藥芯焊絲，藥芯組分如表1所示．焊絲外皮采用普通低碳鋼帶制作，鋼帶規(guī)格為0.5,mm×10,mm，化學(xué)成分如表2所示．藥芯中金屬M(fèi)n的加入量隨MnO2的加入量而調(diào)整，以使熔敷金屬中Mn含量保持在相同水平．由于BaF2加入量的微小波動不會對焊接工藝及熔覆金屬力學(xué)性能造成明顯的影響，因此本實(shí)驗(yàn)選用BaF2作為藥芯配方的平衡組分．焊絲藥芯填充比為(22±0.2)%，焊絲直徑為Ф2.0,mm．

表1 實(shí)驗(yàn)焊絲藥芯主要組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Main components of the experimental wire core (mass fraction) %

表2 鋼帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of electrode tube(mass fraction) %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

焊接使用林肯DC-400型直流焊機(jī)和LN-23P送絲機(jī)，按照AWS A5.29標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試板制備與試樣加工，焊接試板選用Q235A，焊接工藝參數(shù)如表3所示．力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分別在DLY-30拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)和JB30-B沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行．用GX51-OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察熔敷金屬顯微組織，用XL30 ESEM型掃描電鏡和ISIS300型能譜分析儀做夾雜物能譜分析．用SPECTROLAB型直讀光譜儀分析熔覆金屬化學(xué)成分，其中氧、氮含量用ON900型氧氮分析儀進(jìn)行檢測．

表3 熔敷金屬焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding parameters for deposited metal

2 結(jié)果與分析

2.1 熔敷金屬中的N含量

盡管Al和N 的反應(yīng)在電弧區(qū)和熔池中都可能進(jìn)行，但是由于在1,500,℃以上時，鋁和氧生成化合物的自由能為 -180,kJ/mol，比鋁和氮生成的自由能(-54,kJ/mol)低，因此在電弧區(qū)鋁和鎂以脫氧為主，侵入電弧區(qū)的氮較多地被熔池吸收．溶解在熔池中的氮和鋁在焊縫凝固之前即可生成穩(wěn)定的AlN夾雜，通過這一原理盡管避免了氮?dú)饪椎漠a(chǎn)生，很大程度上降低了焊縫氣孔敏感性，但大量的脆性AlN夾雜在變形過程中會對金屬基體產(chǎn)生割裂作用，嚴(yán)重?fù)p害焊縫低溫韌性．實(shí)驗(yàn)焊絲熔敷金屬化學(xué)成分及機(jī)械性能如表4所示．可見沒有加入LiF的1號焊絲熔敷金屬中的N含量最高(420×10-6)，顯微分析表明其熔敷金屬中有較多的脆性多邊形夾雜，如圖1(a)箭頭所示，圖1(b)能譜分析表明該夾雜物為AlN夾雜．由表4熔敷金屬中N含量可以看出，隨著藥芯中LiF含量的增加，熔敷金屬中N含量呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)LiF加入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，熔敷金屬中的N含量降低至210×10-6，這主要是由于部分侵入電弧區(qū)的N與籠罩在電弧區(qū)的Li蒸汽反應(yīng)生成Li3N而被除去．

表4 熔敷金屬化學(xué)成分及機(jī)械性能Tab.4 Chemical compositions and mechanical properties of the deposited metal

圖1 AlN夾雜Fig.1 AlN inclusion

2.2 熔敷金屬中的O含量

由于BaF2-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲中加入較多的Al和Mg等強(qiáng)還原劑來脫氧固氮，使得焊縫中的O含量貧瘠，沒有加入Fe2O3和MnO2的1號焊絲熔敷金屬中的氧含量僅為20×10-6，這對焊縫冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變造成較大影響[7]250-255，如圖2所示，焊態(tài)下焊縫組織存在大量的粗大側(cè)板條鐵素體(FS(SP))和晶界鐵素體(PF(G))，這類組織對強(qiáng)度指標(biāo)沒有太大的影響，但會顯著惡化焊縫的低溫韌性．隨著藥芯中Fe2O3和MnO2含量的提高，焊縫中的氧含量提高，同時由于發(fā)生了如下化學(xué)反應(yīng)：

使得殘留Al含量降低．4號焊絲焊態(tài)下焊縫組織照片如圖3所示，組織由針狀鐵素體(AF)、部分粒狀貝氏體(GB)及少量晶界鐵素體(PF(G))組成．對拉伸端口的分析表明，大部分韌窩中為圓形的Al2O3夾雜，而多邊形的AlN夾雜較少．

圖2 1號焊絲焊態(tài)焊縫組織Fig.2 As weld microstructure of No.1 wire

圖3 4號焊絲焊態(tài)焊縫組織Fig.3 As weld microstructure of No.4 wire

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Fe2O3、MnO2的總加入量超過藥芯質(zhì)量的15%時，由于藥芯熔點(diǎn)的提高和其他保護(hù)組分加入量的降低而使電弧穩(wěn)定性變差，藥芯的熔化滯后于外部鋼皮，偶爾還成塊落入熔池，破壞了保護(hù)氣氛，這也是造成5號焊縫N含量增高的原因．另外，也會帶來焊縫氣孔敏感性提高、立向下位置焊接時熔渣下淌等問題．因此，綜合考慮焊縫組織和焊接工藝性能，F(xiàn)e2O3和MnO2的總加入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在10%～15%范圍內(nèi)．

2.3 熔敷金屬的低溫韌性

1號、3號和4號熔敷金屬在-40 ℃下的Charpy-V沖擊試樣斷口形貌如圖4所示．由圖4(a)可以判斷沖擊斷口為脆性斷裂，放射區(qū)幾乎占據(jù)整個截面，僅有少量的纖維區(qū)和剪切唇；而且該試樣垂直于缺口方向的剪切唇不對稱，下方區(qū)域幾乎看不到剪切唇，說明1號焊絲顯微組織存在嚴(yán)重的不均勻性，該焊縫熔敷金屬沖擊吸收功僅有35 J．由圖4(b)、4(c)可以看出隨著焊縫中AlN夾雜含量的降低和針狀鐵素體含量的增加，沖擊斷口上纖維區(qū)所占的比例明顯提高，而放射區(qū)的比例降低，沖擊吸收功分別為120 J和160 J，具有較高的低溫斷裂韌度．

3 結(jié) 論

(1)針對BaF2-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲，用Al固氮固然重要，然而最大限度地降低熔覆金屬中的N含量，減少脆性AlN夾雜的數(shù)量，從而降低變形時其對基體的割裂作用，是提高韌性的關(guān)鍵．

(2)藥芯中適當(dāng)?shù)暮趸衔?如Fe2O3、MnO2)可提高熔覆金屬的含氧量，降低熔敷金屬中的殘留Al含量，生成以Al2O3為主的圓形夾雜，通過增加異質(zhì)形核核心得到以針狀鐵素體為主的焊縫組織，從而提高沖擊韌性．

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Control of O，N and Their Impact on Microstructure and Toughness of Deposited Metal of Self-Shielded Flux Cored Wire

ZHANG Zhan-wei1，LI Wu-shen1，XUE Zhen-kui2，BAI Shi-wu2
(1.School of Material Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Research Institute of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065001，China)

The impact of O，N content in deposited metal of self-shielded flux cored wire on the type of inclusions，microstructure and low-temperature impact toughness has been studied with oxygen-nitrogen analyzer，optical microscopy，electron microscopy and electron spectroscopy. The experimental results reveal that in self-shielded flux cored wire of BaF2-Al-Mg slag system，LiF addition of no less than 4% of the total flux core can improve arc stability effectively and generate Li3N in the arc zone so that nitrogen content in deposited metal can be reduced to 210×10-6. Addition of 10% Fe2O3and 5% MnO2in flux can reduce the residual Al content in deposited metal to 0.84% and raise the oxygen content to 85×10-6. The inclusion of Al2O3instead of AlN is the main inclusion type and weld microstructure is refined. It is thus concluded that effective control of O and N content can enhance the low-temperature toughness of the weld significantly.

self-shielded flux cored wire；O；N；inclusion；toughness

TG422.3

A

0493-2137(2010)02-0186-04

2009-03-30；

2009-05-20.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項(xiàng)目(2006AA03Z505).

張占偉（1981— ），男，博士研究生，zhangzhanwei1128@yahoo.com.cn.

李午申，liwushen@163.com．