Cr-M o-V鋼焊條中Si對(duì)焊縫性能和工藝性的影響

劉應(yīng)虎 葉小松 管洪亮 鄭 強(qiáng)

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川 618013)

Cr-M o-V鋼焊條中Si對(duì)焊縫性能和工藝性的影響

劉應(yīng)虎 葉小松 管洪亮 鄭 強(qiáng)

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川 618013)

為了改善采用焊條電弧焊工藝焊接2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的熔敷金屬的低溫沖擊性能，特別是－30℃低溫沖擊性能，以及熔敷金屬的步冷回火脆性，同時(shí)能夠更好地掌握和了解該類焊條的操作特性。文中以CMA-106HD焊條為例，在焊接過程中采用了不同的操作方式對(duì)不同批號(hào)的焊接材料進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，同時(shí)采用該類焊條對(duì)不同厚度的該類鉻鉬釩鋼試板進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。通過對(duì)焊縫熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析和步冷試驗(yàn)，研究了焊縫金屬中Si含量的變化對(duì)焊縫的低溫沖擊的影響，同時(shí)以此來分析焊條的工藝性。結(jié)果表明，對(duì)于不同Si含量的焊條，可以采用不同的焊接參數(shù)和操作技巧來有效控制熔敷金屬中的Si含量，從而提高焊縫金屬的綜合性能。

CMA-106HD焊條;焊縫;性能;工藝參數(shù)

我公司生產(chǎn)含釩鋼容器產(chǎn)品時(shí)，對(duì)主體材料采用的焊接方法主要是焊條電弧焊(SMAW)和埋弧自動(dòng)焊(SAW)。在焊條電弧焊中，我公司選用了牌號(hào)為CMA-106HD的低合金鋼焊條。在對(duì)該類焊條的焊接評(píng)定試驗(yàn)和焊接生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)熔敷金屬Si含量會(huì)在一定程度上影響焊條在焊接過程中外觀成型的變化，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)其對(duì)沖擊韌性以及步冷試驗(yàn)結(jié)果的影響較為明顯。本文針對(duì)

同一牌號(hào)不同Si含量的焊條進(jìn)行了評(píng)定和試驗(yàn)，分析了不同批次的CMA-106HD焊條的熔敷金屬Si含量不同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的焊縫性能和工藝性能的變化。同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的相關(guān)現(xiàn)象，對(duì)該類焊條的焊接提出了合理的工藝參數(shù)控制以及在操作過程中需要注意的有關(guān)事項(xiàng)和要領(lǐng)。其相關(guān)理論可以為同類Cr-Mo-V鋼焊條的應(yīng)用和制造提供參考，涉及的操作要領(lǐng)可以為同類焊接材料的焊接提供借鑒。

1 含V鋼焊條中Si含量對(duì)焊縫性能的影響

硅對(duì)焊縫金屬組織和性能的影響主要表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的強(qiáng)化作用，在一定程度上降低了焊縫金屬的沖擊韌性而使焊縫金屬的脆性增大;如果熔池中的含硅量較高將阻止氫的析出而導(dǎo)致焊縫金屬形成氣孔［1～3］，因而需要合理地控制焊縫金屬中的含硅量。

在生產(chǎn)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼為主體材料的加氫容器時(shí)，產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)程通常要求的回火脆性系數(shù)涉及X系數(shù)和J系數(shù)。J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100(目標(biāo)值80，式中各元素以百分含量代入)，X=(10P+5Sb+4Sn+As) ×10－2≤15×10－6(目標(biāo)值12，式中各元素以體積分?jǐn)?shù)含量代入)。通常J系數(shù)表示母材的回火脆性指標(biāo)，X系數(shù)表示焊縫回火脆性指標(biāo)，從這兩個(gè)系數(shù)分析得到Si元素和P元素含量對(duì)回火脆性有一定的關(guān)系。另外根據(jù)資料［4］，焊縫金屬中影響脆化的主要元素是 Sb、P、Sn、As，他們對(duì)脆化敏感性的影響順序是P＞Sn＞As＞Sb。焊縫金屬中的合金元素Si、Mn本身不會(huì)引起脆化，但會(huì)促進(jìn)P的脆化作用。Si含量在Cr-Mo-V鋼中降低，回火脆化量就會(huì)直線減少。因此為了降低焊縫回火脆化，需要采用低Si焊接材料，同時(shí)P元素含量也需要適當(dāng)控制。

在對(duì)CMA-106HD焊條進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其它元素變化范圍非常小的情況下，當(dāng)熔敷金屬中Si的含量由高變低時(shí)，其焊縫中心－30℃的沖擊韌性有一定的改善，而且其回火脆性有較大的改觀。表1為四個(gè)典型的不同批號(hào)的CMA-106HD焊條熔敷金屬的化學(xué)成分。從表1中可以看到，除了Si元素含量的變化較為明顯外，其它元素變化范圍非常小。這點(diǎn)也得到了廠家有關(guān)資料的證實(shí)。表1中涉及的熔敷金屬的焊接過程控制和焊接規(guī)范參數(shù)均相似，焊條直徑為4.0 mm，電流170 A ～175 A，電壓22 V～24 V，并且取樣位置均在焊縫中心。

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔敷金屬中Si的含量從0.27調(diào)整到0.21時(shí)，其熔敷金屬－30℃的沖擊韌性有明顯變化和改善，其沖擊值從125 J上升到150 J，3#焊條對(duì)應(yīng)的－30℃沖擊值出現(xiàn)了一個(gè)低值，而導(dǎo)致沖擊功僅為123.7 J，但從趨勢(shì)上其沖擊值應(yīng)優(yōu)于1#和2#焊條。當(dāng)熔敷金屬中Si的含量范圍在0.20% ～0.21%之間時(shí)，其步冷曲線有非常大的改善，步冷前后曲線的變化趨勢(shì)較為一致，ΔVTr54≈1～4，如圖1和圖2所示;當(dāng)焊縫熔敷金屬Si含量范圍提升到0.26% ～0.27%之間時(shí)，其步冷前后曲線之間的距離相對(duì)較大，ΔVTr54≈10～13，如圖3和圖4所示。在試驗(yàn)過程中，熱處理過程均采用相同的規(guī)范，其焊接接頭經(jīng)最小焊后熱處理(Min.PWHT)以及經(jīng)最小焊后熱處理加步冷處理后進(jìn)行取樣試驗(yàn)，最小熱處理規(guī)范為

從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，焊縫中Si含量的變化會(huì)引起步冷前后曲線的變化。一般Si含量越低，其步冷前后的兩條線越容易重合。從ASMEⅧ-2(2004版)附錄26表26-400.1中可以看到，對(duì)于不同的焊接方法，如SAW和SMAW，其對(duì)焊縫化學(xué)成分的要求除了Si不同外，對(duì)其它的化學(xué)成分的要求是相同的，見表2。在進(jìn)行埋弧自動(dòng)(SAW)焊接方法的試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在其它元素變化范圍不大的情況下，其步冷曲線和－30℃沖擊功也將隨著Si元素的變化而發(fā)生明顯的波動(dòng)，而且變化規(guī)律與SMAW焊接方法中焊縫金屬的變化規(guī)律類似，同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)Si含量較低時(shí)容易出現(xiàn)曲線倒轉(zhuǎn)的情況。

表1 不同批號(hào)的CMA-106HD熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chem ical compositions of different lots of CMA-106HD welding deposited metal(mass fraction，%)

表2 ASM E標(biāo)準(zhǔn)中SMAW和SAW焊接方法焊接2.25Cr-1M o-0.25V鋼對(duì)焊縫化學(xué)成分的要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chem ical com position requirements of electrode for 2.25Cr-1M o-0.25V welded by SMAW and SAW in ASME code(mass fraction，%)

圖1 3#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 1 Weld step-cooling curve of the No.3 electrodes

圖2 4#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 2 Weld step-cooling curve of the No.4 electrodes

2 加V鋼焊條中Si含量對(duì)焊縫成型的影響

圖3 1#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 3 Weld step-cooling curve of the No.1 electrodes

圖4 2#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 4 Weld step-cooling curve of the No.2 electrodes

CMA-106HD耐熱鋼低氫型焊條屬于堿性焊條。在焊接過程中發(fā)現(xiàn)，藥皮中含Si量高的焊條，焊接熔池的流動(dòng)性較好，渣的粘度較小，焊接時(shí)飛濺較小，焊縫表面成型美觀。相反，當(dāng)采用Si含量較低的焊條時(shí)，發(fā)現(xiàn)其焊接過程中熔池的粘度較大，焊接時(shí)熔渣不容易逸出，熔池中的熔渣不斷涌向焊接方向而影響焊接操作人員對(duì)熔池的觀察，同時(shí)其焊接過程中出現(xiàn)的飛濺高于含Si量高的焊條，焊縫表面成型也較差。其原因可能是在堿性焊條中存在一定量的高熔點(diǎn)堿性氧化物，如CaO，另外，為了滿足焊條的工藝性，在焊條藥皮中加入了一定含量的SiO2，或者有相似作用的Si化合物。資料表明［5］，在焊條電弧焊的熔池中，當(dāng)SiO2與CaO滿足CaO/SiO2=1.87時(shí)，會(huì)形成正硅酸鹽(CaO)2·SiO2，此時(shí)渣中的Si-O離子主要以小尺寸SiO44－形式存在，熔池渣的粘度較小。對(duì)于Si含量低的焊條，其熔池渣系中可能存在一定量的CaO，這些CaO形成以未熔化的固體顆粒，從而增大了渣的流動(dòng)阻力，使粘度升高而導(dǎo)致焊接過程中不時(shí)出現(xiàn)瞬間爆弧的現(xiàn)象，這也是焊條飛濺增大的原因之一。在焊條藥皮中加入一定量的SiO2后，CaO與SiO2非常容易形成低熔點(diǎn)硅酸鹽(如 CaO·SiO2，熔點(diǎn) 1 540℃)［6］，使熔渣粘度下降，從而焊條的工藝性得到了一定的改善。焊條在焊接過程中表現(xiàn)出飛濺小、焊縫成型光滑，但是熔池渣中存在大量Si化合物會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬中Si的含量增加，從而導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能受到一定的影響。

3 焊接參數(shù)對(duì)Si含量的影響

在手工電弧焊的條件下焊條藥皮及焊芯都將經(jīng)歷一個(gè)超高溫的過程，熔滴平均溫度達(dá)2 100～2 200℃ ，熔池溫度達(dá)1 600～2 000℃。在這樣的高溫條件下，熔池將發(fā)生一系列高溫冶金反應(yīng)，其焊條藥皮堿度的組成成分，如硅鐵、錳鐵以及渣中FeO都將影響熔敷金屬中的含硅量［7］。但是在某一種焊條生產(chǎn)工序完成時(shí)，其中的各種成分就相對(duì)穩(wěn)定了，這時(shí)只能通過焊接參數(shù)來實(shí)現(xiàn)熔敷金屬中Si含量的微弱調(diào)整。在焊條使用的過程中，分析焊接工藝參數(shù)與Si還原反應(yīng)的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)熔敷金屬中的含Si量隨著電壓的增加和電流的減少而增加。增加焊接電流，降低熔滴過渡頻率，氧化反應(yīng)的時(shí)間變短，Si的氧化損失減少，熔池中Si的含量也相應(yīng)減少;反之，增加電弧電壓，氧化反應(yīng)的時(shí)間增長(zhǎng)，Si的損失率增加，熔池中含 Si量也相應(yīng)增大［5］。

因此，若采用常規(guī)參數(shù)和常規(guī)的操作方法獲得的熔敷金屬中Si的含量較高時(shí)，可以采用增加焊接電流和降低焊接電壓來減少Si含量。電流可以調(diào)整為180 A～190 A，操作中應(yīng)注意控制電弧長(zhǎng)度，易采用短電弧進(jìn)行焊接來實(shí)現(xiàn)低的焊接電壓，這樣可以減少Si的氧化時(shí)間，使藥皮中少量的Si氧化到熔敷金屬中，從而在一定程度上提高焊縫的沖擊韌性。同時(shí)由于渣系反應(yīng)中Si的含量較高，其焊縫的外觀成型非常美觀，即時(shí)使用短電弧進(jìn)行焊接也不容易出現(xiàn)大的飛濺。在坡口的焊接過程中可以減少坡口邊緣的停留時(shí)間，因?yàn)榇蟮碾娏骺梢允蛊驴谶吘壿^好的熔合，不容易形成咬邊。相反，采用常規(guī)參數(shù)和常規(guī)的操作方法獲得的熔敷金屬中Si的含量較低時(shí)，可以采用降低焊接電流和增加焊接電壓來增加Si的含量。焊接電流可以調(diào)整為(155～160)A，因?yàn)殡娏鬟^大可能會(huì)導(dǎo)致焊縫成型差。在操作過程中可以使焊條角度適當(dāng)變化，以便于推動(dòng)粘度較大的熔池流動(dòng)，使熔池不會(huì)過多地涌向焊接方向。同時(shí)在焊接工件坡口兩邊時(shí)，需要延長(zhǎng)停留時(shí)間，以使坡口邊緣較好地熔合。通常Si含量較低時(shí)，其焊條的工藝性相對(duì)要差一些，焊縫外觀成型效果也要差一些。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)Si含量過低時(shí)，該焊條的工藝性通常不能較好地滿足焊接的要求，這與其它元素的匹配也有一定的關(guān)系。

4 關(guān)于Si含量的討論

在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，不同的焊接工藝對(duì)其焊縫熔敷金屬中Si含量的控制也是不同的。而對(duì)于相同的母材，筆者認(rèn)為只要焊條的工藝性能夠滿足要求，SMAW方法中對(duì)Si含量就不應(yīng)該進(jìn)行下限值的限制，可以由大于0.20%調(diào)整為0.05% ～0.50%。這是ASME標(biāo)準(zhǔn)中采用SAW工藝焊接時(shí)對(duì)熔敷金屬的要求。這樣，在使用2.25Cr-1Mo-V鋼系列的焊條時(shí)，可以不必過多考慮熔敷金屬對(duì)Si下限值的要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)某批焊條藥皮中含Si量較低時(shí)，只要綜合性能滿足要求，在產(chǎn)品的焊接過程中就不需要通過一些特殊手段來控制Si含量必須大于0.20%。

5 結(jié)論

(1)在采用CMA-106H焊條焊接工件時(shí)，在其它成分相對(duì)穩(wěn)定的情況下，當(dāng)熔敷金屬中Si的含量較低時(shí)，其－30℃沖擊韌性值較高。Si含量在0.20% ～0.22%時(shí)，焊條的步冷數(shù)據(jù)優(yōu)于Si含量在0.26% ～0.27%時(shí)的焊條的步冷數(shù)據(jù)，但工藝性要差一些;

(2)通過對(duì)不同批號(hào)的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條的試驗(yàn)，筆者認(rèn)為在不影響焊條綜合性能的前提下，其熔敷金屬中 Si的含量可以低于ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Si的要求值0.20%;

(3)焊接參數(shù)對(duì)熔敷金屬中Si的含量有一定的影響。對(duì)于不同批號(hào)的焊條可以采用不同的焊接工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)熔敷金屬中Si的含量，從而在一定程度上改善熔敷金屬的性能。

［1］Evans G .M.Effects of silicon on themicrostructure and properties of C-Mn all weld metal deposits［J］.Metal Construction，1986(7):P438，P444.

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［3］И..帕豪德涅著.焊縫中的氣體［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1977.256.

［4］張幼德.Cr-Mo鋼的焊接性和回火脆性分析.化工設(shè)備與管道，2002.5.

［5］ 張文鉞主編.焊接冶金學(xué)(基本原理).天津大學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，1997(10):12，29.

［6］董若瑾編.冶金原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［7］熊征，陳德斌，桂赤斌.堿性焊條中硅的過渡行為研究.武漢:海軍工程大學(xué).

編輯 杜 敏

Effect of Si Element in Cr-Mo-V Electrodes on Weld Characteristics and Process Properties

Liu Yinghu，Ye Xiaosong，Guan Hongliang，Zheng Qiang

Aiming to improve low temperature impact performance of electrode depositedmetal forwelding 2.25Cr-1Mo-0.25V by SMAW and specify －30℃ low temperature impact performance as well as step-cooling temper brittleness of deposited metal and meanwhile master operational property of the electrode，taking CMA-106HD electrode as example，test and analysis have been conducted on several lots ofweldingmaterial by various of operationalmanners in the process of welding，furthermore welding procedure has been qualified regarding to the same Cr-Mo-V sheet specimen of various thicknesses by applying these electrodes.Through chemical composition analysis and step-cooling testof weld deposited metal，influence of Si content varying in weld on weld low temperature impact has been researched in order to analyze electrode performance.The result showed that Si content in depositedmetal could be controlled by applying specialwelding parameter and operationalmethod for electrodes of Si content differentia to improve integrated properties ofweld metal.

CMA-106HD welding electrode;weld;performance;technical parameter

TG422.1;TG444+.1

A

2013—11—15

劉應(yīng)虎(1974—)，男，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事焊接試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定工作。