低合金耐熱鋼埋弧焊用粘結(jié)焊劑①

夏毅冰，馬昆，何少卿編譯

(1.錦州萬得焊材有限公司，遼寧 錦州121213;2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州121000;3.錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 錦州121000)

1 發(fā)明概述

埋弧焊是高效焊接方法，適用于各種大型焊接結(jié)構(gòu)的制造，尤其是大型壓力容器的石油精煉反應(yīng)裝置的制造。這種石油精煉反應(yīng)裝置的材料一般為低合金耐熱鋼。為了提高低合金耐熱鋼熔敷金屬的抗回火脆性，進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明，降低母材和熔敷金屬中的雜質(zhì)，特別是P含量，具有提高抗熔敷金屬回火脆性的效果。

為了滿足石油精煉反應(yīng)裝置的工作條件向高溫、高壓化發(fā)展的要求，向母材和熔敷金屬中添加微量的V元素，以提高材料的強(qiáng)度，防止再熱裂紋的產(chǎn)生應(yīng)降低P含量。因此提出了控制焊絲和焊劑中C、Si、Mn、P和O的含量，減少P 向熔敷金屬中過渡的埋弧焊方法(特開平6－328292號公報(bào))。即:設(shè)焊絲和焊劑中的化學(xué)成分含量X 為[X]，則按式(1)算出的Ps在3.50%～5.50%范圍，來控制C、Si、Mn、P 和O含量，可以提高抗回火脆性和抗再熱裂紋性能。

隨著反應(yīng)裝置板厚的增加，主要使用能夠獲得抗冷裂紋性優(yōu)良和擴(kuò)散氫含量低的熔敷金屬的粘結(jié)焊劑進(jìn)行埋弧焊，以滿足大型壓力容器的石油精煉反應(yīng)裝置制造的需要。特開平6－328292號公報(bào)中提出了不僅調(diào)整焊絲和焊劑中的P，而且調(diào)整C、Si、Mn 和O含量的方案，但這種方法的成本較高，且必須對焊劑中的原材料進(jìn)行認(rèn)真的研究和探討。

鑒于上述的問題，研究了一種具有良好的焊接工藝性能，而且提高抗再熱裂紋和回火脆性的低合金耐熱鋼埋弧焊用粘結(jié)焊劑。

2 發(fā)明的內(nèi)容

發(fā)明的低合金耐熱鋼埋弧焊用粘結(jié)焊劑的特征是使用水玻璃造粒，燒結(jié)制成。含有20%～40%的氧化鎂，氧化鎂的P含量控制在0.025%以下，占焊劑總量的0.015%以下。

粘結(jié)焊劑中氧化鎂的含量最好為25%～35%。經(jīng)過深入的試驗(yàn)研究，發(fā)明者對焊劑中原材料的P 向熔敷金屬中過渡提出了不同見解:認(rèn)為原來使用的粘結(jié)焊劑的各種原材料中，特別是氧化鎂原料是天然的，沒有對原材料中的P含量進(jìn)行控制。發(fā)明控制了氧化鎂中的P含量，降低了P 向熔敷金屬中的過渡。

以下詳細(xì)說明埋弧焊用粘結(jié)焊劑的成分控制理由。

焊劑中的MgO含量20%～40%。氧化鎂具有提高熔渣流動(dòng)性、改善焊道形狀的效果。氧化鎂含量占焊劑總重量小于20%時(shí)，得不到這種效果;超過40%時(shí)，脫渣性降低，同時(shí)電弧不穩(wěn)定。因此焊劑中的氧化鎂含量占焊劑的總量在20%～40%范圍內(nèi)，最好控制在25%～35%之間。

氧化鎂原料中的P≤0.025%。氧化鎂原料中的P含量超過氧化鎂原料總重量的0.025%時(shí)，熔敷金屬的抗回火脆性下降，同時(shí)容易產(chǎn)生再熱裂紋，因此，氧化鎂原料中的P含量占總重量的百分比控制在0.025%以下。作為氧化鎂的原材料可以使用燒結(jié)氧化鎂和橄欖石。

焊劑中的P ≤0.015%。焊劑中P 總量超過0.015%時(shí)，降低熔敷金屬的抗回火脆性，同時(shí)容易產(chǎn)生再熱裂紋，因此，焊劑中P 總量控制在0.015%以內(nèi)。

在發(fā)明的焊劑中，除上述的氧化鎂原料外，還使用氧化硅、氧化鋁和氧化鈦等氧化物、螢石和氟化鋇等金屬氟化物、石灰石和碳酸鋇等金屬碳酸鹽以及脫氧劑等。

3 發(fā)明實(shí)施例

表1是φ4 mm焊絲的化學(xué)成分，表2和表3是焊劑的各種成分。使用這種焊劑和焊絲按表4所示的母材(低合金耐熱鋼)進(jìn)行焊接來評價(jià)焊接工藝性能。焊接規(guī)范如表5所示。

表1 焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 粘結(jié)焊劑中的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 粘結(jié)焊劑中的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表5 焊接規(guī)范

為了評價(jià)熔敷金屬的抗回火脆性和抗再熱裂紋性能，截取試樣，對試樣進(jìn)行評價(jià)。關(guān)于回火脆性，對試樣進(jìn)行步冷處理(促進(jìn)脆化的熱處理)，根據(jù)夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測定ΔVTr55進(jìn)行評價(jià)，ΔVTr55小于25℃時(shí)為良好，所謂ΔVTr55是指步冷后55 J 沖擊吸收功時(shí)的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

圖1是步冷處理?xiàng)l件的示意圖，縱軸為溫度，橫軸為時(shí)間。

如圖1所示，試樣超過300℃時(shí)，以小于50℃/h的溫升速度加熱到593℃后，保溫1 h。然后以5.6℃/h的降溫速度冷卻，在538℃時(shí)保溫15 h，524℃時(shí)保溫24 h，496℃時(shí)保溫60 h。從496℃開始以2.8℃/h的冷卻速度降到468℃，保溫100 h，然后以28℃/h的冷卻速度冷卻到300℃以下。300℃以下時(shí)，溫升和冷卻條件不規(guī)定。

圖1 步冷處理?xiàng)l件的示意圖

關(guān)于再熱裂紋，參照《關(guān)于消除應(yīng)力退火裂紋的研究》(溶接學(xué)會(huì)誌，1964，30(9):71)進(jìn)行評價(jià)環(huán)狀裂紋試驗(yàn)。

如圖2a所示，母材開V形坡口，在V形坡口下面配置與母材化學(xué)成相同的墊板。在熔敷金屬的最后焊道的上面截取帶有缺口和環(huán)狀筒的試樣。圖2c所示的缺口位于熔敷金屬的上方，切口位于熔敷金屬的下面。圓筒形試樣如圖2b所示，長度為20 mm，外徑10 mm，內(nèi)徑5 mm。

如圖2c所示，圓筒的內(nèi)部空洞部分到切口的寬度為0.5 mm，在與切口相對的外周的長度方向切成缺口。圖2c所示缺口5A部分的放大如圖2d所示，深度0.5 mm，寬0.4 mm，底部的曲率半徑為0.2 mm的U形槽。

如圖2e所示，評價(jià)環(huán)狀裂紋試驗(yàn)是對圓形試樣的箭頭所示的方向施加應(yīng)力，試樣4的切口6 使用填充焊材進(jìn)行TIG焊，U形槽的底部產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力而遭受熱處理，評價(jià)U形槽地底部的裂紋有無。

裂紋的評價(jià)結(jié)果見表6。

圖2 試樣截取示意圖

表6 裂紋的評價(jià)結(jié)果

如表1～表6所示，實(shí)施例1～3號，焊劑中含有的氧化鎂材料中的P含量和焊劑中含P 總量在發(fā)明的范圍內(nèi)，焊劑中氧化鎂(MgO)含量也在發(fā)明的范圍內(nèi)，所以具有良好的焊接工藝性能，而且提高了抗回火脆性和抗再熱裂性。

相反，比較例4號焊劑中含P 總量滿足本發(fā)明的范圍，但氧化鎂材料中的P含量超過發(fā)明范圍的上限，抗回火脆性下降，產(chǎn)生再熱裂紋。比較例5號氧化鎂材料的P含量在發(fā)明范圍內(nèi)，而焊劑中含P 總量超過發(fā)明的上限，與比較例4號相同，降低了抗回火脆性，產(chǎn)生再熱裂紋。

比較例6號和7號焊劑中氧化鎂含量不在本發(fā)明范圍內(nèi)，6號焊劑的脫渣性不好，7號焊劑焊道外觀惡化，因此不能進(jìn)行抗回火脆性和再熱裂紋性能試驗(yàn)。

4 發(fā)明的效果

根據(jù)以上的詳細(xì)說明，由于合理控制焊劑中氧化鎂含量，可以獲得優(yōu)良的焊接工藝性能，同時(shí)合理地限制氧化鎂材料中含P 量和焊劑中含P 總量，能夠提高熔敷金屬的抗回火脆性和抗再熱裂紋性能。