關于低合金強度鋼埋弧焊接焊絲

摘要：本文以NB/T47015（JB4709）標準中Q345R（16Mn）鋼埋弧焊推薦的焊絲-焊劑為例，通過試驗的方法，分析了不同的焊絲—焊劑匹配對焊縫金屬裂紋敏感性和沖擊韌性的影響，用教學試驗的形式進行低合金強度鋼制壓力容器埋弧焊焊絲-焊劑組合選擇的教學。

關鍵詞：焊絲 ?焊劑 ?匹配 ?韌性 ?教學試驗

1 概述

NB/T47015（JB4709）《壓力容器焊接規(guī)程》對常用鋼號給出了推薦選用的焊接材料。其中，對于Q345R（16Mn）鋼埋弧焊給出的推薦焊絲是H10MnSi、H10Mn2（GB/T14957），焊劑是HJ431、HJ350、SJ101（GB/T5293），標準并未給出具體的焊絲-焊劑匹配。因此在教學實習中，許多學生依據標準選擇焊材時存在著較大的盲目性，隨意將2種焊接材料進行組合使用，多次出現焊縫金屬出現裂紋、沖擊韌性不合格等現象。

本研究從焊接冶金的角度探討了裂紋產生和沖擊韌性降低的機理，為學生選擇焊接材料提供了直觀有效的試驗依據和工程經驗。在試驗過程中，學生們的學習熱情十分高漲，都很喜歡這樣的形式。

2 試驗

2.1 焊接坡口

焊接試件采用Q345R鋼板（GB713—2008），厚度為56mm。

坡口及尺寸如圖1（焊接試板坡口圖）所示。

2.2 焊接材料匹配

按NB/T4709-2000（JB4709）推薦的焊接材料，試驗選用2種不同的焊絲H10MnSi、H10Mn2和3種不同的焊劑HJ431、焊劑HJ350、焊劑SJ101分別匹配，分成6組進行對比試驗，如表1所示。試驗用母材和焊絲如表2所示。

■

■

2.3 焊接工藝

每組試板均采用相同工藝參數。根據NB/T47015-2011規(guī)定：焊劑須烘烤250℃，保溫2小時。試板焊前預熱溫度≥150℃，層間溫度≤300℃。具體焊接參數如表3所示。試板焊后進行去應力退火，退火工藝為加熱到610±10℃，保溫2.5小時，緩慢冷卻。

表3 ?焊接工藝參數

■

2.4 檢驗試驗項目

①焊縫金屬化學成分分析;

②焊接接頭力學性能試驗（拉伸、側彎、維氏硬度以及0℃和-20℃焊縫金屬沖擊試驗）;

③焊縫金屬金相組織。

表4 ?焊縫金屬化學成分（w）%

■

3 試驗結果

3.1 化學成分

6組試件的焊縫金屬的化學成分如表5所示。由表2可以看出，母材Q345R的化學成分滿足GB713-2008的要求，C、S、P含量均低于標準的要求，同時Si含量為0.35，可以看出原材料雜質含量不高。6組不同焊絲-焊劑匹配焊接的焊縫金屬中C、S、P等元素的含量變化不大，但是Mn、Si含量卻有一定的變化，相應的Mn/Si值也有較大的變化，如圖2（6組焊縫金屬中Mn、Si百分量及Mn/Si值的變化圖）所示。

■

用焊絲H10Mn2配焊劑HJ350進行埋弧焊時，焊縫金屬中Mn含量為1.24%、Si為0.284%，Mn/Si為4.37，是6組焊接接頭化學成份中Mn/Si的最大者;用焊絲H10MnSi配焊劑SJ101進行埋弧焊時，焊縫金屬中Mn含量為1.23%、Si為0.997%，Mn/Si為1.23，是6組焊接接頭化學成份中Mn/Si的最小者。用焊絲H10Mn2配焊劑SJ101進行埋弧焊時，焊縫金屬中Mn含量為1.40%，是6組焊接接頭化學成份中含Mn量最大者;用焊絲H10MnSi配焊劑SJ101進行埋弧焊時，焊縫金屬中Si含量為0.997%，為6組焊接接頭化學成份中含Si量最大者。由表5對比可得，在同種焊絲條件下，3種焊劑參與焊接所得焊縫中Mn、Si含量以及Mn、Si總含量的大小依次為：焊劑SJ101、焊劑HJ431、焊劑HJ350;在同種焊劑條件下，2種焊絲參與焊接所得焊縫中Mn、Si總含量的大小依次為：H10MnSi、H10Mn2。

3.2 力學性能

在6組試樣中，用焊絲H10MnSi和焊劑SJ101匹配焊接的第3組試樣，抗拉強度為514MPa，是6組焊接接頭的抗拉強度的最大值，同時該接頭的維氏硬度為162，是6組接頭硬度的最大者;而其低溫沖擊韌性在6組焊接接頭中是最差的，-20℃時的沖擊功平均值為72J。第6組試樣為焊絲H10Mn2和堿性焊劑SJ101匹配焊接的，其-20℃時沖擊功平均值達到142.3J，是用同種焊劑SJ101與焊絲H10MnSi匹配焊接的第1組焊接接頭低溫沖擊功的2倍多，是6組不同焊絲和焊劑匹配的焊接接頭中低溫沖擊韌性最優(yōu)者。同時該組接頭的抗拉強度為505MPa，在6組接頭中僅次于第3組接頭的強度?？傊煤附zH10Mn2和堿性焊劑SJ101匹配焊接的接頭具有良好的綜合機械性能。

4 結論

通過上述教學實驗，教師和學生可得到如下結論：

①在相同焊接工藝條件下，不同的焊絲-焊劑匹配將獲得不同的焊縫金屬性能：抗拉強度大小與焊縫中的Mn、Si的總含量近似成線性關系;維氏硬度與焊縫中的Si含量成近似正比關系;當Mn/Si值處于2.4左右時，焊縫低溫沖擊韌性最大;對于同種焊劑，焊縫低溫沖擊韌性大小依次為：H10Mn2、H10MnSi。對于H10Mn2焊絲，焊縫低溫沖擊韌性的大小依次為：焊劑SJ101、焊劑HJ350、焊劑HJ431。

②H10Mn2-HJ431組合是Q345R（16Mn）鋼最常用的焊接材料;對低溫沖擊韌性和裂紋敏感性有要求時，選用H10Mn2-SJ101組合可獲得良好的綜合機械性能。

③焊接冶金過程中極易出現焊劑向焊縫金屬滲Si現象，致使Si含量增高，增加焊縫金屬的裂紋敏感性，降低韌性，這是焊絲-焊劑組合選擇中必須考慮的。

④埋弧焊時，母材、焊絲和焊劑間發(fā)生復雜的冶金化學反應，焊縫金屬化學成份和組織將取決于這三者的綜合作用結果。焊絲和焊劑的組合，在焊接材料選擇中必須同時考慮，不可分割。NB/T47015（JB4709）標準中雖然給出了焊接材料選擇的建議，但在正式焊接前還是必須進行焊絲-焊劑的匹配試驗，根據匹配試驗的結果選擇合適的焊絲-焊劑組合。

參考文獻：

[1]陳延清.X80高鋼級管線鋼埋弧焊絲的研究[D].天津大學，2010.

[2]陳延清，杜則裕，許良紅，牛輝.高韌性X80管線鋼埋弧焊焊絲的研制[J].焊接技術，2010（06）.

[3]栗卓新，張莉，李國棟，李虹.低合金耐熱鋼焊接材料及接頭性能的現狀及發(fā)展趨勢[J].新技術新工藝，2007（05）.

作者簡介：李歆怡（1983-），女，福建福州人，助理講師，研究方向：液壓、焊接。