金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲研制

孔紅雨 郭純 朱官朋 張曉 馮兆龍 張文軍

金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲研制

孔紅雨 郭純 朱官朋 張曉 馮兆龍 張文軍

本文針對(duì)EQ70（E690）高強(qiáng)鋼的焊接，成功開發(fā)出一種金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲。該無縫藥芯焊絲焊接電弧穩(wěn)定、脫渣容易、飛濺小、可全位置焊接，熔敷金屬具有超低的擴(kuò)散氫，力學(xué)性能尤其是低溫沖擊韌性優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了較高的強(qiáng)韌性匹配。可用于船舶制造、海洋工程和機(jī)械工程等領(lǐng)域690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接。焊絲性能滿足AWS A5.29 E111T1—K3C H4要求。

1. 概述

近年來，船舶制造、海洋工程和機(jī)械工程等領(lǐng)域的焊接制造逐步向高性能、高強(qiáng)度方向發(fā)展。高強(qiáng)鋼代替普通鋼已經(jīng)成為各行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。船舶制造、工程機(jī)械、港口機(jī)械及海洋裝備等領(lǐng)域采用高強(qiáng)鋼，一方面可以增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減輕自重，另一方面能夠顯著降低總造價(jià)。但是高強(qiáng)鋼的焊接一直是焊接界不斷探索解決的問題，高強(qiáng)鋼焊接對(duì)焊接接頭的“強(qiáng)韌性匹配”和抗裂性要求越來越高。

國內(nèi)與高強(qiáng)鋼配套的焊接材料較少，大部分依賴國外進(jìn)口。以690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼為例，配套的手工焊條，埋弧焊焊絲、焊劑，氣體保護(hù)焊焊絲（藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲）幾乎全部進(jìn)口奧林康、林肯、伊薩和神鋼等國外廠家的焊材。高強(qiáng)鋼焊接材料的開發(fā)難點(diǎn)在于高強(qiáng)鋼焊接除焊縫強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求外，還要求較高的沖擊韌性和抗裂性，因此要求配套焊接材料強(qiáng)韌性匹配高、擴(kuò)散氫低。

以海洋工程用E690高強(qiáng)鋼為例，焊接材料要求屈服強(qiáng)度＞690MPa，-40℃沖擊功≥69J，擴(kuò)散氫＜5mL/100g。對(duì)于目前海洋工程焊接中用量最大的藥芯焊絲來說，國內(nèi)很少有廠家能滿足此指標(biāo)要求。因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)E690高強(qiáng)鋼藥芯焊絲均為有縫藥芯焊絲，擴(kuò)散氫滿足不了＜5mL/100g的要求，雖然有極少數(shù)廠家聲稱剛生產(chǎn)的藥芯焊絲真空包裝狀態(tài)下可以滿足擴(kuò)散氫＜5mL/100g的要求，但是對(duì)拆封一段時(shí)間后焊絲熔敷金屬擴(kuò)散氫＜5mL/100g的要求無法提供保證。

近年來，歐美日等發(fā)達(dá)國家對(duì)于高強(qiáng)鋼焊接已開始大量使用無縫藥芯焊絲。無縫藥芯焊絲相比于傳統(tǒng)的有縫藥芯焊絲具有突出的優(yōu)點(diǎn)：① 超低擴(kuò)散氫，擴(kuò)散氫含量一般＜4mL/100g，超低的擴(kuò)散氫可以有效降低焊縫金屬的裂紋發(fā)生率，耐氣孔性能高。這是由于無縫藥芯焊絲生產(chǎn)時(shí)可以進(jìn)行高溫脫氫處理，能降低藥芯粉及附著在外皮鋼帶上的水分（氫來源之一）。② 抗吸潮性極強(qiáng)，無縫藥芯焊絲成型以后，由于外皮鋼帶是沒有間隙的無縫結(jié)構(gòu)，焊絲內(nèi)部藥芯粉的吸潮完全不會(huì)發(fā)生，因此無縫藥芯焊絲抗吸潮性極強(qiáng)，甚至長時(shí)間儲(chǔ)存于潮濕環(huán)境中也不需要再次烘干。③ 焊絲表面可以實(shí)施鍍銅處理，因此焊絲送絲性能優(yōu)異，導(dǎo)電嘴磨損量小。鍍銅可提高電流輸送能力，鍍銅后焊絲耐銹性能優(yōu)秀。④ 外皮鋼帶沒有間隙，焊絲斷面形狀均一，剛性好；焊絲使用時(shí)無扭曲變形，送絲性能和焊絲對(duì)準(zhǔn)性優(yōu)異；電弧更加穩(wěn)定，可以用于機(jī)械化程度更高的機(jī)器人（機(jī)械手）全自動(dòng)焊接，可顯著提高焊接效率，節(jié)省綜合成本。

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所洛陽雙瑞特種合金材料有限公司擁有國內(nèi)第一條具

有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無縫藥芯焊絲生產(chǎn)線。在高強(qiáng)鋼配套焊材尤其是藥芯焊絲方面，我公司已開發(fā)出690MPa級(jí)金屬粉芯型無縫藥芯焊絲（牌號(hào)SRSF690M），焊絲焊接工藝性和力學(xué)性能較好，且已通過中國船級(jí)社認(rèn)證。

本文針對(duì)海洋工程用E690高強(qiáng)鋼成功開發(fā)出了一種金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲（牌號(hào)SRSF690R），可以與本公司的金屬粉芯型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲（牌號(hào)SRSF690M）形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲可用于全位置焊接，而金屬粉芯型高強(qiáng)鋼無縫藥芯一般只能用于平、橫焊位置；金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲可采用CO2保護(hù)氣，更適合國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)狀況。而金屬粉芯型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲一般采用混合氣體保護(hù)，成本較高，且國內(nèi)用戶焊接現(xiàn)場一般都為CO2供氣系統(tǒng)。

2. 主要材料及設(shè)備

焊絲外皮采用普通冷軋低碳鋼帶制作。鋼帶清洗后經(jīng)成形機(jī)組軋制成“U”形，在線加入藥芯粉，填充比為(16±0.5)%。加入藥芯粉后的鋼帶軋制成“O”形，再經(jīng)在線焊合、高溫退火、拉細(xì)減徑，焊絲最終產(chǎn)品直徑為1.2mm。鋼帶化學(xué)成分和藥芯粉的主要成分分別如表1和表2所示。

焊接使用Panasonic KRⅡ500型氣保焊機(jī)，按照AWS A5.29標(biāo)準(zhǔn)和G B/T 17493進(jìn)行試板制備與試樣加工，焊接試板選用E690（EQ70），規(guī)格為350mm×150mm×20mm。焊接參數(shù)為：電弧電壓28V，焊接電流260A。根據(jù)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》取樣測(cè)熔敷金屬力學(xué)性能，試驗(yàn)分別在SINTECH20/G拉伸和ZBC2302—B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

取熔敷金屬橫截面做金相試樣，經(jīng)磨光、拋光后，試樣用4%硝酸酒精溶液刻蝕，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用Observer. Z1m金相顯微鏡觀察熔敷金屬顯微組織，用SPECTROLAB 型直讀光譜儀分析熔覆金屬化學(xué)成分。

采用氣相色譜法測(cè)擴(kuò)散氫，測(cè)試4個(gè)試樣取平均值，環(huán)境溫度和濕度為20℃×60%RH。

3. 結(jié)果分析及討論

典型配方熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3和表4所示。力學(xué)性能尤其是低溫沖擊韌性較好，實(shí)現(xiàn)了較高的強(qiáng)韌性匹配。熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》標(biāo)準(zhǔn)中E761T1—K3C H5的要求，同時(shí)滿足AWS A5.29 /A5.29M—2005中E111T1—K3C H4的要求。熔敷金屬的力學(xué)性能結(jié)果說明研制的金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲具有較好的力學(xué)性能。

研制的金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬的金相組織照片如附圖所示。熔敷金屬的金相組織主要為先共析鐵素體+針狀鐵素體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體回火組織。

熔敷金屬的金相組織 （500×）

金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲擴(kuò)散氫含量如表5所示。從表5

可看出，研制的無縫藥芯焊絲具有超低的擴(kuò)散氫，經(jīng)氣相色譜法檢測(cè)，擴(kuò)散氫含量為2.60 mL/100g（＜H4），超低的擴(kuò)散氫有利于高強(qiáng)鋼焊接時(shí)減少冷裂紋的發(fā)生。

表1 鋼帶的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊絲藥芯主要組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表4 金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

表5 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量

船舶制造、海洋工程和機(jī)械工程等高技術(shù)領(lǐng)域焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，更重要的是考察焊接接頭的整體性能。本文考察了研制的金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲焊接接頭的整體性能。研制的金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表6所示。從表6可看出，研制的SRSF690R金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強(qiáng)鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度＞760MPa，且斷裂位置在母材上，焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)的-40℃沖擊吸收能量都＞69J的指標(biāo)要求，冷彎合格。通過試驗(yàn)證明，研制的金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強(qiáng)鋼焊接接頭整體性能滿足現(xiàn)有指標(biāo)要求，可用于EQ70高強(qiáng)鋼焊接使用。

4. 結(jié)語

研制了一種金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲可用于690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接，焊接電弧穩(wěn)定、脫渣容易、飛濺小、可全位置焊接，熔敷金屬具有超低的擴(kuò)散氫，力學(xué)性能尤其是低溫沖擊韌性優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了較高的強(qiáng)韌性匹配?？捎糜诖爸圃臁⒑Ｑ蠊こ毯蜋C(jī)械制造等領(lǐng)域690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接。

[1] 隋永莉.Q690高強(qiáng)鋼厚板MAG焊接工藝[J]. 電焊機(jī)，2015（45）：123-126.

[2] 郭純，孔紅雨，范會(huì)卿，等.無縫藥芯焊絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)[J]. 金屬加工，2014（20）：24-27.

[3] 張曉，馮兆龍，郭純，等. 690MPa級(jí)金屬粉芯型[J]. 金屬加工，2015（6）：29-30.

表6 金紅石型高強(qiáng)鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強(qiáng)鋼對(duì)接接頭力學(xué)性能

孔紅雨等，中船重工七二五所洛陽雙瑞特種合金材料有限公司。