690MPa級(jí)金屬粉芯型無縫藥芯焊絲的研制

張曉 馮兆龍 郭純 曾志偉

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，目前在低溫條件服役的焊縫金屬要求具有良好的低溫沖擊韌性，屈服強(qiáng)度＞690MPa的鋼種已在相應(yīng)工程中應(yīng)用，這就要求配套的藥芯焊絲需要滿足與之相應(yīng)的強(qiáng)度及韌性。金屬粉芯藥芯焊絲近年來獲得了較大發(fā)展，但對(duì)于高強(qiáng)鋼焊接而言，采用普通的有縫藥芯焊絲抗吸潮能力差，擴(kuò)散氫很難控制在H3（3mL/100g）以下，給生產(chǎn)過程帶來一定困難。因此我公司組織開發(fā)了屈服強(qiáng)度690MPa級(jí)金屬粉芯型無縫藥芯焊絲。

1. 生產(chǎn)流程

傳統(tǒng)的藥芯焊絲一般為有縫的，鋼帶通過預(yù)成形、加粉、合口及減徑等，從而成為最終的產(chǎn)品。我單位自主研發(fā)的無縫藥芯焊絲采用在線填粉焊合的方式加工制造，通過焊合使焊絲成為一個(gè)完整的填充藥粉的無縫管，然后退火拉絲，整個(gè)制造過程自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)穩(wěn)定效率高，主要生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

無縫藥芯焊絲特殊的制造工藝使得它與有縫藥芯焊絲對(duì)比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 抗吸潮性能好，即使長(zhǎng)期存放在潮濕環(huán)境下，使用前也無需烘干。②擴(kuò)散氫含量＜3mL/100g。③焊絲表面鍍銅層提高了焊絲的導(dǎo)電性。④形狀均勻、剛性好，送絲穩(wěn)定，可用于雙絲焊送絲。⑤無縫藥芯焊絲送絲過程中不產(chǎn)生扭曲，適用于機(jī)器人焊接。

圖 1 無縫藥芯焊絲生產(chǎn)工藝流程

2. 超低的擴(kuò)散氫含量

我公司SRSF690M無縫藥芯焊絲在正常放置半年后，測(cè)試的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量如表1所示。擴(kuò)散氫測(cè)試采用氣相色譜法，環(huán)境溫度和濕度：20℃×60%RH，焊接電源為DC反接，焊接電流240A，電弧電壓27V，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

表 1

3. 改善焊接電弧穩(wěn)定性

金屬粉芯藥芯焊絲兼具藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲的優(yōu)點(diǎn)，熔敷效率高，同時(shí)焊縫表面無掛渣、飛濺小。通過調(diào)整配方中穩(wěn)弧造渣材料，改善焊接工藝性。焊絲在配方設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化了Na2O、K2O、LiF及Na2SiF等易電離穩(wěn)弧物質(zhì)在配方中的比例，使得焊絲在較為寬泛的電流電壓范圍內(nèi)能達(dá)到噴射過渡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基本無飛濺焊接，大大降低了焊后打磨需求。

金屬粉芯無縫藥芯焊絲熔滴過渡基本為小顆粒噴射過渡。

4. 改善熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量

由于氧對(duì)焊縫組織性能有較大影響，所以一般藥芯焊絲配方通常填加Al、Mg、Ti及稀土等強(qiáng)脫氧元素，但過渡的脫氧會(huì)惡化焊接工藝性。無縫藥芯焊絲的優(yōu)勢(shì)是可以添加CaSi等強(qiáng)還原元素，達(dá)到獨(dú)特的脫氧效果，在保證工藝性的同時(shí)，提高焊縫的沖擊吸收能量。

本文通過調(diào)整CaSi在焊材配方中的比例，獲得兩種不同含氧量的熔敷金屬組織（見圖2）。由圖2可看出：低含氧量焊絲熔敷金屬組織以粒狀貝氏體為主，同時(shí)存在少量的針狀和塊狀鐵素體，無規(guī)則分布于粒狀貝氏體之間（見圖2a）。粒狀貝氏體組織較粗，鐵素體基體呈塊狀，尺寸較大，M-A島呈顆粒狀，彌散分布于鐵素體基體上。高含氧量焊絲熔敷金屬組織以針狀鐵素體為主，針狀鐵素體尺寸較細(xì)小，呈短棒狀，尺寸各異，長(zhǎng)度大多在10μm以下，寬度在1μm左右。針狀鐵素體之間相互交錯(cuò)，取向隨機(jī)，相鄰鐵素體呈大角度晶界（見圖2b）。針狀鐵素體之間分布著一些粒狀貝氏體，由于被局限于狹小空間生長(zhǎng)，粒狀貝氏體尺寸較為細(xì)小，呈塊狀。

不同氧含量的熔敷金屬組織都主要由針狀鐵素體和貝氏體組成，組織之間的差異主要表現(xiàn)為針狀鐵素體和貝氏體在不同氧含量的熔敷金屬中所占比例不同，和不同組織之間針狀鐵素體的尺寸、長(zhǎng)寬比以及貝氏體的基體形態(tài)和碳化物分布不同。

5. 焊絲力學(xué)性能測(cè)試

為考察所研制金屬粉芯型無縫藥芯焊絲的力學(xué)性能，選用SRSF690M 作為試驗(yàn)焊絲，板材為屈服強(qiáng)度＞690MPa的TMCP 鋼板，厚度為20mm 。焊接參數(shù)如表2所示，熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3、表4所示。對(duì)接接頭力學(xué)性能如表5所示

表2 焊接參數(shù)

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 熔敷金屬力學(xué)性能測(cè)試

表5 對(duì)接接頭力學(xué)性能測(cè)試

圖2 不同含量氧的熔敷金屬組織

6. 結(jié)語

我公司所研制的金屬粉芯型無縫藥芯焊絲SRSF690M（E110CK4—H4），經(jīng)檢測(cè)，力學(xué)性能穩(wěn)定，工藝性能優(yōu)良，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有良好的綜合性能。