管線鋼用自保護(hù)藥芯焊絲低溫沖擊韌性

朱珍彪，姚潤鋼，郭 純

(洛陽雙瑞特種合金材料有限公司，河南 洛陽 471003)

管線鋼用自保護(hù)藥芯焊絲低溫沖擊韌性

朱珍彪，姚潤鋼，郭 純

(洛陽雙瑞特種合金材料有限公司，河南 洛陽 471003)

以BaF2-Fe2O3-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲為研究對象，通過沖擊韌性試驗(yàn)，研究了殘余Al、N及O質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊絲熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響。借助金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等儀器，對熔敷金屬及其夾雜物顯微組織進(jìn)行了觀察分析。分析結(jié)果表明：焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性隨著殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，熔敷金屬夾雜物以圓形的Al2O3為主，焊縫心部為細(xì)小的粒狀貝氏體組織，低溫沖擊韌性較高。殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，熔敷金屬夾雜物以不規(guī)則多邊形AlN為主，焊縫心部為粒狀貝氏體和少量塊狀鐵素體，低溫沖擊韌性較低。同時(shí)，合理控制焊絲中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可有效提高熔敷金屬的低溫沖擊韌性。

自保護(hù)藥芯焊絲；殘余鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)；微量元素；低溫韌性

0 引言

自保護(hù)藥芯焊絲是一種新型焊接材料，無需外加保護(hù)措施即可施焊，由于其焊接設(shè)備簡便及抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于油氣管線、橋梁建筑和海洋平臺等領(lǐng)域[1]。低溫沖擊韌性是評價(jià)熔敷金屬力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)，其高低反映了所開發(fā)焊材藥芯成分以及合金化體系的合理與否[2]。對于高強(qiáng)度級管線鋼尤其是X80管線鋼，自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊縫低溫沖擊韌性離散性大，且部分低溫沖擊吸收能量低于相應(yīng)驗(yàn)收指標(biāo)的問題逐漸顯現(xiàn)。自保護(hù)藥芯焊絲低溫沖擊韌性的研究，目前主要集中在兩個方向：選擇有利的低溫沖擊韌性渣系；保留焊絲的特征渣系以及相對特殊的合金化體系，以獲得殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的熔敷金屬[3]。

如何獲得優(yōu)良的低溫沖擊韌性是自保護(hù)藥芯焊絲研究的關(guān)鍵。針對自保護(hù)藥芯焊絲低溫沖擊離散性分散大的問題，為改善自保護(hù)藥芯焊絲的焊接工藝性能及低溫沖擊韌性，本文基于強(qiáng)堿性渣系的設(shè)計(jì)理念[4]，以BaF2-Fe2O3-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲為研究對象，通過低溫沖擊韌性試驗(yàn)，分析了殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響。并借助金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等手段，對熔敷金屬及其夾雜物顯微組織進(jìn)行了觀察分析，揭示了各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工藝性能和低溫沖擊韌性的影響規(guī)律，可為改善自保護(hù)藥芯焊絲的質(zhì)量提供理論依據(jù)和工程應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)

1.1 焊絲制造

采用藥芯焊絲試制生產(chǎn)線制造焊絲。焊絲直徑為Φ2.0 mm，其制造工藝流程如下：鋼帶輸送→丙酮清洗→烘干→經(jīng)軋輥將鋼帶軋制成U形槽→添加藥芯粉→軋輥將U形槽閉合成管狀→多級拉拔→成品焊絲等工序。試制焊絲所用鋼帶規(guī)格為0.6 mm×12 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋼帶的化學(xué)成分 %

焊絲直徑為Φ2.0 mm，藥芯填充率為(22.5±0.3)%。為保證焊絲的表面質(zhì)量，軋制前要求鋼帶無明顯劃傷，無銹跡，無嚴(yán)重折彎、扭曲。粉芯原材料為BaF2、Fe2O3、Al-Mg、CeO2、LiF、Li2CO3和SiO2等。

1.2 焊接設(shè)備及試驗(yàn)方法

焊接設(shè)備采用Lincoln DC-400型焊接電源，匹配LN-23P型送絲機(jī)，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

-30 ℃低溫沖擊韌性試驗(yàn)在ZBC2302-B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，Charpy-V沖擊試樣按GB/T 2650—2008要求進(jìn)行取樣。采用Leica DMI5000M型金相顯微鏡和Quanta 650 FEG型掃描電子顯微鏡等設(shè)備對沖擊斷口及夾雜物微觀形貌進(jìn)行觀察分析。Quanta 650 FEG型掃描電子顯微鏡加速電壓為25 kV。

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)選用兩種不同藥芯組分的焊絲(1#和2#)為研究對象，分析了焊縫中不同殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊絲熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響。1#和2#兩種焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3和表4。從表3可以看出：1#焊絲熔敷金屬的殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.650%，2#焊絲熔敷金屬的殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.120%，兩者均屬于高殘余Al合金化體系。Al作為鐵素體形成元素，能縮小奧氏體區(qū)，擴(kuò)大鐵素體區(qū)。在高溫下，殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，在晶界形成的先共析鐵素體較粗大，而針狀鐵索體與較細(xì)小的粒狀貝氏體這兩種組織的比例較少，組織會顯得粗大，對低溫沖擊韌性不利。從表4可以看出：1#焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性為150 J，是2#焊絲熔敷金屬低溫沖擊韌性的兩倍以上，1#焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能優(yōu)于2#焊絲熔敷金屬。

表3 熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表4 熔敷金屬的力學(xué)性能

2.2 殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響

圖1 熔敷金屬殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)與低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

Al元素在自保護(hù)藥芯焊絲中起造渣保護(hù)和脫氧固氮等作用，但是殘留Al對熔敷金屬的低溫沖擊韌性有不利的影響。熔敷金屬殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)與低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出：低溫沖擊韌性隨熔敷金屬中殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，而熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度隨殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。主要原因?yàn)椋轰X鎂合金在熔煉過程中形成夾雜物而殘留在熔敷金屬中，夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，且尺寸較大，對位錯運(yùn)動的阻力較大[5]，固溶強(qiáng)化作用增大，故熔敷金屬的強(qiáng)度增大。但是Al2O3、AlN等夾雜物為脆性夾雜物，與塑性好的基體金屬差別較大，導(dǎo)致在界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而促使裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致低溫沖擊韌性降低[6]。

2.3 殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔敷金屬顯微組織的影響

圖2為1#和2#焊絲熔敷金屬心部組織的金相顯微形貌。由圖2a可以看出：1#焊絲熔敷金屬顯微組織主要由細(xì)小的粒狀貝氏體和針狀鐵素體構(gòu)成，分布比較均勻，組織細(xì)小。由圖2b可以看出：2#焊絲熔敷金屬顯微組織主要由粒狀貝氏體、少量上貝氏體和少量塊狀鐵素體組成，呈桿狀和條狀，平行排列，聚集現(xiàn)象明顯?？傮w來講，殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的1#焊絲熔敷金屬顯微組織較2#焊絲熔敷金屬更細(xì)小，存在少量針狀鐵素體；而殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的2#焊絲熔敷金屬顯微組織粗大，存在塊狀鐵素體。同時(shí)，粒狀貝氏體中島狀組織的形態(tài)不一，在1#焊絲熔敷金屬中呈細(xì)顆粒分布，焊縫中這種細(xì)小的粒狀貝氏體組織使焊接接頭具有良好的強(qiáng)度和韌度。而2#焊絲熔敷金屬粒狀貝氏體中的島狀組織呈短桿狀，為不連續(xù)的長條狀，在基體中趨于平行分布，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，且發(fā)生明顯粗化，組織均勻性差，在外力作用下對基體的割裂阻礙作用比較明顯，故低溫沖擊韌性低。改善粒狀貝氏體形狀和分布，增加針狀鐵素體數(shù)量是提高焊接接頭綜合性能的有效途徑[7]。

圖2 焊絲熔敷金屬心部組織的金相顯微形貌

2.4 殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔敷金屬沖擊斷口形貌的影響

通過掃描電子顯微鏡對焊絲熔敷金屬沖擊斷口形貌進(jìn)行了觀察分析，如圖3所示。圖3a是1#焊絲熔敷金屬斷裂時(shí)纖維區(qū)產(chǎn)生的撕裂韌窩，屬于韌性斷裂，撕裂韌窩有一定的方向性，呈拋物線形狀，各韌窩大小適中，分布比較均勻。圖3b是1#焊絲熔敷金屬斷裂時(shí)形成的準(zhǔn)解理區(qū)，準(zhǔn)解理平面不明顯，低溫沖擊韌性較好。圖3c是2#焊絲熔敷金屬斷裂時(shí)纖維區(qū)產(chǎn)生的撕裂韌窩，呈等軸狀韌窩形貌，韌窩方向性不明顯。圖3d是2#焊絲熔敷金屬斷裂時(shí)形成的準(zhǔn)解理區(qū)，準(zhǔn)解理面平坦，準(zhǔn)解理臺階少，反映了試樣在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，沒有來得及發(fā)生明顯的撕裂就斷開了，所以2#焊絲熔敷金屬低溫沖擊韌性較差。

圖3 焊絲熔敷金屬沖擊斷口形貌

2.5 夾雜物對熔敷金屬力學(xué)性能的影響

圖4為熔敷金屬夾雜物形貌圖和能譜。用自制的自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行焊接，采用掃描電子顯微鏡及其自帶的能譜儀對焊縫中心熔敷金屬的夾雜物進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)脆性夾雜物為AlN和A12O3，分別如圖4b和圖4d所示。從圖4a和圖4c可以看出：熔敷金屬中AlN夾雜物尺寸在2 μm左右，為具有棱角的多邊形結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，而A12O3夾雜物尺寸在1 μm左右，為圓球形狀。由于夾雜物與熔敷金屬之間變形能力差異較大，在交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。尤其是具有棱角結(jié)構(gòu)的AlN夾雜物，容易在棱角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，降低熔敷金屬低溫沖擊韌性。

(a) AlN夾雜物形貌(b) AlN夾雜物能譜(c) Al2O3夾雜物形貌(d) Al2O3夾雜物能譜

圖4 熔敷金屬夾雜物形貌圖和能譜

文獻(xiàn)[8-9]研究表明：夾雜物尺寸越大，割裂作用越顯著，在基體中產(chǎn)生應(yīng)力集中越嚴(yán)重。首先，在較大的夾雜物以及熔敷金屬集體交界處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋沿夾雜物邊界發(fā)展。當(dāng)殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，則Al更容易與O結(jié)合，生成圓形的Al2O3夾雜物。圓形的Al2O3夾雜物較細(xì)小，對基體的割裂作用較小，從而使得微觀組織細(xì)化，改善焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性和力學(xué)性能。而多邊形的AlN夾雜物尺寸較大，容易在周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能下降。

2.6 微量合金化元素的控制

高殘余鋁合金系焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性與夾雜物特征參數(shù)關(guān)系較大，尺寸為0.4～1.0 μm的夾雜物對低溫沖擊韌性有利，為獲得良好的低溫沖擊韌性，合理控制以下幾種微量合金化元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是非常必要的。

稀土Ce改善熔敷金屬低溫沖擊韌性的途徑[10]主要有：形成新的強(qiáng)化相，強(qiáng)化基體；降低有害雜質(zhì)O、N、H、S等，凈化晶界；細(xì)化晶粒。藥芯組分中的稀土氧化物CeO2經(jīng)冶金反應(yīng)，能夠向焊縫中過渡微量的稀土Ce，改善焊縫的低溫沖擊韌性。

Zr元素作為強(qiáng)氮化物形成元素，在熔池中與殘余N結(jié)合形成穩(wěn)定的ZrN，作為Al的輔助固氮元素。同時(shí)，Zr元素能夠形成強(qiáng)碳化物，與碳元素結(jié)合形成高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)ZrC，阻礙奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒，低溫沖擊韌性得到改善。但Zr元素過多時(shí)，嚴(yán)重影響焊接工藝性，尤其是脫渣性。

為了進(jìn)一步考察高鋁渣系中不同N和O質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊絲熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響，設(shè)計(jì)了1號～8號焊絲配方，其-30 ℃低溫沖擊韌性見表5。從表5可以看出：w(N)>0.030 0%時(shí)，焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性較差；當(dāng)w(N)≤0.030 0%時(shí)，可獲得良好的低溫沖擊韌性。O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍要合理，O質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低或過高均得不到良好的低溫沖擊韌性。通過控制鋁鎂合金、氧化物以及碳酸鹽等化合物在藥芯組分中的范圍，可實(shí)現(xiàn)O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002 0%～0.010 0%，在此范圍內(nèi)，焊絲熔敷金屬的-30 ℃低溫沖擊韌性較為理想。

表5 不同N、O質(zhì)量分?jǐn)?shù)焊絲熔敷金屬的-30 ℃低溫沖擊韌性

3 結(jié)論

殘余Al能夠顯著影響自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性。低溫沖擊韌性隨著殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。殘余Al通過影響焊縫組織、斷口形貌以及夾雜物尺寸，從而影響焊絲熔敷金屬的低溫沖擊韌性。殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，熔敷金屬的夾雜物主要以圓形的Al2O3為主，得到細(xì)小的粒狀貝氏體組織，低溫沖擊韌性較高；殘余Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，熔敷金屬的夾雜物以不規(guī)則多邊形AlN為主，對低溫沖擊韌性不利。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1204520);河南省科技創(chuàng)新杰出人才計(jì)劃基金項(xiàng)目(144200510001);工信部聯(lián)裝基金項(xiàng)目([2013]41號)

朱珍彪(1985-),男,河南洛陽人，工程師,碩士,主要研究方向?yàn)樘胤N焊接材料開發(fā)與工程應(yīng)用.

2016-06-15

1672-6871(2017)02-0006-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.002

TG422.3

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