LPG船用低溫鋼配套藥芯焊絲的研制

王亞彬，聶建航，張文軍

洛陽(yáng)雙瑞特種合金材料有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

1 序言

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)及工業(yè)的全面發(fā)展，我國(guó)對(duì)液化石油氣（LPG）等能源儲(chǔ)備的需求越來(lái)越明顯。由于這些能源的生產(chǎn)、儲(chǔ)備、運(yùn)輸都采用液化方式，相關(guān)的儲(chǔ)存設(shè)備也在較低溫度下工作，這對(duì)LPG儲(chǔ)罐在低溫下的性能提出了較高的要求。國(guó)內(nèi)各大鋼廠致力于LPG船用碳錳低溫鋼板的研發(fā)，改善了LPG船用低溫碳素鋼大量依賴日本進(jìn)口的局面。在配套焊材方面目前我國(guó)主要依賴進(jìn)口日本、韓國(guó)的焊材。而進(jìn)口焊材成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，在儲(chǔ)罐的建造上有受制于人的風(fēng)險(xiǎn)，因此LPG船用低溫鋼配套焊材的國(guó)產(chǎn)化具有重要意義[1]。

建造LPG船用低溫儲(chǔ)罐常用的焊接材料有焊條電弧焊、埋弧焊及氣體保護(hù)焊等。焊條電弧焊主要依賴手工焊，焊接效率低。埋弧焊適合的焊接位置較少，全位置焊接尤其是儲(chǔ)罐的縱縫焊接受到限制。而藥芯焊絲作為一種氣體保護(hù)焊，其自動(dòng)化程度較高，焊接效率得到極大提高，且焊接工藝性較好的藥芯焊絲可適用全位置焊接。鑒于以上情況，我公司進(jìn)行了E81T1-K2C藥芯焊絲的研制。

2 研制路線

2.1 焊絲的渣系設(shè)計(jì)

根據(jù)焊渣的酸堿度，藥芯焊絲可分為堿性（鈣型）藥芯焊絲、中性（鈣鈦型）藥芯焊絲、酸性（鈦型）藥芯焊絲。堿性渣系藥芯焊絲容易得到氧含量低的純凈焊縫，同時(shí)去S、P雜質(zhì)的能力強(qiáng)，焊縫金屬力學(xué)性能優(yōu)異，但焊接工藝性差。中性藥芯焊絲工藝性優(yōu)于堿性藥芯焊絲，但仍不能滿足該藥芯焊絲全位置焊接的要求。氧化鈦型渣系熔渣流動(dòng)性好，適合全位置焊接。

2.2 焊絲的工藝性改進(jìn)

本次研究主要解決焊縫成形不良及焊接飛濺的問(wèn)題。焊道成形凸起會(huì)導(dǎo)致根部熔合差，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速立向上焊，甚至導(dǎo)致焊道下淌。通過(guò)調(diào)節(jié)焊渣成分，減少焊渣中氧化鎂等高熔點(diǎn)物質(zhì)以及硅酸鹽等低熔點(diǎn)物質(zhì)，縮小焊渣的熔點(diǎn)區(qū)間。

電弧穩(wěn)定性差、焊接飛濺較大的藥芯焊絲操作性較差，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺導(dǎo)致焊接條件惡劣，引起導(dǎo)電嘴堵塞，影響焊接效率。本次研究通過(guò)控制原材料粒度、引入新型的穩(wěn)弧劑以及調(diào)整合金及礦物粉的比例，解決了電弧穩(wěn)定性及飛濺的問(wèn)題。

2.3 力學(xué)性能調(diào)整

液化石油氣的主要成分丙烷的液化溫度在-42℃。寶鋼正在研制的用于配套LPG船用EH40鋼板在-60℃以下的沖擊吸收能量值比較穩(wěn)定，表現(xiàn)出很好的低溫韌性。工程應(yīng)用中要求LPG船用低溫鋼配套藥芯焊絲在-60℃具有較好的低溫韌性。本次研制從以下幾個(gè)方面來(lái)優(yōu)化該焊絲的低溫韌性。

（1）合金系的選擇 該焊絲選擇Mn-Si-Ni作為主要合金系，通過(guò)Si、Mn等合金元素的固溶強(qiáng)化作用提高焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度。Ni固溶在焊縫金屬中可有效降低組織相變溫度，減小針狀鐵素體尺寸，提高焊縫金屬低溫沖擊韌度。在焊縫金屬中Mn含量較低的情況下，添加適量的Ni可以減少馬奧組元（M-A）的產(chǎn)生。如果Mn含量較高時(shí)，增加的Ni反而容易促進(jìn)M-A組元的產(chǎn)生，為了保證焊縫金屬的強(qiáng)韌性，需選擇合適的Mn含量與Ni含量。

（2）氧含量的控制 根據(jù)觀察焊縫的顯微組織，焊縫中的氧以氧化物夾雜的形式存在，焊縫中較多的氧化物夾渣不能夠促進(jìn)晶粒細(xì)化，反而會(huì)成為裂紋的起點(diǎn)，從而引起韌性降低[2]。本次研究采用鎂粉及鋁鎂合金共同脫氧。Mg、Al作為前期脫氧劑，脫氧能力較強(qiáng)，通過(guò)對(duì)配方中鎂粉及鋁鎂合金的合理配比，能夠顯著降低焊縫中的氧含量。

（3）采用鈦-硼系增加韌性 研究表明，Ti可保護(hù)B不被氧化，由于B的原子半徑較小，可作為原子狀態(tài)偏聚于晶界，從而降低界面能，改善焊縫的低溫韌性[3]。

2.4 熔敷金屬擴(kuò)散氫的控制

藥芯焊絲藥粉易吸潮的特點(diǎn)導(dǎo)致了高擴(kuò)散氫。高擴(kuò)散氫在焊縫中聚集形成冷裂紋、氫氣孔和白點(diǎn)等缺陷，在焊接生產(chǎn)中產(chǎn)生極大危害。本次研究對(duì)藥粉的含水量及吸潮性進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)對(duì)藥粉進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，將擴(kuò)散氫控制在較低水平。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接工藝性

對(duì)規(guī)格為φ1.2mm的藥芯焊絲進(jìn)行了立向上焊角焊縫、平焊角焊縫，兩種位置的工藝性試驗(yàn)。該焊絲的焊接電弧穩(wěn)定，飛濺較小，角焊縫成形平整，如圖1所示。采用漢諾威分析儀對(duì)該藥芯焊絲進(jìn)行焊接過(guò)程中的參數(shù)統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖2），得知電弧電壓、焊接電流的波形密集，熔滴短路次數(shù)均勻，表明該焊接電弧穩(wěn)定性較好。

圖1 焊縫成形

圖2 藥芯焊絲電弧電壓、焊接電流波形圖

3.2 力學(xué)性能

（1）熔敷金屬力學(xué)性能及化學(xué)成分 試板裝備及取樣位置按照GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》進(jìn)行，沖擊試樣尺寸、加工要求及試驗(yàn)方法按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。焊接設(shè)備為松下KRⅡ-500CO2焊機(jī)，沖擊性能檢測(cè)在ZBC2302-B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。取熔敷金屬的橫截面做金相試樣，在全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀上做化學(xué)成分分析。

調(diào)整配方中Mn、Ni的配比，同時(shí)保證其他元素含量不變，得到的熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1及表2。第1組中，熔敷金屬的Mn、Ni含量均較高，生成M-A組元，焊縫的強(qiáng)度過(guò)高，沖擊下降；第2組的Mn含量較低，導(dǎo)致焊縫脫氧不足，沖擊吸收能量離散性較大。調(diào)整合理的熔敷金屬成分，在-60℃的低溫下得到比較優(yōu)異的力學(xué)性能。

表1 熔敷金屬成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 熔敷金屬力學(xué)性能

（2）對(duì)接接頭力學(xué)性能 對(duì)接接頭是該藥芯焊絲的焊縫金屬在工程應(yīng)用中的實(shí)際服役狀態(tài)，是工程中考核的要點(diǎn)。平對(duì)接及立對(duì)接的力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 對(duì)接接頭力學(xué)性能

對(duì)該焊絲的平對(duì)接及立對(duì)接焊縫金屬進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。沖擊溫度下降到-60℃以下時(shí)，該焊縫出現(xiàn)了韌脆轉(zhuǎn)變。

3.3 熔敷金屬的擴(kuò)散氫

將藥粉中氟化鈉、金紅石、石英、氧化鋁、固體水玻璃等易吸潮的物質(zhì)進(jìn)行600℃、700℃、800℃高溫?zé)Y(jié)后使用。不同的燒結(jié)溫度得到的藥芯焊絲的熔敷金屬擴(kuò)散氫見(jiàn)表5。經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后得到的藥芯焊絲其熔敷金屬擴(kuò)散氫有明顯下降?；诠?jié)省能耗考慮，選擇600℃作為藥粉的燒結(jié)溫度。

表4 對(duì)接接頭系列沖擊力學(xué)性能

表5 不同燒結(jié)溫度的擴(kuò)散氫

3.4 焊縫金屬的金相組織

圖3為對(duì)接接頭的金相組織顯微。圖3a為熔合線處金相組織，左邊是鋼板，右邊是焊縫；圖3b為焊縫中心金相組織，由塊狀鐵素體、針狀鐵素體及少量的粒狀貝氏體組成。

圖3 對(duì)接接頭金相組織

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)工藝性、力學(xué)性能及擴(kuò)散氫的研制，該藥芯焊絲焊接工藝性良好，可滿足全位置焊接；低溫韌性優(yōu)異，滿足-60℃要求的低溫韌性；且具有較低的擴(kuò)散氫水平，因此該藥芯焊絲可滿足LPG船用低溫鋼配套焊接使用。