鉻鉬耐熱鋼焊條BOHLER FOX E8016-B2的研制

肖暉 馬風輝

摘要： 針對1.25Cr-0.5Mo材料的交直流兩用電焊條進行設計開發(fā)，介紹了依據(jù)各類標準及客戶實際使用情況下的BOHLER FOX E8016-B2電焊條的藥皮配方、化學成分和力學性能指標的設計思路。對焊條進行試驗驗證后，詳細介紹了熔敷金屬的化學成分和交直流焊接時不同焊后熱處理條件下的熔敷金屬的各項力學性能數(shù)據(jù)及其金相組織結構，同時也給出了焊接接頭的性能試驗數(shù)據(jù)以及焊條擴散氫等試驗數(shù)據(jù)。該焊條適用焊接電流范圍廣，在不同焊接電流下均有良好的焊接工藝性，且均能保持優(yōu)良的力學性能。

關鍵詞： E8016-B2; 熔敷金屬; 焊接接頭; 1.25Cr-0.5Mo鋼

中圖分類號： TG 422

Abstract： In order to research and development for 1.25Cr-0.5Mo steel electrode on AC&DC+ welding， this paper introduces the design for recipe， chemical composition and mechanical properties for BOHLER FOX E8016-B2， and then expounds the data of chemical composition， mechanical properties， metallographic structure for deposited metal， and provides the data of welded joint test， the diffusion of hydrogen and moisture content for electrode. The electrode is applicable to a wide range of welding current， and it has excellent welding technology and mechanical properties at different welding current.

Key words： E8016-B2; deposited metal; welded joint; 1.25Cr-0.5Mo steel

0 前言

石油精煉設備、鍋爐管道、壓力容器及氣化設備等焊接時選用的材料需要焊接性優(yōu)良、冷裂紋敏感性低、耐高溫性和抗蠕變性能好等要求[1-3]。

在此基礎上，滿足不同熱輸入條件，同時具有高熔敷效率，高焊縫純度，極低微量有害元素、低回火脆化傾向、低擴散氫含量及長時熱處理等要求對焊接材料的研制工作又提出了新的挑戰(zhàn)[4]。

文中將對適用于以上要求的交直流兩用的鉻鉬耐熱鋼焊條BOHLER FOX E8016-B2的研制及研制產品的各項試驗數(shù)據(jù)做簡要闡述。

1 焊條藥皮組分與化學成分及力學性能各項指標設計1.1 焊條藥皮組分設計

E8016-B2焊條為交直流兩用堿性焊條，其擴散氫要求為H4 （H≤4 mL/100 g）。為達到交直流兩用低氫堿性渣系的使用要求，其藥皮配方設計關注于：

（1）以碳酸鹽和氟化物為堿性藥皮的主體，并適當調整碳酸鹽與氟化物的搭配比例：碳酸鹽用來造渣、造氣、穩(wěn)弧;氟化物可稀渣并起到去氫作用，同時藥皮中嚴格控制含有結晶水的物質的加入量。

（2）為滿足交直流兩用，需加入稍多的穩(wěn)弧劑，同時加入一定量的鐵粉，提高電弧穩(wěn)定性的同時增加熔敷效率。

（3）焊條應具有良好的焊接工藝性，如易脫渣，飛濺少，焊縫成形美觀，適用電流范圍大等。

具體藥皮組分設計見表1。

1.2 焊條熔敷金屬化學成分指標設計

E8016-B2耐熱鋼焊條需具有抗高溫氧化和熱強性，加入Si，Cr等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時，表面能生成致密的高熔點氧化膜，保護鋼不受高溫氣體的繼續(xù)腐蝕;加入Mo，Ti等元素能提高鋼的高溫強度。

化學成分指標設計首先綜合參考美標AWS A5.5： E8016-B2， 歐標EN ISO 3580-A： E CrMo 1 B 1 2及國標GB/T 5118： E5516-1CM的所有要求，然后根據(jù)行業(yè)中主要客戶的實際采購規(guī)范要求，確定化學成分指標要求見表2。

耐熱鋼沖擊韌性下降的原因，是在回火溫度下，P，Sn，Sb，As等微量元素存在晶界偏析，使脆性轉變溫度上升，從而導致金屬的沖擊韌性下降。其中P元素影響最大，它會使晶間聚合力減弱，而Mn和Si元素可促進P元素的偏析，使脆化加劇， 但同時Mn又是良好的脫氧劑和脫硫劑，和Si元素一樣可提高焊縫金屬的硬度和強度，所以平衡焊縫金屬中Si+Mn含量，盡量減少P，Sn，Sb，As元素的含量顯得尤為重要。

為此，焊條采用低P，S線材，嚴格控制雜質（P，S）含量，同時控制Si+Mn的總量，以減小本焊條的脆化因素。表中X系數(shù)和J系數(shù)即“脆化因子”的表達式，體現(xiàn)了控制這些元素加入量的水平。

1.3 焊條熔敷金屬力學性能指標設計

耐熱鋼除了有較高的高溫蠕變性能，還需要有較好的韌性以滿足抗脆性斷裂的要求。經過焊后熱處理，使碳化物析出導致鐵素體亞晶粒尺寸減小、屈服強度和硬度降低，從而推遲解理斷裂的發(fā)生，沖擊吸收能量增大，沖擊韌性增強。

焊條熔敷金屬力學性能指標設計首先綜合參考美標AWS A5.5： E8016-B2， 歐標EN ISO 3580 A： E CrMo 1 B 1 2， 以及國標GB/T 5118： E5516 1CM的所有要求，再根據(jù)主要客戶的實際采購規(guī)范要求，確定力學性能指標要求如表3所示。

2 焊接工藝與焊后熱處理規(guī)范設計

由于耐熱鋼含碳及合金元素較多，焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬化及冷裂紋，且焊后熱處理過程中易產生再熱裂紋。為了避免上述問題的產生，焊前需對焊件預熱，且在盡量保持不間斷的焊接過程時，需要保證焊件溫度不低于預熱溫度，焊后需緩冷并進行高溫回火處理。依據(jù)石化行業(yè)主要客戶的采購規(guī)范要求，趨向于采用大電流高熱輸入焊接來提高焊接效率。綜上所述，不同規(guī)格焊條焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理設計見表4。

3 焊條的化學成分和力學性能試驗數(shù)據(jù)及金相組織 ?根據(jù)上述焊條藥皮組分與熔敷金屬成分的設計，進行了大量的配方調試，在滿足化學成分和力學性能的基礎上，盡量優(yōu)化交流和直流焊接時的工藝性能。最終定型生產了適合于交直流兩用的全位置焊接用BOHLER FOX E8016-B2電焊條。 ?下面以4.0 mm規(guī)格為例，按照GB/T 5118《熱強鋼焊條》的要求進行了化學成分測定和力學性能試驗，焊后熱處理為（690±15）℃×1 h，（690±15）℃×4 h，（690±15）℃×20 h，經射線（RT）Ⅱ級檢查，焊縫合格。

3.1 熔敷金屬成分與力學性能

熔敷金屬化學成分實測數(shù)據(jù)見表5，熔敷金屬力學性能實測數(shù)據(jù)見表6、表7。

3.2 焊接接頭工藝參數(shù)及力學性能試驗結果

焊接接頭采用U形坡口，母材為SA387GR11，厚度為60 mm。其中0～12 mm使用3.2 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為130±10 A，道間溫度為190 ～210 ℃;12 ～30 mm使用4.0 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為170±10 A，道間溫度為190～210 ℃;30～60 mm使用5.0 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為195±10 A，道間溫度為220～230 ℃。從試驗后的數(shù)據(jù)可以看出，經（690±15）℃×24 h熱處理后，室溫時焊材的強度高于母材，高溫拉伸強度也在穩(wěn)定水平。經（690±15）℃×4 h熱處理后，室溫時焊材的硬度高于母材，-20 ℃時的沖擊韌性也穩(wěn)定在140 J以上。試驗后的實測數(shù)據(jù)見表8、表9和表10。

3.3 焊縫金屬顯微組織

圖1為焊態(tài)和不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織，焊態(tài)時接頭的顯微組織為粒狀貝氏體，少量鐵素體和極少量珠光體;690 ℃×4 h熱處理后粒狀貝氏體部分轉變：析出碳化物，鐵素體尺寸增大;690 ℃×20 h熱處理后粒狀貝氏體轉變比4 h更多：碳化物析出更多，最大鐵素體晶粒尺寸減小，鐵素體晶粒尺寸波動范圍減小，鐵素體組織變得均勻。隨著焊后熱處理時間的增加，碳化物析出越多，細化作用越明顯，碳化物析出使亞晶粒尺寸減少，組織發(fā)生軟化，強度和硬度降低，韌性增強[5]。

4 焊條擴散氫測定

在焊縫中，氫大部分是以原子或者離子狀態(tài)存在，與焊縫金屬形成間隙固溶體。由于氫原子和氫離子的半徑很小，這部分氫可以在焊縫金屬的晶格中自由擴散，稱之為擴散氫。氫在焊縫中會引起氫脆、白點、氣孔和裂紋，所以控制焊縫中擴散氫含量尤其重要。主要通過藥皮配方的設計、控制原料中結晶水含量及焊條的烘干工藝來控制焊縫中擴散氫含量。

根據(jù)GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴散氫含量測定方法》，4.0 mm焊條經350 ℃×2 h再烘干后，采用熱導法測定焊條熔敷金屬中擴散氫的含量為3.07 mL/100 g，3.44 mL/100 g，3.19 mL/100 g，都在低氫規(guī)定范圍內（H≤4 mL/100 g）。

5 不同焊接電流下焊條的焊縫成形

研發(fā)的BOHLER FOX E8016-B2電焊條有一個顯著的優(yōu)點：焊接適用電流范圍廣，在大電流焊接時不僅焊縫成形美觀，易脫渣，飛濺少，且力學性能也不受影響，依然能夠滿足標準要求，4.0 mm規(guī)格焊條在小中大三種電流情況下的焊縫成形情況分別如圖2、圖3、圖4所示。

6 結論

（1）開發(fā)的鉻鉬耐熱鋼BOHLER FOX E8016-B2電焊條適用于交直流兩用，交流焊接和直流焊接時的力學性能比較一致，無明顯差異。

（2） 焊接電流范圍廣，焊接電流比常規(guī)高20%時依然具有優(yōu)異的焊接工藝性能和力學性能。

（3）長時熱處理后熔敷金屬的強度和沖擊性能依然能夠很好的平衡，滿足各項指標的要求。

（4）擴散氫含量較低，滿足設計要求。

參考文獻

[1] 張清平，吳憲平，洪波.焊接材料研制理論與技術[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 張子榮，李昇鶴.電焊條[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3] 陳伯蠡.焊接冶金原理[M]. 北京 ：清華大學出版社，1991.

[4] 羅永飛，李昊. 12Cr1MoV鋼用高韌性焊條的開發(fā)及應用[J].機械制造文摘—焊接分冊 ，2016（3）：37-41.

[5] 蔡昌亮，曹睿，陳劍虹，等. 不同焊后熱處理對鉻鉬耐熱鋼室溫沖擊韌性的影響[J]. 焊接 2019（5）;23-26.