一種適用于低合金鋼的埋弧焊焊絲

黃 山, 巴發(fā)海, 李 凱

(1.上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司, 上海 201201；2.上海材料研究所, 上海 200437)

低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，加入一定量的合金元素構(gòu)成的。合金元素的加入提高了材料的抗拉強(qiáng)度以及韌性，使材料可以滿足石油化工、電力能源、船舶制造、橋梁建筑等領(lǐng)域的需求，低合金鋼多采用焊接的方式連接[1-3]。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，國(guó)內(nèi)低合金鋼的焊接技術(shù)也逐漸成熟，各種技術(shù)規(guī)范已經(jīng)較為完善，如GB/T 17493—2018 《熱強(qiáng)鋼藥芯焊絲》、GB/T 2650—2008 《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 2652—2008 《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。截至2022年，國(guó)內(nèi)關(guān)于低合金鋼焊接的專利申請(qǐng)已經(jīng)達(dá)到300余件。國(guó)內(nèi)低合金鋼焊接的低端產(chǎn)品在全球占有較大份額，但是高端產(chǎn)品往往缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。筆者研制了一種低合金鋼用埋弧焊焊絲，研究了該焊絲的焊接工藝性能、熔敷金屬的顯微組織、力學(xué)性能及不同焊后熱處理工藝對(duì)焊絲組織及力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 焊絲成分設(shè)計(jì)

焊絲成分設(shè)計(jì)主要考慮以下4個(gè)方面。

(1) 焊縫強(qiáng)度：碳元素可以提高熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度與硬度，但碳元素含量過高會(huì)降低其焊接性以及沖擊韌性。加入錳元素可以進(jìn)一步提高焊縫的韌性，鉬元素在一定含量范圍內(nèi)也有利于提高焊縫的韌性和淬透性。碳、錳元素均為形成奧氏體的元素，可以提高奧氏體在室溫下的穩(wěn)定性。

(2) 焊縫脆化：氫、氮、氧、磷、硫等元素會(huì)造成焊縫脆化，并且焊劑會(huì)向熔敷金屬過渡一定量的磷、硫元素。在焊絲化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，將磷、硫元素含量盡可能控制在鋼廠能夠達(dá)到的最低要求。

(3) 沖擊韌性：錳、鎳元素含量對(duì)熔敷金屬的低溫沖擊韌性有重要的影響，研究表明：當(dāng)錳元素含量為0.6%時(shí)，熔敷金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨鎳元素含量的提高而降低；

(4) 輻照脆化：在焊絲化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，鎳元素含量需要控制在一定的范圍，銅、磷元素含量盡可能控制在較低的水平[4-7]。

1.2 焊接條件

母材選用Q345B鋼板，規(guī)格為30 mm×200 mm×500 mm(長(zhǎng)×寬×高)，試樣加工坡口角度為(10+10)°，間隙為30 mm。焊絲直徑為4 mm，焊接電流為560～620 A，電弧電壓為28～32 V，焊接速率為400～500 mm/min，焊接線能量為23～27 kJ/mm，為了減少熱應(yīng)力，母材預(yù)熱溫度為200～250 ℃。

為了消除焊接應(yīng)力，提高熔敷金屬的綜合性能，需對(duì)其進(jìn)行焊后熱處理，升溫和冷卻速率均為50 ℃/h，保溫溫度為610 ℃，保溫時(shí)間分別為2，24 h。

1.3 試驗(yàn)方法

除彎曲試驗(yàn)之外，其他理化檢驗(yàn)取樣位置均為距離上表面10 mm處。

按照GB/T 25777—2010 《焊接材料熔敷金屬化學(xué)分析試樣制備方法》，取樣部位表面經(jīng)砂輪打磨后清洗，以去除油污、氧化皮等缺陷。采用ARL4460型光電直讀光譜儀、TCH600型氮?dú)溲醴治鰞x、CS600型紅外碳硫分析儀等設(shè)備，測(cè)定焊絲以及熔敷金屬的化學(xué)成分。

在焊縫中心位置垂直于焊接方向取樣，且至少包括兩焊道搭接的區(qū)域。試樣表面拋光后采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕。用LEICA DMI 5000M型數(shù)字式倒置光學(xué)顯微鏡觀察焊縫金屬的顯微組織。

依據(jù)GB/T 2652—2008，取樣加工成直徑為10 mm的等截面圓棒試樣，平行段長(zhǎng)度為60 mm。在Zwick Z400型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)熔敷金屬進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。彈性段及屈服段的拉伸速率為1 mm/min，屈服后拉伸速率為25 mm/min。

根據(jù)GB/T 2650—2008,沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長(zhǎng)×寬×高)，缺口為V型，深度為2 mm。在ZBC2302N-2型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)最大沖擊能量為300 J。

采用全自動(dòng)維氏硬度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)熔敷金屬的硬度進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)尺為HV10。每個(gè)試樣打3點(diǎn)，取其平均值作為最終的硬度測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)GB/T 2653—2008 《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，試樣為非減薄全厚度試樣，采用SANS BHT5106型彎曲試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接板進(jìn)行面彎與背彎彎曲試驗(yàn)。壓頭直徑取4倍試樣厚度，彎曲角度為180°。

根據(jù)GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》，采用水銀法擴(kuò)散氫含量測(cè)定儀測(cè)定熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

對(duì)成品焊絲進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：焊絲中碳、硅、錳、鎳、鉬等主要合金元素含量都在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)，磷、硫元素含量滿足設(shè)計(jì)要求，可得其回火脆化敏感系數(shù)X為10.2 mg/mL,再熱裂紋敏感性ΔG為-0.2。熔敷金屬的化學(xué)成分如表2所示，可得其回火脆化敏感系數(shù)X為6.6 mg/mL，再熱裂紋敏感性ΔG為-0.2。一般要求X≤15 mg/mL，ΔG≤0。

表1 焊絲化學(xué)成分 %

表2 熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.2 焊縫顯微組織

圖1為610 ℃下保溫2，24 h時(shí)熔敷金屬的顯微組織形貌。由圖1可以看出：熱處理保溫時(shí)長(zhǎng)為2 h時(shí)，熔敷金屬的顯微組織為條片狀鐵素體+殘余奧氏體構(gòu)成的無碳化物貝氏體；熱處理保溫時(shí)長(zhǎng)由2 h提高到24 h時(shí)，熔敷金屬的顯微組織未發(fā)生顯著變化，熔敷金屬中未出現(xiàn)馬氏體等有害組織。貝氏體轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體與馬氏體之間，貝氏體、鐵素體中碳原子擴(kuò)散較弱，產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化作用，提高了基體的抗拉強(qiáng)度[8-9]。

圖1 610 ℃下保溫2，24 h時(shí)熔敷金屬的顯微組織形貌

2.3 熔敷金屬力學(xué)性能

610 ℃下保溫2，24 h時(shí)熔敷金屬的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：保溫2 h時(shí)，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到590 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為25.0%，斷面收縮率為73%。延長(zhǎng)保溫時(shí)間至24 h，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率提高。

表3 610 ℃下保溫2，24 h時(shí)熔敷金屬的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

610 ℃下保溫2,24 h時(shí)熔敷金屬?zèng)_擊性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知：在不同的保溫時(shí)間下，熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量較為接近。采用雙曲正切方程擬合沖擊吸收能量-溫度曲線，結(jié)果如圖2所示，可得保溫時(shí)長(zhǎng)為2 h,24 h時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)變溫度分別為-50 ℃，-55 ℃?？梢娸^低的轉(zhuǎn)變溫度可以降低材料服役過程中產(chǎn)生低溫脆斷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 610 ℃下保溫2,24 h時(shí)熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量-溫度曲線

表4 610 ℃下保溫2,24 h時(shí)熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量 J

對(duì)保溫時(shí)間為2，24 h時(shí)的焊接板分別進(jìn)行了面彎與側(cè)彎試驗(yàn)，結(jié)果均未出現(xiàn)特征性裂紋，單個(gè)裂紋、氣孔和夾雜物等長(zhǎng)度均小于3.0 mm。

維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果表明：保溫時(shí)長(zhǎng)為2 h時(shí)，試樣硬度為225 HV，保溫時(shí)長(zhǎng)為24 h時(shí)，硬度為230 HV，兩者相差不到5%。

2.4 擴(kuò)散氫試驗(yàn)

焊接過程中產(chǎn)生的氫氣在熔池冷卻、凝固過程中，以氫原子或氫離子的形式存在于焊縫中，隨著時(shí)間的推移，這部分氫原子或離子會(huì)擴(kuò)散、聚集到位錯(cuò)、裂紋及非金屬夾雜物處，形成了擴(kuò)散氫，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)氫致裂紋，降低了焊接接頭的綜合性能[10]。通過水銀法測(cè)定熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量為3.7 mL/100 g，達(dá)到了焊材超低氫的要求(≤4.0 mL/100 g)。

3 結(jié)論

(1) 研制了一種適用于低合金鋼的埋弧焊焊絲，焊絲的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 熔敷金屬的顯微組織為無碳化物貝氏體，綜合性能較好。

(3) 不同焊后熱處理保溫時(shí)間下熔敷金屬的拉伸、硬度、沖擊等性能接近。

(4) 熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量達(dá)到了焊材超低氫的要求。