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高强钢用金属粉芯型药芯焊丝研制

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-18   来源:武汉铁锚焊接材料股份有限公司   作者:周海龙 孟庆润
本文设计了一种高强高韧性的金属粉芯型药芯焊丝,强度级别在800~1000MPa。通过渣系与合金系设计,达到低渣甚至无渣的效果,并进行力学性能试验、斜Y抗裂性试验及系列冲击试验。结果表明该焊丝性能稳定、工艺优良,并具有良好抗裂性,满足设计要求。
绪论 
      随着我国钢铁材料的迅猛发展,工程结构轻量化战略的实施,低合金高强钢,尤其是800~1000 MPa级的高强钢正受到越来越多的关注。低合金高强钢以其超高的强度,优良的塑性和韧性广泛应用于汽车、压力容器、电力以及工程机械等领域[1-2]。金属粉芯焊丝兼具实心焊丝与药芯焊丝的优点,熔敷效率高,同时焊缝表面少渣或者无渣、飞溅小、电弧稳定,大大减少后续打磨工序等优点,现已在我国中低级别钢材中得到广泛应用[3],但800MPa及以上级别金属粉芯型焊材还存在冲击性能低,性能不稳定等问题,因此发展具有自主知识产权的高强钢用金属粉芯焊丝,对我国高强钢的推广应用具有重大意义。

1  渣系与合金体系设计思路
1.1 渣系设计及焊渣分布
       金属粉型药芯焊丝相比较普通焊丝,其中一个最大特点就是无渣或者少渣,但是对于高强钢用金属粉型药芯焊丝,为保证焊缝的强度和足够的低温韧性,需要提高焊丝中Si、Mn以及大量的合金元素和脱氧产物,因此焊缝会产生少量焊渣,该焊丝熔渣的主要成分如表1所示。

       由表1可知焊丝熔渣的主要成分由MnO2、SiO2、AlO2、MgO、CaO及Na2O和K2O组成,该熔渣属中性偏酸性熔渣,Na2O和K2O 为NaF、硅酸钠、KF、钛酸钾等Na盐和k盐的氧化产物,作为主要的稳弧剂,起稳弧作用。实验表明,当K/Na为2:1时电弧最稳定。Al2O3、MgO、CaO熔点较高,可提高熔渣的熔点和粘度,通过调整它们与SiO2之间比例可调整熔渣特性。MnO2能与SiO2形成硅酸盐,调整两者比例可调整脱渣性。

                        表1 熔渣的主要成分及含量(%)
名称
MnO2
SiO2+AlO2+MgO+CaO
Na2O+K2O
其他
含量
36
49
3
12

  在少渣的基础上,该金属粉芯焊丝还具有一个突出特点:少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置,其余位置实现完全无渣,焊渣松脆,轻触即脱,防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦,实现对硅渣的有效利用。

1.2 合金体系设计
该金属粉型药芯焊丝采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V合金体系,并加入一定量的B。该设计思路是在传统C、Mn、Si合金系的基础上,采用降低C含量,多种微量元素合金化来实现高强度和高韧性。

1.2.1低碳,该级别焊材中碳质量分数通常<0.2%,本焊丝碳含量在0.07%~0.09%范围内,以实现良好品的塑性和韧性,避免造成焊接工艺恶化。

1.2.2主要合金元素Mn、Si、Ni,同时加入一定量的Cr、Mo、V和B,添加的主要目的是实现高强度、高韧性,同时提高焊缝的淬透性和马氏体的回火稳定性,推迟珠光体和贝氏体的转变,使得产生马氏体临界冷却速率降低。

1.2.3辅加元素Al、Mg、Ti等,既可以产生沉淀强化,还可以细化晶粒,从而提高韧性。

1.2.4加入微量稀土元素,可以脱硫,净化焊缝,同时改善夹杂物的形态与分布,从而改善力学性能和工艺性能。

2 焊缝性能分析
2.1 力学性能
 试验钢板采用尺寸为300mm×100mm×20mm上海三钢SHT900高强钢,屈服强度900MPa,抗拉强度990MPa。焊接参数和道间温度直接影响焊缝组织形貌,进而影响焊接接头机械性能。综合考虑,选择焊接电流240A,电压28V,焊接速度300mm/min,焊前预热100℃,道温控制在150~160℃,角焊缝及熔敷焊缝如图1所示,焊缝化学成分及力学性能如表2~4所示。

    

图1 金属粉药芯焊丝角焊缝及熔敷焊缝

表2 熔敷金属化学成分(%)

名称
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
Ti
Al
Cu
V
含量
0.084
0.80
2.14
0.013
0.0010
0.62
2.93
0.71
0.0069
0.072
0.11
/

表3 熔敷板力学性能

拉伸试验
冲击试验/-50
扩散氢(ml/100g)
RP0.2(N/mm2)
Rm(N/mm2)
A(%)
Z(%)
吸收能量KV2/ J
2.1
920
982
17
60
59
58
70
52
64

表4 对接接头力学性能

拉伸试验
冲击试验/-50
RP0.2(N/mm2)
Rm(N/mm2)
A(%)
Z(%)
吸收能量KV2 /J
915
970
16.5
40
62
55
60
50
53

2.2 斜Y裂纹试验
    试验按照GB4675.1-89进行,试板规格75mm×100mm×30mm,装配后坡口角度60°,间隙2.0±0.2mm,焊接后放置48h进行表面着色探伤和刨面裂纹检测,试验如图2所示。结果发现无论是表面还是断面均未发现有裂纹出现,说明在强拘束试验条件下,该焊丝具有良好的抗冷裂纹能力。
 
图2 斜Y裂纹试验
 
2.3 不同线能量与道间温度时力学性能
    焊缝力学性能受热输入量及道温的影响,为了评估焊材在热输入变化时的稳定性,进行了4组不同焊接条件下熔敷试验,试验规范如表5所示。试验结果表明,当线能量从1.01 kJ/mm增加到1.46kJ/mm时,抗拉强度在952~1000MPa之间变化较小,冲击韧性在40.2~57.3J变化(见图3),说明该金属粉芯型药芯焊丝在热输入量发生波动时比较稳定。研究表明,线能量较低时,焊缝组织主要为细针状铁素体组织,随着线能量增大,开始逐渐有贝氏体出现,这也是冲击韧性下降的原因。综合分析焊材性能稳定,推荐使用第3组参数作为焊接参数,性能更优。
                              
表5熔敷金属焊接条件
组别
电流
/A
电压
/V
焊接速度
/(mm/min)
道间温度
/℃
线能量/(kJ/mm)
1
240
28
400
100
1.01
2
240
26
300
150
1.25
3
240
28
300
150
1.34
4
260
28
300
200
1.46

 

图3 热输入及道温对力学性能的影响


3应用领域
    该焊丝系列化后可用于800~1000MPa级高强钢的焊接,如我国已经先后开发出14MnMoNbB、HQ80和HQ80C等抗拉强度800MPa的低合金调质钢,配套该级别金属粉型药芯焊丝,可广泛应用于工程机械、矿山机械的制造中,如推土机、工程起重机、重型汽车和牙轮钻机等[4-5]。此外更高强度级别低合金调质钢,如HQ100焊接时需要高强度、良好的低温冲击韧性和抗裂性能,配套该焊丝主要应用于高强度焊接结构要求承受冲击磨损部位,如工程机械、核动力装置及航海、航天装备上。

4 结论
4.1通过对焊渣的合理设计实现硅渣的利用,使少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置,其余位置实现完全无渣,焊渣松脆,轻触即脱,防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦,实现对硅渣的有效利用。

4.2采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V合金体系以及微合金化设计,实现该焊丝的高强、高韧性。

4.3本文所设计高强高韧性的金属粉芯型药芯焊丝,强度级别在800~1000MPa,具有良好的力学性能和低温抗裂性能,完全满足该强度级别钢材的配套使用。
 

 
 
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