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690MPa级高强钢金属粉芯药芯焊丝E69C-K3的研制

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:武汉铁锚焊接材料有限公司   作者:孟庆润 吕奎清
从合金配比、工艺性等方面介绍一种690MPa级高强钢配套用E69C-K3金属粉芯药芯焊丝研制过程。焊丝合金系为Mn-Si-Cr-Mo-Ni,同时加入强脱氧剂;与国外同类型焊丝对比发现该焊丝具有良好焊接工艺性能,飞溅率较小,达到了超低氢水平。
前    言
        近年来,在船舶、桥梁、海洋平台等结构的焊接建造中,广泛使用抗拉强度>690MPa高强度钢,且钢结构焊接中对低温韧性要求越来越苛刻,而与之配套的焊接材料供应较少。金属粉芯药芯焊丝具有成本低、焊接工艺性良好、焊接效率高、低温冲击韧性好等特点,是高强钢最佳配套焊接材料。本文结合实际产品的需求,研制出高强钢金属粉芯药芯焊丝[1]。
 
1    焊丝配方设计
        采用Mn-Si-Cr-Mo-Ni合金系,通过调整(Mn) /(Si)及控制Ni、Cr、Re等合金元素含量来获得合适比例的针状铁素体,实现力学性能最佳配比。脱氧方式上,采用Mg作为强脱氧剂脱氧,强脱氧剂加入可以降低焊缝中氧含量,减少氧化物杂质[2]。

        (1)Mn是焊缝强韧化有效元素,在焊缝中有利于脱氧,防止热裂纹形成。经多次试验,证明焊缝中(Mn)为1.20%~1.60%时,焊缝金属可以获得良好强韧匹配。

        (2)Si既是合金剂化元素又是脱氧剂。Si 在焊缝中以固溶体形态存在,它既可提高焊缝强度,又使焊缝金属韧性和塑性降低,焊缝中Si含量在0.4%以下时韧化效果较好。当(Mn)/ (Si)控制适当时,可以获得良好低温冲击韧性,经试验证明在本合金系中(Mn)/(Si)为3~4.5时,焊缝金属具有良好低温冲击韧性。

        (3)Ni有利于提高焊缝金属韧性尤其是低温冲击韧性,降低脆性转变温度。Ni含量太高时,焊丝强度及硬度过高,低温冲击韧性显著下降。Ni含量过高还导致焊缝与母材成分差别大,焊丝成本也会增加。

       (4)Cr有利于提高焊缝中针状铁素体含量, 减少先共析铁素体,并有细化铁素体晶粒作用,提高焊缝强韧性。Mo主要作用是提高强度,含量过多会造成强度增加,同时大大降低低温韧性,为兼顾强度和韧性,Mo在焊缝金属化学成分范围为0.35%~0.45%。

        (5)稀土元素可以通过净化焊缝组织、细化晶粒、改变夹杂物的形状和大小来改善焊缝金属的韧性。通过试验证明:在配方中加入1.5%~ 2.5%的稀土元素,对改善焊缝金属的性能有益。
        (6)Mg强脱氧剂脱氧,强脱氧剂加入降低焊缝中氧含量,减少氧化物杂质。

        加入以Na、K为主稳弧剂提高电弧稳定性,为保证金属粉芯药芯焊丝的低渣性,稳弧剂和造渣剂的加入量要控制在5%以下。选用富氩气体(80%Ar+20%CO2)作为保护气体,增加合金过渡系数。
 
2    E76C-K4药芯焊丝力学性能
2.1    焊接规范
        焊丝规格直径Ф1.2mm,Q690E钢板,板厚20mm,直流反接,焊接电压28V,焊接电流250A, 道间温度120~140℃,多层多道焊接。试板焊接按照GB/T17493-2008低合金钢药芯焊丝标准进行,每个焊件共焊接6层12道。拉伸与冲击试验分别按照GB/T 2652-2008与GB/T 2650-2008进行。

2.2    E76C-K4药芯焊丝力学性能
        熔敷金属化学成分、力学性能、对接接头力学性能如表1、表2、表3所示。
 

 
3    焊接工艺性能试验
3.1    试验条件及方法
        选取焊丝为E69C-K3和国外同类型金属粉芯药芯焊丝TY70C-H,焊丝直径均为Ф1.2mm,在Q235B低碳钢钢板上利用自动行走小车自动焊接。电焊机采用时代公司产NB-500气保焊机。采用富氩气体(80%Ar+20%CO2)作为保护气体,预设送丝速度85dm/min,预设电压为24.5V,焊接速度26cm/min,气体流量均为18L/min,干伸长为18mm。采用直流反接极性,用HA-XII-4E型汉诺威分析仪测试焊接电弧物理指数,焊接采样时间每次分别10s。分析仪设置:最小短路时间T1min=1000µs,阈值电压UN=18V,短路时间组宽⊿T1=100µs,短路周期组宽⊿Tc=500µs。

3.2    试验结果及分析
        附图是两种焊丝由汉诺威分析仪生成的短路时间频率分布叠加图。其中横坐标表示测试的短路时间分组,纵坐标表示测试各分组内发生的短路次数与总测试时间之比得到的频率N (1/s)。由附图看出,E69C-K3和TY70C-H两种焊丝短路时间频率很高,分布有明显差别。

        两种焊丝<1ms的短路时间可视为瞬时短路,瞬时短路是熔滴的激烈活动使电压骤然下降引起的,这种短路并不伴随熔滴的过渡。其中正常短路频率对焊接过程影响较大,正常短路频率越小,工艺性越好,焊接过程越稳定[3]。由附图看出,短路时间>1ms的两种焊丝短路时间频率分布差别明显,E69C-K3焊丝短路频率分布曲线比TY70C-H焊丝更靠左。由汉诺威分析仪统计得到的短路时间≥1ms的正常短路过渡时短路频率的数据列于表4。看出E69C-K3焊丝平均短路时间为2.15ms,比TY70C-H焊丝小,E69C-K3 焊丝工艺性较好。

3.3    飞溅率对比试验
        将一块250mm×50mm×10mm的试板置于试验台上,为防止飞溅丢失,外罩铜罩,在铜罩内施焊。工艺参数为:电压28V,电流260A,富氩气体保护,气流量为18L/min,用自动焊接小车进行焊接,在试板上施焊一道长150mm的焊缝,焊接速度为300mm/min,焊后收集铜罩内试板上的飞溅金属颗粒。按公式计算飞溅率:飞溅率=飞溅物总质量/焊接熔敷金属重量×100%。对收集到的飞溅金属颗粒过100目筛子,未通过筛子的为飞溅物,试验结果取三组数据的平均值,测试结果如表5。

       由表5可知,本文研制的E69C-K3焊丝飞溅较小。

3.4    斜Y型坡口焊接裂纹实验
        采用E69C-K3焊丝和相同强度等级的钢板进行斜Y型坡口焊接裂纹实验。实验按照GB 4675.1 -89规定执行。焊接工艺参数见表6。实验结果:在环境温度25℃、环境相对湿度75%的情况下,表面裂纹率、断面裂纹率均为零。

3.5    熔敷金属扩散氢(水银法)
        实验条件:焊接电压26V、焊接电流250A、环境温度25℃、环境湿度57%、保护气体为富氩。扩散氢结果见表7。由表7可知,扩散氢含量均值3.1ml/100g,检测结果<5.0ml/100g,达到了超低氢水平。
 

 
4    结束语
        武汉铁锚焊接材料股份有限公司研制的E69C -K3金属粉芯药芯焊丝各项性能指标优良,满足GB/T17493-2008标准E69C-K3要求,能够应用于相应强度等级钢的焊接。E69C-K3金属粉芯药芯焊丝具有以下特点:
       (1)E69C-K3金属粉芯药芯焊丝具有良好的综合力学性能,低温冲击韧性良好。
       (2)E69C-K3金属粉芯药芯焊丝工艺优良、飞溅率小,焊丝扩散氢达到超低氢水平,抗裂性优良。
        (3)E69C-K3金属粉芯药芯焊丝可以适用于690MPa级高强钢的焊接。
 
 
 
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