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国产F460Z高强钢埋弧焊焊接材料研制

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-17   来源:1-中国船级社镇江办事处;2-江苏科技大学 先进焊接技术省级   作者:张 蔚1 许祥平2 邹家生2
为了满足F460Z钢焊接时对强度及冲击韧性等性能的要求,设计了3种成分不同的焊丝,配合CHF102型焊剂进行焊丝的熔敷金属试验,对熔敷金属的力学性能、微观组织及成分进行测定。试验结果表明:1号焊丝为最佳研制焊丝,焊丝熔敷金属屈服强度和抗拉强度分别为495MPa和575MPa,断后延伸率为27%,-60℃下低温冲击吸收功平均值为140.2J,熔敷金属扩散氢含量平均值为2.655ml/100g, 达到超低氢标准。焊丝熔敷金属微观组织主要为细小且致密的针状铁素体,熔敷金属S含量与P含量均控制在较低的水平,分别为
前    言
        21世纪是海洋的世纪,人们对海洋的开发由近海向远海、由浅海向深海不断推进,对海洋工程用钢的要求也不断提高。目前我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差,这限制了我国自主开采海洋资源的能力,使我国能源发展受到了制约,国内强度级别高的海洋平台用钢主要依赖进口[1,2]。国内某企业开发出了拥有自主知识产权的F460Z海洋平台用钢, 具有强度高、低温韧性好等特点,打破国外对国内高强度级别海洋平台用钢的垄断地位。

        钢铁企业的钢材能否在市场上获得广泛应用,配套焊接材料占有重要地位。优质的配套焊接材料,能提高焊接结构质量的可靠性和稳定性,有利于推动钢材的应用。但是通过查阅资料和翻看国内知名焊材厂家的目录,没有发现与F460Z钢完全匹配的埋弧焊焊材。因此开发出与F460Z钢匹配的埋弧焊焊材迫在眉睫,同时对F460Z钢尽快得到广泛应用具有重要的战略意义与实际工程价值。
 
1    焊接材料成分设计
        F460Z钢为海洋工程用高强钢,其化学成分及力学性能分别见表1与表2。对于低合金高强钢,焊接时为了保证焊缝的韧性,选用焊接材料的原则一般是“等强匹配”或“低强匹配”。F460Z高强钢埋弧焊焊接材料研制目的是保证焊缝具有与母材强度相近的同时不损失焊缝的塑韧性,同时为了避免焊缝中出现冷裂纹,尽可能降低焊缝中扩散氢的含量。向焊缝中过渡合金元素对焊缝金属组织和性能造成很大影响,焊接材料的设计应着眼于其合金元素的种类及含量。




 
1.1    埋弧焊焊丝成分设计
        F460Z属于低合金高强钢,为保证焊缝金属的力学性能,焊缝组织应以细小的针状铁素体为主。因此埋弧焊焊丝的成分设计应通过向焊缝过渡合金元素使焊缝主要生成针状铁素体,具体设计内容如下:
        (1)C是合金钢中不可缺少的元素,C能提高焊缝组织的强度与硬度,但随着C含量的增加, 焊缝组织变得淬硬导致焊缝的韧性下降,因此焊丝中C含量控制在0.1%以下[3]。
        (2)在焊丝中加入合金元素Mn、Si,Mn能够使奥氏体临界转变温度下降,促进焊缝中形成细小的针状铁素体(AF),同时能够抑制焊缝中先共析铁素体(PF)及侧板条铁素体(FSP) 的生成,使焊缝组织的强度增加,但韧性不会明显下降。当焊缝中的Mn含量高于1.5%时,继续增加Mn的含量使相变温度进一步降低,提高焊缝组织的低温韧性[4]。焊缝中的Si能使奥氏体转变温度上升,焊缝中PF含量增加,AF含量减少,焊缝组织强度虽然增加,但韧性却有所降低[5],因此焊丝中Si的含量不宜过高,控制在0.20% ~0.35%之内。此外锰硅联合能起到沉淀脱氧的目的,Mn还能把焊缝中的FeS还原成MnS浮于熔渣内,从而达到脱硫的目的。焊缝中Mn、Si 含量比过大或过小,焊缝中均会出现固态脱氧产物,导致焊缝中出现夹杂影响焊缝的力学性能。
        (3)在焊丝中加入合金元素Ni,Ni与Mn作用相似,但作用比Mn弱。Ni元素可以增加层错能,从而促进低温下螺型位错,使韧脆转变温度明显降低,从而使焊缝具有较好的低温韧性[6,7]。
        (4)在焊丝中加入合金元素Mo,低合金钢焊缝中存在少量的Mo不仅能够提高焊缝的强度,同时能够改善焊缝的韧性[8]。但随着Mo含量的增加,焊缝中将生成岛状的M-A组元,又称为“粒状贝氏体”。研究表明[9],在焊接连续冷却的条件下形成的粒状贝氏体能够显著降低焊缝的低温韧性。
        (5)S、P作为有害金属能够使焊缝组织严重脆化,影响焊缝的力学性能,对其含量应严格加以控制。
        通过上述分析,设计了三种焊丝方案,如表3所示。三种方案对C、Si、S、P的含量要求相同,区别在于加入的合金元素Mn、Ni、Mo的含量。选用三种焊丝进行熔敷金属性能试验,通过对比不同焊丝熔敷金属的力学性能扩散氢含量选择出最佳方案。


 
1.2    埋弧焊焊剂选择
        焊剂的作用主要是造渣保护熔池,冶金处理及改善工艺性能[10]。选择焊剂应根据钢种的不同、工作条件、接头型式、焊接设备、板厚、受力状况、施焊工艺及所要求的各项性能等因素进行充分考虑。

        按制造方法的不同,可以把焊剂分为熔炼焊剂和非熔炼焊剂。烧结焊剂属于非熔炼焊剂,其熔点高,松装比较小,故这类焊剂适合于大热输入焊接,另外还可以通过烧结焊剂向焊缝过渡合金元素,以提高焊缝金属的韧性和其他性能。在不同渣系的焊剂中,氟碱型渣系焊剂含有较多的碱性氧化物,有利于清除焊缝中的S、P等杂质,而且与SiO2结合有利于降低SiO2的活度,使钢中的Si和O更易形成SiO2,促使焊缝脱氧,减少合金元素的烧损,有利于提高焊缝的冲击韧性。对于低合金高强钢焊缝来说,提高焊剂碱度能使得焊缝金属中的S、P含量减小,焊缝中O、Si含量降低,从而使得焊缝金属中Mn 含量增加,有利于提高焊缝的冲击韧性[11]。

        因此,F460Z钢焊接应优先选用氟碱型碱性低氢烧结焊剂。对焊剂成分设计上,主要考虑的是焊剂中的合金元素是否促进焊缝金属向针状铁素体转变。大西洋焊材生产的CHF102焊剂属氟碱型碱性低氢烧结焊剂;碱度值1.5~2.5,焊剂呈浅灰色球形颗粒,粒度10~60目;交直流两用,直流施焊时焊丝接正极;焊接工艺性能优良,电弧燃烧稳定,焊道成形美观,脱渣性好;焊缝具有低扩散氢含量、低的有害元素含量、良好的抗裂性、低温冲击韧性优良等特点。主要成分见表4,经试验,CHF102能较好的满足F460Z埋弧焊剂的要求。
 
2    熔敷金属性能试验
        焊接材料的验收及考核基本上都是依据熔敷金属试验的结果,按照表3所述的三种焊丝的成分设计,经过冶炼、拉拔等加工工序得到1、2、3号焊丝,规格均为Ф4mm,分别配合CHF102 埋弧焊剂按照GB/T12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》进行熔敷金属试验,母材选用尺寸为400mm×150mm×20mm的Q460钢,反面衬垫尺寸为400mm×31mm×12mm,坡口型式及装配如图1所示。三组焊丝熔敷金属试验焊接电流大小为600A,电弧电压30V,焊接速度40~ 45cm·min-1,道间温度控制在150~180℃之间。

2.1    熔敷金属拉伸力学性能
        按照GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》标准,对熔敷金属进行拉伸试验,测得1、2、3组焊丝的熔敷金属屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm及断后延伸率A如表5所示。随着焊丝Mn和Ni元素含量的增加,焊缝熔敷金属屈服强度Rp0.2及抗拉强度Rm呈线性上升,这是因为Mn、Ni能够促进焊缝中生成针状铁素体,使焊缝组织强度增加。其中2号和3号焊丝的熔敷金属强度均高于母材,属于超强匹配,不属于低合金高强焊接时选用焊接材料的原则。强度过大容易引起金属的塑性下降,1号焊丝熔敷金属断后延伸率A最高,达到27%,高于母材,而2号与3号焊丝熔敷金属的断后延伸率均低于母材。

2.2    熔敷金属低温冲击性能
        熔敷金属低温冲击吸收功如表6所示。3种型号焊丝匹配CHF102焊剂进行试验,得到的熔敷金属在-60℃下冲击试验所得冲击功平均值分别为140.2J、62J及97.3J。1号焊丝熔敷金属冲击吸收功平均值高于其它两种型号焊丝,说明此种情况下得到的焊缝熔敷金属的低温韧性相对较好。焊缝中的Ni可以增加层错能,促进低温下螺形位错,提高焊缝的低温冲击韧性,2号与3号焊丝中含Ni量均高于1号焊丝,但其低温冲击吸收功均低于1号焊丝熔敷金属,这是因为焊丝中加入有合金元素Mo,焊缝中Mo含量增加会导致焊缝中粒状贝氏体增加,该组织将降低焊缝的韧性。2 号焊丝中含Mo量最高,其熔敷金属的冲击吸收功也最低。焊缝的冲击韧性还与焊接热输入、母材成分过渡、夹杂物等因素有关[12],如果焊丝熔敷金属冲击吸收功值较低,在进行焊接接头对接埋弧焊试验时,焊接接头的冲击韧性可能无法保证。


 
2.3    熔敷金属扩散氢试验
        根据GB/T3965-1995《熔敷金属中扩散氢测定方法》采用气相色谱法进行熔敷金属扩散氢试验。将上述3种焊丝匹配CHF102型焊剂对试板进行埋弧焊接。每种焊丝进行四组试验,求其平均值。试板及引弧板、引出板预先作去氢处理,加热温度为500℃,保温约2h。试板及引弧板、引出板的全部表面应进行加工,保证光滑和清洁。三种焊丝对应的焊接参数均为焊接电流620A,电弧电压30V, 焊接速度58cm/min。熔敷金属扩散氢含量结果如表7所示,由表可知三种型号焊丝4块试板测得的熔敷金属扩散氢含量平均值低于5ml/100g,达到超低氢标准,能有效避免焊缝中出现氢致裂纹。

2.4    焊接材料的确定
        对三种型号焊丝熔敷金属的各项性能指标进行对比:熔敷金属拉伸强度方面,2号与3号焊丝熔敷金属屈服强度Rp0.2与抗拉强度Rm相对较大, 1号焊丝熔敷金属屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm分别为495MPa和575MPa,与F460Z母材的强度更为接近,从强度上考虑,根据等强匹配的原则,1号焊丝更适合于F460Z钢的焊接;熔敷金属-60℃冲击韧性方面,1号焊丝熔敷金属冲击吸收功相比之下最高,2号与3号焊丝熔敷金属冲击吸收功均低于1号,而且焊丝中Ni与Mo含量偏高,焊丝成本高,从数值和经济性上综合考虑,1号焊丝更适合于F460Z钢的焊接;熔敷金属扩散氢方面,3种焊丝的熔敷金属扩散氢含量分别为2.655ml/100g、2.785ml/100g和2.598ml/100g,均达到超低氢标准。综合考虑,确定最佳焊丝为1号焊丝,匹配的焊剂为CHF102氟碱型碱性低氢烧结焊剂。
 
3    熔敷金属微观组织及成分分析
        选取1号焊丝熔敷金属的试板切割出一个金相试样,对金相试样表面进行处理后用4%的硝酸酒精腐蚀,在金相显微镜及电子显微镜下观察熔敷金属微观组织,如图2所示。熔敷金属组织以针状铁素体(AF)为主,还有少量的先共析铁素体(PF)与粒状贝氏体(GB)。从图2(a) 中可以看出熔敷金属内白色的先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出,沿柱状晶界分布;从图中可以清晰观察到晶内的针状铁素体组织,且晶内针状铁素体的尺寸细小而致密;图2(b)为电子显微镜下2000倍熔敷金属组织,可以清晰看到每个针状铁素体的形貌。


 
        利用光谱仪对1号焊丝熔敷金属的化学成分进行测定,如表8所示。由表8可知,1号焊丝熔敷金属S含量和P含量均控制在较低的水平,分别为0.007%与0.012%,保证了熔敷金属的低温韧性。
 

 
4    结束语
4.1    根据生产实践和F460Z钢焊接时的要求,设计了三种不同型号的焊丝,配合CHF102型焊剂进行熔敷金属试验,对熔敷金属拉伸、冲击力学性能以及扩散氢进行测定,对比三种型号焊丝熔敷金属各项性能,确定1号焊丝为最佳研制焊丝。
4.2    1号焊丝熔敷金属屈服强度和抗拉强度分别为495MPa和575MPa,断后延伸率为27%,-60℃下低温冲击吸收功平均值为140.2J,熔敷金属扩散氢含量平均值为2.655ml/100g,达到超低氢标准。
4.3    焊丝熔敷金属微观组织主要为细小且致密的针状铁素体,熔敷金属S含量与P含量均控制在较低的水平,分别为0.007%与0.012%。
 
 
 
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