裴新軍　潘川　于俊川　李箕福　吳智武　盧軍華

摘要： 介紹了新研發(fā)的焊接X100管線鋼用埋弧焊焊絲和燒結(jié)焊劑。新研發(fā)的焊劑渣系為CaF2SiO2MgOAl2O3CaO，屬于高堿度焊劑。該焊劑具有良好的工藝性能和冶金性能。利用新研發(fā)的焊劑和焊絲焊接，所得熔敷金屬具有良好的韌性和很高的強(qiáng)度，20 ℃時(shí)的熔敷金屬?gòu)?qiáng)度達(dá)到875 MPa，在-60 ℃溫度下的沖擊吸收能量值均在42 J以上。

關(guān)鍵詞： 燒結(jié)焊劑； 埋弧焊絲； X100管線鋼

中圖分類號(hào)： TG142.71 TG422.3

0 前言

近年來，隨著環(huán)保和節(jié)約能源要求的不斷增加，對(duì)材料提出了更高的要求，高強(qiáng)度級(jí)別鋼的應(yīng)用逐漸增加。在石油化工領(lǐng)域內(nèi)，管道運(yùn)輸也逐漸采用高強(qiáng)度級(jí)別的管線鋼，最先采用X45，現(xiàn)在則主要使用X80[1，2]。國(guó)外已經(jīng)試驗(yàn)性地鋪設(shè)了X120管線[3，4]，以后將會(huì)更多采用X100級(jí)別以上的管線鋼。焊接X100管線鋼，要求焊接材料所得熔敷金屬?gòu)?qiáng)度與母材接近，同時(shí)還有較高的低溫韌性。目前，這類焊接材料主要由國(guó)外焊材廠商供應(yīng)。國(guó)內(nèi)用戶想擺脫這種由國(guó)外供應(yīng)商壟斷的局面，開始與國(guó)內(nèi)的焊材供應(yīng)商和科研院所合作，開發(fā)X100管線鋼用焊接材料。

作為國(guó)內(nèi)知名度很高的焊接材料公司，不僅要提供X80鋼級(jí)別的埋弧焊絲，也順應(yīng)國(guó)際潮流，積極開發(fā)X100管線鋼用埋弧焊焊接材料。最近，成功開發(fā)了焊接X100管線鋼的埋弧焊用焊絲和焊劑，利用自己的焊接材料進(jìn)行焊接，所得焊縫金屬中的夾雜物含量少，焊縫金屬具有良好的韌性和很高的強(qiáng)度，同時(shí)能夠獲得良好的焊縫形狀。

1試驗(yàn)方法

[HT]試驗(yàn)中全部采用國(guó)產(chǎn)原料作為焊劑原材料，經(jīng)過參考中外研究資料及研制燒結(jié)焊劑的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)和因素輪換法進(jìn)行了試驗(yàn)，以選定合理的渣系、確定最優(yōu)焊劑成分。

利用新研制的焊劑和焊絲配合，焊接了拉伸和沖擊試樣試板。試板坡口形狀如圖1所示，是由厚度為25 mm的Q235碳鋼板組焊而成的。在試板的坡口底部及邊緣位置首先用W107焊條堆焊一層厚度為4 mm以上的過渡層，然后再進(jìn)行埋弧焊。埋弧焊焊機(jī)為美國(guó)林肯直流焊機(jī)，埋弧焊接的工藝參數(shù)為：焊接電流500～550 A，電弧電壓30 V，焊接速度25 m/h，極性為正極性，道間溫度150～200 ℃。焊接完成后不需熱處理，直接機(jī)加工制取室溫拉伸、成分分析、沖擊試樣和金相分析試樣。因?yàn)閄100管線鋼的使用條件苛刻，尤其對(duì)低溫韌性的要求較高，因此，此試驗(yàn)是在-60 ℃進(jìn)行V形沖擊試驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1最優(yōu)焊劑成分及工藝性能

經(jīng)過試驗(yàn)，確定了渣系為CaF2SiO2MgOAl2O3CaO的最優(yōu)焊劑成分。該焊劑堿度為2.9，屬于高堿度焊劑。

一般來說，低合金鋼用埋弧焊劑的焊接工藝性能，主要考慮焊縫成形，深坡口脫渣性和焊接過程中是否出現(xiàn)氣孔等。低合金鋼埋弧焊過程中，希望得到斷面形狀良好的焊縫，即得到鋪展較好、焊縫余高適中的焊道。因?yàn)榈秃辖痄撀窕『傅暮缚p主要用于結(jié)構(gòu)部件的連接，既要有必要的強(qiáng)度，但也不能破壞結(jié)構(gòu)的形狀，避免因焊縫余高過大而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。得到良好斷面形狀的焊縫在深坡口第一道焊接中很重要，在深坡口中，由于電磁場(chǎng)等的干擾，采用焊接工藝不良的焊劑焊接后得到的焊縫形狀很差，這種情況不會(huì)出現(xiàn)在平面堆焊中。此時(shí)出現(xiàn)的形狀不良的焊縫，在其他道次焊接完成后還需要清除。低合金鋼埋弧焊接過程中，在平面堆焊的時(shí)候，很少考慮像不銹鋼焊接過程中出現(xiàn)的粘渣現(xiàn)象，事實(shí)上低合金鋼埋弧焊過程中也很少出現(xiàn)粘渣現(xiàn)象。但在坡口焊接，尤其是深坡口焊接中，就必須考慮焊劑的脫渣性了。深坡口脫渣性更能體現(xiàn)低合金鋼埋弧焊用焊劑的工藝性能，由于很多大型結(jié)構(gòu)件都是采用大厚鋼板拼焊完成，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)深度超過100 mm的坡口，在這種情況下焊接，如果脫渣性不好，坡口第一道焊接過程中產(chǎn)生的渣不會(huì)自動(dòng)脫落，必須經(jīng)過人工清渣。這一清渣過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往還難于清理干凈，成為后來夾渣等缺陷的源地。氣孔在焊縫中是要避免的，氣孔的存在不僅削弱了焊縫的有效斷面，還是裂紋等的起裂源。對(duì)于密封用的焊縫，絕對(duì)避免產(chǎn)生貫穿氣孔。氣孔的產(chǎn)生，主要是焊劑工藝性能較差的緣故，這時(shí)只能選用合適的焊劑才會(huì)避免出現(xiàn)氣孔。焊劑受潮也會(huì)產(chǎn)生氣孔，這種情況下，烘干焊劑就可避免氣孔的生成。

新開發(fā)的焊劑工藝性能優(yōu)良，配合低合金鋼焊絲進(jìn)行埋弧焊接，能得到波紋美觀、深坡口第一道焊及平面焊接成形良好的焊縫，深坡口中脫渣性優(yōu)良、能夠自動(dòng)脫渣，焊縫中也不會(huì)出現(xiàn)氣孔。

[HT5H][STFZ]2.2焊劑的冶金性能

[HT][ST]采用焊劑時(shí)，不僅要考慮焊劑的工藝性能，更重要的是焊劑的冶金性是否合適。因?yàn)楣に囆阅苤荒鼙ＷC獲得形狀良好、沒有氣孔和夾渣等缺陷的焊縫，而冶金性能則影響焊縫熔敷金屬的力學(xué)性能，也就是焊縫的使用性能。焊接的目的是為了得到使用性能也就是得到使用性能合格的焊縫熔敷金屬，這一方面要通過焊接工藝性即焊劑工藝性能+焊接規(guī)范來保證；另一方面，則要通過焊接冶金性，即通過焊接過程中焊絲、焊劑在電弧空間中的相互作用來實(shí)現(xiàn)。其中焊絲成分已經(jīng)確定，焊絲中成分過渡到焊縫熔敷金屬中則取決于焊劑冶金性能。焊接過程中，不同的焊劑與某一焊絲配合焊接，焊絲中各元素過渡到熔敷金屬中的情況是不一樣的，有時(shí)熔敷金屬中某些元素的含量低于焊絲中的含量，此時(shí)，就說焊絲中的這些元素被燒損；反之，則通過焊劑向熔敷金屬中過渡了某些元素。通過有目的地向熔敷金屬中過渡合金元素是可以的，這樣能達(dá)到預(yù)期的目的。但是當(dāng)一些元素，如Si不是有意識(shí)地加入，而是通過焊劑過渡到熔敷金屬中的時(shí)候，也有部分氧變成氧化物進(jìn)入熔敷金屬成為了微小的夾渣，從而使熔敷金屬的韌性下降。一般地，向熔敷金屬過渡Si的焊劑為酸性焊劑或者中性焊劑。而堿性或高堿性的焊劑，則不會(huì)從焊劑向熔敷金屬過渡Si元素，保證了焊縫金屬的純凈，也使得熔敷金屬有較高的沖擊韌性。這也就是為什么要求要高沖擊韌性的場(chǎng)合經(jīng)常采用堿性焊劑的緣故。

因?yàn)閄100管線鋼的強(qiáng)度高，又要求較高的沖擊韌性，在選用焊劑時(shí)就要選用高堿度焊劑。同樣，我們開發(fā)焊劑時(shí)也專注于堿性焊劑，經(jīng)過不懈的努力，開發(fā)出了工藝性優(yōu)良，不向焊縫熔敷金屬過渡Si，合金元素?zé)龘p較少的堿性焊劑。該焊劑配合低合金鋼焊接時(shí)合金元素的燒損情況見表1。從結(jié)果來看，新研制的焊劑配合低合金鋼焊絲所得熔敷金屬中，Mn，Si含量比焊絲中都略有減少。說明新開發(fā)的焊劑不向熔敷金屬中過渡[CM（23*2]Si，而對(duì)合金元素Mn有所燒損，但總的來說，由于合金