張宇　潘鑫　周鋮　馬建超

摘要：首先介紹了沙鋼焊絲鋼生產(chǎn)的技術(shù)裝備和工藝路線；然后介紹了焊絲鋼新品的研發(fā)流程，并簡要介紹了提高焊絲鋼工藝性能的低飛濺控制技術(shù)、高純凈焊絲鋼的雙渣冶煉技術(shù)、以及基于表面質(zhì)量控制的熱軋技術(shù)；最后介紹了部分新品焊絲鋼的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：焊絲鋼；埋弧焊絲；氣體保護(hù)焊絲；海工鋼焊絲；大熱輸入焊絲

中圖分類號：TG422

0 沙鋼焊絲鋼生產(chǎn)概況

裝備方面，采用“100噸電爐/180噸轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF精煉→真空處理→小方坯連鑄→高線控軋→斯泰爾摩緩冷”流程工藝路線，具備年產(chǎn)300萬噸的多品種、多規(guī)格焊絲鋼盤條的生產(chǎn)能力。技術(shù)方面，形成了“雙渣脫磷”，“預(yù)脫硫”等高純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、基于盤條表面氧化皮控制的加熱和軋制技術(shù)、降低焊絲產(chǎn)品焊接飛濺的冶煉和軋制技術(shù)、用于提高盤條拉拔性能的組織控制的控冷技術(shù)等。

借助上述裝備和技術(shù)優(yōu)勢，使得普通級別焊絲鋼的表面質(zhì)量和拉拔性能等多項(xiàng)指標(biāo)較以前有顯著提高；2012年各類焊絲鋼新品產(chǎn)銷均創(chuàng)歷史新高，如氣體保護(hù)焊絲鋼盤條銷售35萬噸，埋弧焊絲鋼盤條銷售5萬噸。在新品研發(fā)方面，形成了“實(shí)驗(yàn)室研發(fā)-現(xiàn)場生產(chǎn)-用戶試用反饋”三位一體的新品研發(fā)體系。通過客戶交流和市場調(diào)研摸清用戶需求，通過實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)計(jì)和工藝制定中試方案，根據(jù)反饋結(jié)果制定現(xiàn)場冶煉軋制工藝，再通過現(xiàn)場跟蹤和用戶使用跟蹤查清產(chǎn)品性能，并通過用戶反饋優(yōu)化成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝。截至目前，通過不懈努力，沙鋼在焊絲鋼產(chǎn)品開發(fā)方面取得了一系列重大成果。近年來成功研發(fā)管線鋼配套埋弧焊絲、高強(qiáng)鋼配套氣體保護(hù)焊絲、船舶海工鋼配套焊絲及大熱輸入專用焊絲等系列產(chǎn)品。為進(jìn)一步滿足用戶和市場需求，主要瞄準(zhǔn)不銹鋼和高溫合金等領(lǐng)域用特鋼的高合金焊絲鋼冶煉生產(chǎn)平臺正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)10月份可投入生產(chǎn)。

1 沙鋼焊絲鋼研發(fā)流程

圖1為基于“實(shí)驗(yàn)室研究-現(xiàn)場生產(chǎn)-用戶試用反饋”的焊絲鋼研發(fā)流程，主要包括三個階段：實(shí)驗(yàn)室研究、現(xiàn)場生產(chǎn)、用戶使用反饋；三個階段相互反饋，共同影響焊絲鋼產(chǎn)品的研發(fā)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。對于普通級別焊絲鋼，可采用“100噸電爐→LF→VD→保護(hù)澆鑄→方坯”或“180噸轉(zhuǎn)爐→LF→RH→保護(hù)澆鑄→方坯”冶煉技術(shù)；但是針對純凈鋼，在上述路線基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用雙渣除磷技術(shù)、合金包芯線除硫技術(shù)等可確保鋼水P≤0.06‰，O， S和N≤0.03‰ [1]。

盤條表面質(zhì)量控制方面：通過優(yōu)化加熱制度，減小Fe2SiO4層厚度的作用，有效減小氧化皮嵌入量；優(yōu)化軋制工藝后提高吐絲溫度，改善冷卻水質(zhì)量，增大除鱗水壓，有效解決盤條表面紅銹問題[2]。

提高拉拔性能方面：通過研究材料的CCT行為，采用Stelmor控冷設(shè)備緩冷軋后盤條，使盤條拉拔之前無需回火也不會造成拉拔斷絲問題。

降低氣體保護(hù)焊絲焊接飛濺方面：通過優(yōu)化精煉渣成分，提高夾雜物吸附能力，延長軟攪拌時間，促進(jìn)大型夾雜物上浮，加強(qiáng)連鑄氬氣保護(hù)，防止增氮和二次氧化等措施，有效控制了Ca，S等雜質(zhì)元素造成的焊接飛濺問題。

因此，通過這套“三位一體”的焊絲鋼研發(fā)體系，不僅縮短研發(fā)生產(chǎn)流程，拓展焊絲鋼品種，而且能有效地控制焊絲鋼生產(chǎn)的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)。

2 沙鋼高端焊絲鋼新品研發(fā)

2.1 管線鋼配套埋弧焊絲

2.1.1 X80/90/100配套埋弧焊絲

近年來，天然氣、石油工業(yè)飛速發(fā)展，采用大直徑、高壓力提升單管輸送能力是管道大型化發(fā)展的趨勢。這就要求輸送管線具有很高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性。于去年開工建設(shè)的我國“西氣東輸”工程中的“三線”用鋼選用X80，淘汰了 “二線”中采用部分X70[3]；而在規(guī)劃中的“四線”和“五線”工程中將采用新一代管線鋼X90/100 [4-6]，這就需要配套的埋弧焊絲。

采用Mn-Ni-Mo-Cr合金設(shè)計(jì)，并通過合金元素控制焊縫淬性、相變溫度、晶粒度、晶粒形態(tài)等進(jìn)而控制顯微組織；通過合金元素強(qiáng)化焊縫金屬基體組織，以達(dá)到高強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的搭配。

圖2為采用新研制焊絲、采用四絲雙面埋弧焊接后得到的焊管的典型焊縫微觀組織。

從圖2中可見，焊縫組織主要由針狀鐵素體、沿奧氏體晶界結(jié)晶的板條狀貝氏體以及少量粒狀貝氏體組成，其中的針狀鐵素體晶態(tài)大小不等，彼此咬合、互相交錯分布，板條貝氏體的排列較為規(guī)則，但被不規(guī)則的針狀鐵素體和粒狀貝氏體擠壓分割，使其板條束較為細(xì)小，這也是焊縫具有較高強(qiáng)度，同時具有較好韌性的原因[7， 8]。

對X80/90/100配套埋弧焊絲的焊縫金屬進(jìn)行拉伸和沖擊測試，力學(xué)性能結(jié)果如表1所示。由表1可知，X80/90/100配套焊絲經(jīng)焊管試驗(yàn)的焊縫強(qiáng)度能夠滿足美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API—5L分別對各級別管線鋼強(qiáng)度的要求，三種級別焊絲的焊縫金屬-20 ℃沖擊吸收能量分別在180 J， 150 J和120 J以上，滿足API—5L對X80/90/100管線鋼的低溫韌度要求。

2.1.2 彎管管線鋼配套焊絲

管道建設(shè)中需要直管（直縫管和螺旋管）和彎管相配合以完成連接部分，彎管是在直管的基礎(chǔ)上經(jīng)在線中頻加熱、熱彎曲變形、淬火、高溫回火等工序完成[9]。由于沒有專門配套焊絲，彎管廠商普遍采用直管用焊絲，但常出現(xiàn)焊接金屬低溫沖擊不合格，影響產(chǎn)品性能。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，直縫管經(jīng)加熱、熱彎曲變形后，焊縫組織易出現(xiàn)粒狀貝氏體，而隨后的淬火、回火未能有效地降低這種脆性組織的含量。彎管管線鋼配套焊絲利用Mn， Ni和Mo等脆性矢量較小的元素，降低奧氏體γ→鐵素體α相變溫度，使先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)分離，在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得針狀鐵素體，同時控制貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度范圍，因此可以有效控制彎管制作過程中的脆性組織含量，從而提高韌性。

圖3示出了采用新開發(fā)焊絲制成的埋弧直縫管、以及熱煨彎管的典型焊縫組織。彎管中保留了大部分韌性較好的鐵素體，只有少量的脆性貝氏體組織。

原焊絲與彎管配套焊絲焊管試驗(yàn)的焊縫低溫沖擊韌性結(jié)果如表2所示。相比原焊絲，配套焊絲提高了直縫管的低溫沖擊韌性，并且使彎管焊縫-20 ℃沖擊吸收能量由原焊絲的最低31 J提高到最低131 J，也說明采用新焊絲能有效控制脆性組織的轉(zhuǎn)變，同時配套焊絲的-40 ℃焊縫沖擊吸收能量也遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.3 低溫管線鋼配套焊絲

在中國境內(nèi)建設(shè)的油氣輸送管道對鋼管的沖擊性能是滿足-10 ℃或-20 ℃沖擊吸收能量要求的；但在俄羅斯或北極圈附近建造的管道則會有-40 ℃沖擊吸收能量要求，以確保鋼管在嚴(yán)寒凍土地帶的安全性能[10]。X80級別的管線鋼K65（俄羅斯牌號）在俄羅斯的需求量大[11]，目前每年約出口5萬噸K65管線鋼，但以往由于沒有配套焊絲，而只能采用原國內(nèi)X80焊管所用焊絲，生產(chǎn)的焊管其焊縫金屬的夏比沖擊性能不能滿足要求。

在系統(tǒng)調(diào)查焊縫化學(xué)成分、母材鋼板化學(xué)成分和焊接工藝對焊縫組織和低溫沖擊韌性影響規(guī)律基礎(chǔ)上，對原有焊絲成分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)；通過優(yōu)化Ni， Mo， Ti， B元素比例，以及C， Mn， Si和O含量比例控制，實(shí)現(xiàn)了焊縫金屬低溫沖擊韌性提高。用戶制管試驗(yàn)結(jié)果見表3，采用配套焊絲焊制的K65管線鋼的焊縫-40 ℃沖擊吸收能量單值最低180 J，均值196 J，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求，且韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60 ℃，能夠確保管道的安全。

2.2 高強(qiáng)高韌氣體保護(hù)焊絲鋼

2.2.1 船舶和海工鋼配套氣體保護(hù)焊絲

隨著船舶和海工行業(yè)的迅猛發(fā)展，含有Ni， Cr和Mo等合金元素的高強(qiáng)低溫鋼得到了廣泛應(yīng)用；該類鋼需要同時滿足高強(qiáng)度、高韌性、抗層狀撕裂及耐腐蝕性能。該類鋼通常采用進(jìn)口藥芯氣體保護(hù)焊絲進(jìn)行焊接加工，不但價格昂貴，而且供貨周期長，制約了行業(yè)的發(fā)展。因此，開發(fā)適用于海工鋼焊接的實(shí)心氣體保護(hù)焊絲，取代長期依賴的藥芯焊絲，是國內(nèi)海工鋼配套焊接材料的發(fā)展趨勢[12，13]。

在原有低級別海工鋼配套焊絲鋼盤條ER55/62-G基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了Ni， Cr和Mo等合金元素對焊縫金屬的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的影響，研發(fā)了配套國內(nèi)高強(qiáng)度海工鋼EQ56/70的氣體保護(hù)焊絲鋼盤條ER69/76-G，該產(chǎn)品兼顧焊絲的制作加工性能（拉拔性能、酸洗時氧化皮脫落容易程度、盤條表面質(zhì)量）以及焊接工藝性能（飛濺大小、焊縫成形質(zhì)量、焊縫的耐腐蝕性能）。

采用新焊絲ER69/76-G進(jìn)行海工鋼板焊接試驗(yàn)，焊縫組織對比原焊絲如圖4所示。

由圖4可知，新焊絲的焊縫組織中晶界鐵素體尺寸和數(shù)量相比明顯減少，并未出現(xiàn)如ER55/62-G中的側(cè)板條鐵素體和魏氏體組織，也說明了調(diào)整后的合金元素對焊縫組織的細(xì)化作用[14]。

新焊絲的焊縫力學(xué)性能如表4所示，采用ER69/76-G焊制的焊縫強(qiáng)度能滿足海工鋼EQ56/70的標(biāo)準(zhǔn)要求，-20 ℃的低溫沖擊吸收能量大于80 J，反應(yīng)了良好的低溫韌性。

2.2.2 Cr-Mo系耐熱鋼配套焊絲

低合金Cr-Mo系耐熱鋼廣泛應(yīng)用于煉油化工、煤化工、化肥等石油化工行業(yè)設(shè)備的制造，常見的Cr-Mo系低合金耐熱鋼品種有1.25Cr0.5Mo， 2.25Cr1Mo和2.25Cr1MoV，國內(nèi)已有一些企業(yè)具有該類鋼板生產(chǎn)能力，但與之配套的焊絲卻長期依賴于日本神鋼、德國伯樂蒂森、法國SAF等少數(shù)國外品牌[15]。

近年來，國內(nèi)已有廠家嘗試開發(fā)了一些Cr-Mo系耐熱鋼配套焊絲；但產(chǎn)品普遍存在以下問題：其一是焊絲成分、力學(xué)性能不穩(wěn)定；其二是焊絲鋼盤條強(qiáng)度過高不易拉拔制絲。針對以上問題，沙鋼進(jìn)行了該類焊絲鋼研制。由于此類設(shè)備服役溫度高達(dá)500 ℃，為了保證焊縫的耐高溫性能和抗回火脆性，配套焊絲嚴(yán)格控制成分，特別是P， Sb， Sn和As等雜質(zhì)元素含量。同時，通過CCT行為研究確定盤條軋制及冷卻過程的各個參數(shù)，包括吐絲溫度、Stelmor緩冷速度和集卷溫度等，使其具有較高的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，從而保證盤條在制絲過程中容易拉拔且不易斷絲。

批量生產(chǎn)供貨的盤條及加工成焊絲后，通過焊接得到的熔敷金屬組織如圖5所示。軋制盤條鐵素體和貝氏體含量較多，少量珠光體，沒有出現(xiàn)如原盤條中的馬氏體，從而降低了強(qiáng)度。熔敷金屬以密集的晶內(nèi)針狀鐵素體為主，能保證較好的強(qiáng)韌度。

采用配套焊絲焊接Cr-Mo系耐熱鋼板，焊接接頭經(jīng)焊后熱處理690 ℃×2 h后的焊縫性能如表5所示，在保證足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，焊縫的-25 ℃沖擊吸收能量均值可達(dá)196 J，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 大熱輸入量焊接專用焊絲

為了提高結(jié)構(gòu)建造效率，多絲埋弧焊、氣電立焊和電渣焊等大熱輸入量焊接方法逐漸在建筑、造船和橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到應(yīng)用。可抵抗大熱輸入焊接鋼板的研發(fā)已得到了鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的重視[16-19]，但鮮有相關(guān)配套焊接工藝和材料（焊絲）的研發(fā)報道。沙鋼在成功開發(fā)可抵抗大熱輸入量焊接的船板鋼EH36/40-W150和建筑橋梁鋼Q390/420DW[20，21]的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了配套焊接工藝和材料的研發(fā)。

2.3.1 電渣焊配套焊絲

電渣焊是一種垂直高效的焊接方法，其焊接熱輸入量可達(dá)300～800 kJ/cm，常用于建筑、橋梁結(jié)構(gòu)的大長度立焊縫焊接以提高焊接效率[22，23]。與氣體保護(hù)焊接方法相比較，電渣焊有以下特點(diǎn)：①熔池尺寸大；②熔池停留時間長；③焊縫稀釋率大。這使得電渣焊接頭冷卻速度慢，焊縫和熱影響區(qū)的組織容易粗化，進(jìn)而使沖擊韌性惡化。為克服上述缺點(diǎn)，電渣焊需專用焊絲以確保焊縫金屬的沖擊性能滿足要求[24]。

通過分析電渣焊焊縫和熱影響區(qū)沖擊性能惡化的原因，調(diào)查組織與性能的關(guān)系，在系列試驗(yàn)和試生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，沙鋼成功研發(fā)了電渣焊配套焊絲SG-S1（φ1.6 mm）。該焊絲嚴(yán)格控制微合金元素含量及適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)元素含量，利用Mg，Ca等微合金元素生成細(xì)小、彌散、高熔點(diǎn)氧化物質(zhì)點(diǎn)，Ti，B等微合金元素形成氮化物或硫化物，這些質(zhì)點(diǎn)均對晶界具有釘扎作用，抑制焊縫晶界鐵素體長大，同時又不影響晶內(nèi)鐵素體的形核能力，從而改善焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性；同時，焊縫金屬在高溫作用下向熱影響區(qū)擴(kuò)散Ti，B元素，由此生成的TiN，BN同樣可以細(xì)化粗晶區(qū)晶粒，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的生成，從而改善強(qiáng)度和韌度[25]。

采用該焊絲進(jìn)行電渣焊試驗(yàn)，板厚60 mm，熱輸入量為535 kJ/cm，焊接接頭宏觀金相及微觀組織如圖6所示，可見厚板通過電渣焊焊接一次成形質(zhì)量較好，焊縫組織和熱影響區(qū)晶粒尺寸控制較好，晶內(nèi)分布密集的針狀鐵素體，能夠保證良好的低溫韌度。不同位置的低溫沖擊吸收能量結(jié)果如圖7所示，雖然焊縫韌性相比熱影響區(qū)略差，但均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 FCB埋弧焊用焊絲

單面焊雙面成形工藝可一次獲得雙面成形焊縫，避免了因焊接背面焊縫所需的鋼板翻身、清根與焊接工作，大大提高了焊接效率和自動化水平，埋弧焊焊劑銅襯墊（FCB）單面焊雙面成形工藝在造船領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[26，27]。隨著造船工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)CB法焊接已經(jīng)在平面分段流水線作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是仍存在焊接接頭沖擊韌性不穩(wěn)定現(xiàn)象，尤其是在焊接熱影響區(qū)的低溫韌性惡化[28，29]。

采用夾雜物控制技術(shù)、并利用結(jié)晶鋼生產(chǎn)平臺技術(shù)、先進(jìn)的控制軋制和控制冷卻技術(shù)，開發(fā)出了高焊接性能的系列船板鋼，實(shí)現(xiàn)了厚度規(guī)格在36 mm以下的鋼板可單道次焊透，且焊接熱影響區(qū)的-20 ℃沖擊吸收能量穩(wěn)定在200 J以上，焊縫金屬的-20 ℃沖擊吸收能量在100 J左右。

為進(jìn)一步提高焊縫金屬和焊接接頭的整體力學(xué)性能，通過系統(tǒng)研究不同焊接輸入量下化學(xué)元素Ti， B和Mg等元素對焊縫、熱影響區(qū)組織的細(xì)化機(jī)制，開發(fā)了適用于船板鋼FCB焊接的專用焊絲。

新焊絲充分考慮船廠常用焊劑中的元素向焊縫的過渡，嚴(yán)格控制Ni， Mo和Ti等合金元素含量，在原有埋弧焊絲基礎(chǔ)上調(diào)整B， Si和Ca等含量，以增強(qiáng)焊縫及熱影響區(qū)強(qiáng)韌匹配。

采用該焊絲對36 mm厚的DH36鋼板進(jìn)行的FCB三絲埋弧焊試驗(yàn)，不同位置的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見圖8，各位置的低溫沖擊吸收能量相比標(biāo)準(zhǔn)要求均有較大的富余量。

3 結(jié)束語

作為國內(nèi)領(lǐng)先的棒線材生產(chǎn)研發(fā)基地，沙鋼具備焊絲鋼生產(chǎn)的裝備和技術(shù)優(yōu)勢，在裝備方面有電爐和轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)工藝技術(shù)方案；在技術(shù)方面，形成了“雙渣脫磷”和“預(yù)脫硫”等純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、基于盤條表面氧化皮控制的加熱和軋制技術(shù)、降低焊絲產(chǎn)品焊接飛濺的冶煉和軋制技術(shù)、用于提高盤條拉拔性能的組織控制的控冷技術(shù)等。

借助上述裝備和技術(shù)優(yōu)勢，形成了“實(shí)驗(yàn)室研發(fā)—現(xiàn)場生產(chǎn)—用戶試用反饋”三位一體的新品研發(fā)體系。在常規(guī)產(chǎn)品基礎(chǔ)上，研發(fā)了X80/90/100管線用系列埋弧焊絲鋼、550～960 MPa高強(qiáng)韌系列氣體保護(hù)焊絲鋼、Cr-Mo耐熱焊絲鋼及大熱輸入用焊絲鋼等多個重點(diǎn)領(lǐng)域新品焊絲鋼。并可根據(jù)用戶需求，從焊接冶金、材料學(xué)以及冶煉軋制技術(shù)等多角度綜合開展新品研制，從而為用戶提供“鋼材+焊材+焊接工藝”綜合解決方案。

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張宇簡介： 1978年出生，工學(xué)博士，主要從事高品質(zhì)鋼鐵材料、焊絲用鋼及配套焊接技術(shù)和材料的開發(fā)；已申請發(fā)明專利15項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文35篇；zhangyu02@gmail.com。