劉應虎 葉小松 管洪亮 鄭 強

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川 618013)

Cr-M o-V鋼焊條中Si對焊縫性能和工藝性的影響

劉應虎 葉小松 管洪亮 鄭 強

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川 618013)

為了改善采用焊條電弧焊工藝焊接2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的熔敷金屬的低溫沖擊性能，特別是－30℃低溫沖擊性能，以及熔敷金屬的步冷回火脆性，同時能夠更好地掌握和了解該類焊條的操作特性。文中以CMA-106HD焊條為例，在焊接過程中采用了不同的操作方式對不同批號的焊接材料進行了試驗和分析，同時采用該類焊條對不同厚度的該類鉻鉬釩鋼試板進行了焊接工藝評定。通過對焊縫熔敷金屬進行化學成分分析和步冷試驗，研究了焊縫金屬中Si含量的變化對焊縫的低溫沖擊的影響，同時以此來分析焊條的工藝性。結果表明，對于不同Si含量的焊條，可以采用不同的焊接參數和操作技巧來有效控制熔敷金屬中的Si含量，從而提高焊縫金屬的綜合性能。

CMA-106HD焊條;焊縫;性能;工藝參數

我公司生產含釩鋼容器產品時，對主體材料采用的焊接方法主要是焊條電弧焊(SMAW)和埋弧自動焊(SAW)。在焊條電弧焊中，我公司選用了牌號為CMA-106HD的低合金鋼焊條。在對該類焊條的焊接評定試驗和焊接生產過程中發(fā)現熔敷金屬Si含量會在一定程度上影響焊條在焊接過程中外觀成型的變化，同時還發(fā)現其對沖擊韌性以及步冷試驗結果的影響較為明顯。本文針對

同一牌號不同Si含量的焊條進行了評定和試驗，分析了不同批次的CMA-106HD焊條的熔敷金屬Si含量不同時，其對應的焊縫性能和工藝性能的變化。同時根據生產過程中出現的相關現象，對該類焊條的焊接提出了合理的工藝參數控制以及在操作過程中需要注意的有關事項和要領。其相關理論可以為同類Cr-Mo-V鋼焊條的應用和制造提供參考，涉及的操作要領可以為同類焊接材料的焊接提供借鑒。

1 含V鋼焊條中Si含量對焊縫性能的影響

硅對焊縫金屬組織和性能的影響主要表現在具有較強的強化作用，在一定程度上降低了焊縫金屬的沖擊韌性而使焊縫金屬的脆性增大;如果熔池中的含硅量較高將阻止氫的析出而導致焊縫金屬形成氣孔［1～3］，因而需要合理地控制焊縫金屬中的含硅量。

在生產2.25Cr-1Mo-0.25V鋼為主體材料的加氫容器時，產品的技術規(guī)程通常要求的回火脆性系數涉及X系數和J系數。J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100(目標值80，式中各元素以百分含量代入)，X=(10P+5Sb+4Sn+As) ×10－2≤15×10－6(目標值12，式中各元素以體積分數含量代入)。通常J系數表示母材的回火脆性指標，X系數表示焊縫回火脆性指標，從這兩個系數分析得到Si元素和P元素含量對回火脆性有一定的關系。另外根據資料［4］，焊縫金屬中影響脆化的主要元素是 Sb、P、Sn、As，他們對脆化敏感性的影響順序是P＞Sn＞As＞Sb。焊縫金屬中的合金元素Si、Mn本身不會引起脆化，但會促進P的脆化作用。Si含量在Cr-Mo-V鋼中降低，回火脆化量就會直線減少。因此為了降低焊縫回火脆化，需要采用低Si焊接材料，同時P元素含量也需要適當控制。

在對CMA-106HD焊條進行焊接工藝評定試驗和入庫檢驗時發(fā)現，在其它元素變化范圍非常小的情況下，當熔敷金屬中Si的含量由高變低時，其焊縫中心－30℃的沖擊韌性有一定的改善，而且其回火脆性有較大的改觀。表1為四個典型的不同批號的CMA-106HD焊條熔敷金屬的化學成分。從表1中可以看到，除了Si元素含量的變化較為明顯外，其它元素變化范圍非常小。這點也得到了廠家有關資料的證實。表1中涉及的熔敷金屬的焊接過程控制和焊接規(guī)范參數均相似，焊條直徑為4.0 mm，電流170 A ～175 A，電壓22 V～24 V，并且取樣位置均在焊縫中心。

分析發(fā)現，當熔敷金屬中Si的含量從0.27調整到0.21時，其熔敷金屬－30℃的沖擊韌性有明顯變化和改善，其沖擊值從125 J上升到150 J，3#焊條對應的－30℃沖擊值出現了一個低值，而導致沖擊功僅為123.7 J，但從趨勢上其沖擊值應優(yōu)于1#和2#焊條。當熔敷金屬中Si的含量范圍在0.20% ～0.21%之間時，其步冷曲線有非常大的改善，步冷前后曲線的變化趨勢較為一致，ΔVTr54≈1～4，如圖1和圖2所示;當焊縫熔敷金屬Si含量范圍提升到0.26% ～0.27%之間時，其步冷前后曲線之間的距離相對較大，ΔVTr54≈10～13，如圖3和圖4所示。在試驗過程中，熱處理過程均采用相同的規(guī)范，其焊接接頭經最小焊后熱處理(Min.PWHT)以及經最小焊后熱處理加步冷處理后進行取樣試驗，最小熱處理規(guī)范為

從試驗中發(fā)現，焊縫中Si含量的變化會引起步冷前后曲線的變化。一般Si含量越低，其步冷前后的兩條線越容易重合。從ASMEⅧ-2(2004版)附錄26表26-400.1中可以看到，對于不同的焊接方法，如SAW和SMAW，其對焊縫化學成分的要求除了Si不同外，對其它的化學成分的要求是相同的，見表2。在進行埋弧自動(SAW)焊接方法的試驗時，發(fā)現在其它元素變化范圍不大的情況下，其步冷曲線和－30℃沖擊功也將隨著Si元素的變化而發(fā)生明顯的波動，而且變化規(guī)律與SMAW焊接方法中焊縫金屬的變化規(guī)律類似，同時在試驗中發(fā)現當Si含量較低時容易出現曲線倒轉的情況。

表1 不同批號的CMA-106HD熔敷金屬化學成分(質量分數，%)Table 1 Chem ical compositions of different lots of CMA-106HD welding deposited metal(mass fraction，%)

表2 ASM E標準中SMAW和SAW焊接方法焊接2.25Cr-1M o-0.25V鋼對焊縫化學成分的要求(質量分數，%)Table 2 Chem ical com position requirements of electrode for 2.25Cr-1M o-0.25V welded by SMAW and SAW in ASME code(mass fraction，%)

圖1 3#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 1 Weld step-cooling curve of the No.3 electrodes

圖2 4#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 2 Weld step-cooling curve of the No.4 electrodes

2 加V鋼焊條中Si含量對焊縫成型的影響

圖3 1#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 3 Weld step-cooling curve of the No.1 electrodes

圖4 2#焊條的焊縫步冷曲線圖Figure 4 Weld step-cooling curve of the No.2 electrodes

CMA-106HD耐熱鋼低氫型焊條屬于堿性焊條。在焊接過程中發(fā)現，藥皮中含Si量高的焊條，焊接熔池的流動性較好，渣的粘度較小，焊接時飛濺較小，焊縫表面成型美觀。相反，當采用Si含量較低的焊條時，發(fā)現其焊接過程中熔池的粘度較大，焊接時熔渣不容易逸出，熔池中的熔渣不斷涌向焊接方向而影響焊接操作人員對熔池的觀察，同時其焊接過程中出現的飛濺高于含Si量高的焊條，焊縫表面成型也較差。其原因可能是在堿性焊條中存在一定量的高熔點堿性氧化物，如CaO，另外，為了滿足焊條的工藝性，在焊條藥皮中加入了一定含量的SiO2，或者有相似作用的Si化合物。資料表明［5］，在焊條電弧焊的熔池中，當SiO2與CaO滿足CaO/SiO2=1.87時，會形成正硅酸鹽(CaO)2·SiO2，此時渣中的Si-O離子主要以小尺寸SiO44－形式存在，熔池渣的粘度較小。對于Si含量低的焊條，其熔池渣系中可能存在一定量的CaO，這些CaO形成以未熔化的固體顆粒，從而增大了渣的流動阻力，使粘度升高而導致焊接過程中不時出現瞬間爆弧的現象，這也是焊條飛濺增大的原因之一。在焊條藥皮中加入一定量的SiO2后，CaO與SiO2非常容易形成低熔點硅酸鹽(如 CaO·SiO2，熔點 1 540℃)［6］，使熔渣粘度下降，從而焊條的工藝性得到了一定的改善。焊條在焊接過程中表現出飛濺小、焊縫成型光滑，但是熔池渣中存在大量Si化合物會導致焊縫金屬中Si的含量增加，從而導致焊縫力學性能受到一定的影響。

3 焊接參數對Si含量的影響

在手工電弧焊的條件下焊條藥皮及焊芯都將經歷一個超高溫的過程，熔滴平均溫度達2 100～2 200℃ ，熔池溫度達1 600～2 000℃。在這樣的高溫條件下，熔池將發(fā)生一系列高溫冶金反應，其焊條藥皮堿度的組成成分，如硅鐵、錳鐵以及渣中FeO都將影響熔敷金屬中的含硅量［7］。但是在某一種焊條生產工序完成時，其中的各種成分就相對穩(wěn)定了，這時只能通過焊接參數來實現熔敷金屬中Si含量的微弱調整。在焊條使用的過程中，分析焊接工藝參數與Si還原反應的關系，可以發(fā)現熔敷金屬中的含Si量隨著電壓的增加和電流的減少而增加。增加焊接電流，降低熔滴過渡頻率，氧化反應的時間變短，Si的氧化損失減少，熔池中Si的含量也相應減少;反之，增加電弧電壓，氧化反應的時間增長，Si的損失率增加，熔池中含 Si量也相應增大［5］。

因此，若采用常規(guī)參數和常規(guī)的操作方法獲得的熔敷金屬中Si的含量較高時，可以采用增加焊接電流和降低焊接電壓來減少Si含量。電流可以調整為180 A～190 A，操作中應注意控制電弧長度，易采用短電弧進行焊接來實現低的焊接電壓，這樣可以減少Si的氧化時間，使藥皮中少量的Si氧化到熔敷金屬中，從而在一定程度上提高焊縫的沖擊韌性。同時由于渣系反應中Si的含量較高，其焊縫的外觀成型非常美觀，即時使用短電弧進行焊接也不容易出現大的飛濺。在坡口的焊接過程中可以減少坡口邊緣的停留時間，因為大的電流可以使坡口邊緣較好的熔合，不容易形成咬邊。相反，采用常規(guī)參數和常規(guī)的操作方法獲得的熔敷金屬中Si的含量較低時，可以采用降低焊接電流和增加焊接電壓來增加Si的含量。焊接電流可以調整為(155～160)A，因為電流過大可能會導致焊縫成型差。在操作過程中可以使焊條角度適當變化，以便于推動粘度較大的熔池流動，使熔池不會過多地涌向焊接方向。同時在焊接工件坡口兩邊時，需要延長停留時間，以使坡口邊緣較好地熔合。通常Si含量較低時，其焊條的工藝性相對要差一些，焊縫外觀成型效果也要差一些。在試驗中發(fā)現當Si含量過低時，該焊條的工藝性通常不能較好地滿足焊接的要求，這與其它元素的匹配也有一定的關系。

4 關于Si含量的討論

在ASME標準中，不同的焊接工藝對其焊縫熔敷金屬中Si含量的控制也是不同的。而對于相同的母材，筆者認為只要焊條的工藝性能夠滿足要求，SMAW方法中對Si含量就不應該進行下限值的限制，可以由大于0.20%調整為0.05% ～0.50%。這是ASME標準中采用SAW工藝焊接時對熔敷金屬的要求。這樣，在使用2.25Cr-1Mo-V鋼系列的焊條時，可以不必過多考慮熔敷金屬對Si下限值的要求。在實際生產過程中，當某批焊條藥皮中含Si量較低時，只要綜合性能滿足要求，在產品的焊接過程中就不需要通過一些特殊手段來控制Si含量必須大于0.20%。

5 結論

(1)在采用CMA-106H焊條焊接工件時，在其它成分相對穩(wěn)定的情況下，當熔敷金屬中Si的含量較低時，其－30℃沖擊韌性值較高。Si含量在0.20% ～0.22%時，焊條的步冷數據優(yōu)于Si含量在0.26% ～0.27%時的焊條的步冷數據，但工藝性要差一些;

(2)通過對不同批號的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊條的試驗，筆者認為在不影響焊條綜合性能的前提下，其熔敷金屬中 Si的含量可以低于ASME標準中對Si的要求值0.20%;

(3)焊接參數對熔敷金屬中Si的含量有一定的影響。對于不同批號的焊條可以采用不同的焊接工藝參數來調節(jié)熔敷金屬中Si的含量，從而在一定程度上改善熔敷金屬的性能。

［1］Evans G .M.Effects of silicon on themicrostructure and properties of C-Mn all weld metal deposits［J］.Metal Construction，1986(7):P438，P444.

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［7］熊征，陳德斌，桂赤斌.堿性焊條中硅的過渡行為研究.武漢:海軍工程大學.

編輯 杜 敏

Effect of Si Element in Cr-Mo-V Electrodes on Weld Characteristics and Process Properties

Liu Yinghu，Ye Xiaosong，Guan Hongliang，Zheng Qiang

Aiming to improve low temperature impact performance of electrode depositedmetal forwelding 2.25Cr-1Mo-0.25V by SMAW and specify －30℃ low temperature impact performance as well as step-cooling temper brittleness of deposited metal and meanwhile master operational property of the electrode，taking CMA-106HD electrode as example，test and analysis have been conducted on several lots ofweldingmaterial by various of operationalmanners in the process of welding，furthermore welding procedure has been qualified regarding to the same Cr-Mo-V sheet specimen of various thicknesses by applying these electrodes.Through chemical composition analysis and step-cooling testof weld deposited metal，influence of Si content varying in weld on weld low temperature impact has been researched in order to analyze electrode performance.The result showed that Si content in depositedmetal could be controlled by applying specialwelding parameter and operationalmethod for electrodes of Si content differentia to improve integrated properties ofweld metal.

CMA-106HD welding electrode;weld;performance;technical parameter

TG422.1;TG444+.1

A

2013—11—15

劉應虎(1974—)，男，高級工程師，工程碩士，主要從事焊接試驗和焊接工藝評定工作。