肖暉, 馬風(fēng)輝

(奧鋼聯(lián)伯樂(lè)焊接(中國(guó))有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

石油精煉設(shè)備、鍋爐管道、壓力容器及氣化設(shè)備等焊接時(shí)選用的材料需要焊接性優(yōu)良、冷裂紋敏感性低、耐高溫性和抗蠕變性能好等要求[1-3]。

在此基礎(chǔ)上，滿足不同熱輸入條件，同時(shí)具有高熔敷效率，高焊縫純度，極低微量有害元素、低回火脆化傾向、低擴(kuò)散氫含量及長(zhǎng)時(shí)熱處理等要求對(duì)焊接材料的研制工作又提出了新的挑戰(zhàn)[4]。

文中將對(duì)適用于以上要求的交直流兩用的鉻鉬耐熱鋼焊條B?HLER FOX E8016-B2的研制及研制產(chǎn)品的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)要闡述。

1 焊條藥皮組分與化學(xué)成分及力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 焊條藥皮組分設(shè)計(jì)

E8016-B2焊條為交直流兩用堿性焊條，其擴(kuò)散氫要求為H4 (H≤4 mL/100 g)。為達(dá)到交直流兩用低氫堿性渣系的使用要求，其藥皮配方設(shè)計(jì)關(guān)注于：

(1)以碳酸鹽和氟化物為堿性藥皮的主體，并適當(dāng)調(diào)整碳酸鹽與氟化物的搭配比例：碳酸鹽用來(lái)造渣、造氣、穩(wěn)?。环锟上≡⑵鸬饺渥饔?，同時(shí)藥皮中嚴(yán)格控制含有結(jié)晶水的物質(zhì)的加入量。

(2)為滿足交直流兩用，需加入稍多的穩(wěn)弧劑，同時(shí)加入一定量的鐵粉，提高電弧穩(wěn)定性的同時(shí)增加熔敷效率。

(3)焊條應(yīng)具有良好的焊接工藝性，如易脫渣，飛濺少，焊縫成形美觀，適用電流范圍大等。

具體藥皮組分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 焊條藥皮組分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊條熔敷金屬化學(xué)成分指標(biāo)設(shè)計(jì)

E8016-B2耐熱鋼焊條需具有抗高溫氧化和熱強(qiáng)性，加入Si，Cr等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時(shí)，表面能生成致密的高熔點(diǎn)氧化膜，保護(hù)鋼不受高溫氣體的繼續(xù)腐蝕；加入Mo，Ti等元素能提高鋼的高溫強(qiáng)度。

化學(xué)成分指標(biāo)設(shè)計(jì)首先綜合參考美標(biāo)AWS A5.5: E8016-B2, 歐標(biāo)EN ISO 3580-A: E CrMo 1 B 1 2及國(guó)標(biāo)GB/T 5118: E5516-1CM的所有要求，然后根據(jù)行業(yè)中主要客戶的實(shí)際采購(gòu)規(guī)范要求，確定化學(xué)成分指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

表2 熔敷金屬化學(xué)成分指標(biāo)設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

耐熱鋼沖擊韌性下降的原因，是在回火溫度下，P，Sn，Sb，As等微量元素存在晶界偏析，使脆性轉(zhuǎn)變溫度上升，從而導(dǎo)致金屬的沖擊韌性下降。其中P元素影響最大，它會(huì)使晶間聚合力減弱，而Mn和Si元素可促進(jìn)P元素的偏析，使脆化加劇, 但同時(shí)Mn又是良好的脫氧劑和脫硫劑，和Si元素一樣可提高焊縫金屬的硬度和強(qiáng)度，所以平衡焊縫金屬中Si+Mn含量，盡量減少P，Sn，Sb，As元素的含量顯得尤為重要。

為此，焊條采用低P，S線材，嚴(yán)格控制雜質(zhì)(P，S)含量，同時(shí)控制Si+Mn的總量，以減小本焊條的脆化因素。表中X系數(shù)和J系數(shù)即“脆化因子”的表達(dá)式，體現(xiàn)了控制這些元素加入量的水平。

1.3 焊條熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

耐熱鋼除了有較高的高溫蠕變性能，還需要有較好的韌性以滿足抗脆性斷裂的要求。經(jīng)過(guò)焊后熱處理，使碳化物析出導(dǎo)致鐵素體亞晶粒尺寸減小、屈服強(qiáng)度和硬度降低，從而推遲解理斷裂的發(fā)生，沖擊吸收能量增大，沖擊韌性增強(qiáng)。

焊條熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)首先綜合參考美標(biāo)AWS A5.5: E8016-B2, 歐標(biāo)EN ISO 3580A: E CrMo 1 B 1 2, 以及國(guó)標(biāo)GB/T 5118: E55161CM的所有要求，再根據(jù)主要客戶的實(shí)際采購(gòu)規(guī)范要求，確定力學(xué)性能指標(biāo)要求如表3所示。

表3 熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

2 焊接工藝與焊后熱處理規(guī)范設(shè)計(jì)

由于耐熱鋼含碳及合金元素較多，焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬化及冷裂紋，且焊后熱處理過(guò)程中易產(chǎn)生再熱裂紋。為了避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，焊前需對(duì)焊件預(yù)熱，且在盡量保持不間斷的焊接過(guò)程時(shí)，需要保證焊件溫度不低于預(yù)熱溫度，焊后需緩冷并進(jìn)行高溫回火處理。依據(jù)石化行業(yè)主要客戶的采購(gòu)規(guī)范要求，趨向于采用大電流高熱輸入焊接來(lái)提高焊接效率。綜上所述，不同規(guī)格焊條焊接工藝參數(shù)與焊后熱處理設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 焊接工藝與焊后熱處理規(guī)范設(shè)計(jì)

3 焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及金相組織

根據(jù)上述焊條藥皮組分與熔敷金屬成分的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量的配方調(diào)試，在滿足化學(xué)成分和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，盡量?jī)?yōu)化交流和直流焊接時(shí)的工藝性能。最終定型生產(chǎn)了適合于交直流兩用的全位置焊接用B?HLER FOX E8016-B2電焊條。

下面以φ4.0 mm規(guī)格為例，按照GB/T 5118《熱強(qiáng)鋼焊條》的要求進(jìn)行了化學(xué)成分測(cè)定和力學(xué)性能試驗(yàn)，焊后熱處理為(690±15)℃×1 h，(690±15)℃×4 h，(690±15)℃×20 h，經(jīng)射線(RT)Ⅱ級(jí)檢查，焊縫合格。

3.1 熔敷金屬成分與力學(xué)性能

熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，熔敷金屬力學(xué)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6、表7。

表5 熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表6 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表7 熔敷金屬?zèng)_擊試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 焊接接頭工藝參數(shù)及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭采用U形坡口，母材為SA387GR11，厚度為60 mm。其中0～12 mm使用φ3.2 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為130±10 A，道間溫度為190 ～210 ℃；12 ～30 mm使用φ4.0 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為170±10 A，道間溫度為190～210 ℃；30～60 mm使用φ5.0 mm規(guī)格焊條焊接，焊接電流為195±10 A，道間溫度為220～230 ℃。從試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)(690±15)℃×24 h熱處理后，室溫時(shí)焊材的強(qiáng)度高于母材，高溫拉伸強(qiáng)度也在穩(wěn)定水平。經(jīng)(690±15)℃×4 h熱處理后，室溫時(shí)焊材的硬度高于母材，-20 ℃時(shí)的沖擊韌性也穩(wěn)定在140 J以上。試驗(yàn)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8、表9和表10。

表8 焊接接頭對(duì)接板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表9 焊接接頭對(duì)接板沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表10 焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

3.3 焊縫金屬顯微組織

圖1為焊態(tài)和不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織，焊態(tài)時(shí)接頭的顯微組織為粒狀貝氏體,少量鐵素體和極少量珠光體；690 ℃×4 h熱處理后粒狀貝氏體部分轉(zhuǎn)變：析出碳化物，鐵素體尺寸增大；690 ℃×20 h熱處理后粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變比4 h更多：碳化物析出更多，最大鐵素體晶粒尺寸減小，鐵素體晶粒尺寸波動(dòng)范圍減小，鐵素體組織變得均勻。隨著焊后熱處理時(shí)間的增加，碳化物析出越多，細(xì)化作用越明顯，碳化物析出使亞晶粒尺寸減少，組織發(fā)生軟化，強(qiáng)度和硬度降低，韌性增強(qiáng)[5]。

圖1 焊態(tài)和兩種不同熱處理?xiàng)l件下的顯微組織

4 焊條擴(kuò)散氫測(cè)定

在焊縫中，氫大部分是以原子或者離子狀態(tài)存在，與焊縫金屬形成間隙固溶體。由于氫原子和氫離子的半徑很小，這部分氫可以在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散，稱之為擴(kuò)散氫。氫在焊縫中會(huì)引起氫脆、白點(diǎn)、氣孔和裂紋，所以控制焊縫中擴(kuò)散氫含量尤其重要。主要通過(guò)藥皮配方的設(shè)計(jì)、控制原料中結(jié)晶水含量及焊條的烘干工藝來(lái)控制焊縫中擴(kuò)散氫含量。

根據(jù)GB/T 3965—2012 《熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量測(cè)定方法》，φ4.0 mm焊條經(jīng)350 ℃×2 h再烘干后，采用熱導(dǎo)法測(cè)定焊條熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量為3.07 mL/100 g，3.44 mL/100 g，3.19 mL/100 g，都在低氫規(guī)定范圍內(nèi)(H≤4 mL/100 g)。

5 不同焊接電流下焊條的焊縫成形

研發(fā)的B?HLER FOX E8016-B2電焊條有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：焊接適用電流范圍廣，在大電流焊接時(shí)不僅焊縫成形美觀，易脫渣，飛濺少，且力學(xué)性能也不受影響，依然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，φ4.0 mm規(guī)格焊條在小中大三種電流情況下的焊縫成形情況分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 電流：DC+/145A/PA

圖3 電流：DC+/160A/PA

圖4 電流：DC+/180A/PA

6 結(jié)論

(1)開(kāi)發(fā)的鉻鉬耐熱鋼B?HLER FOX E8016-B2電焊條適用于交直流兩用，交流焊接和直流焊接時(shí)的力學(xué)性能比較一致，無(wú)明顯差異。

(2) 焊接電流范圍廣，焊接電流比常規(guī)高20%時(shí)依然具有優(yōu)異的焊接工藝性能和力學(xué)性能。

(3)長(zhǎng)時(shí)熱處理后熔敷金屬的強(qiáng)度和沖擊性能依然能夠很好的平衡，滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

(4)擴(kuò)散氫含量較低，滿足設(shè)計(jì)要求。