（材料加工工程专业论文）225cr1mo钢药芯焊丝研制及其力学性能的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代化工业的迅速发展，低合金耐热钢越来越广泛地应用于电力、化工、 石油、原子能、航空等高速发展和尖端行业，对其焊接接头的性能也提出了更高 的要求：如更高的高温强度、高温疲劳强度以及良好的塑性；同时还必须具备更好 的高温稳定性和工艺性能。焊材市场现有大量耐热钢焊材是酸性焊材，其力学性 能已不能更好的满足工业发展的要求，因此研制一种具有更高力学性能的焊材就 显得尤为重要。 本论文从以下几个方面对低合金耐热钢药芯焊丝r 4 0 7 q 及其熔敷金属的力 学性能进行了较为全面、系统的研究。 ( 1 ) 研制出一种m g o b a f 2 t i 0 2 型渣系的低合金耐热钢碱性药芯焊丝 r 4 0 7 q 。采用单因素试验法分析对影响r 4 0 7 q 药芯焊丝工艺性能主要的几种药芯 组分进行研究分析；运用正交试验优化方法确定了综合效果最好的药芯配比。 ( 2 ) 对所研制的焊丝的熔覆金属的化学成分、力学性能和焊接工艺性能进行 了全面的测试，并与国内同类焊丝进行全面对比。结果表明本论文所研制的焊丝 满足a w s 、j i s 、g b 的相关标准，综合性能达到国内同类焊丝的水平。 ( 3 ) 在保证熔敷金属的其他力学性能的基础上，考察了焊后热处理温度对 r 4 0 7 q 碱性药芯焊丝熔敷金属冲击韧性的影响。本文采用扫描电子显微镜( s e m ) 、 能谱分析( e d s ) 、金相显微镜等测试方法对焊后热处理冲击试样的组织和常规性 能进行分析。研究了熔敷金属的组织形态、析出物和冲击断口形貌对冲击韧性的 影响规律，得出了本文研制的r 4 0 7 q 药芯焊丝焊接接头的最佳焊后热处理工艺 关键词低合金耐热钢；碱性药芯焊丝；脱渣性；飞溅；焊后热处理 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc h e m i c a li n d u s t r y , l o w - a l l o yh e a t - r e s i s t a n t s t e e l sw e r ea p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a n yt i pi n d u s t r i e s ，s u c ha se l e c t r i cf o r c e ， c h e m i c a li n d u s t r y , o i li n t e r e s t s ，n u c l e a rp o w e r , a v i a t i o n , e t c b e t t e rp e r f o r m a n c e sf o r t h e w e l d i n gj o i n t w e r e r e q u i r e d ，s u c h a s h i g h e rh i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h , t l i g h - t e m p e r a t u r ef a t i g u er e s i s t a n c e a n dg o o dp l a s t i cp r o p e r t y , a sw e l la s b e t t e r h i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dp r o c e s s i n gp r o p e r t y ag r e a td e a lo fh e a t r e s i s t a n t a n t s t e e lw e l d i n gm a t e r i a l si nt h em a r k e tw e r ea c i d i t yw e l d i n gm a t e r i a l s ，m o s to fw h i c h c a nn o tm e e tt h ei n d u s t r i a lr e q u i r e m e n t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t y t h e r e f o r ei ti s i m p o r t a n tt od e v e l o p eaw e l d i n gm a t e r i a lf o rl o w - - a l l o yh e a t r e s i s t a n ts t e e l sw i t hh i g h e r m e c h a n i c a lp r o p e r t y t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n da n a l y z e dt h el o w - a l l o yh e a t r e s i s t a n ts t e e l f l u x - c o r e dw i r ea n dt h ep e r f o r m a n c e so fd e p o s i t e dm e t a l t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) an e wt y p el o w - a l l o yh e a t r e s i s t e ds t e e la l k a l i n i t yf l u xc o r e dw i r er 4 0 7 q o f s l a g s y s t e m m g o b a f 2 一t i 0 2w a sd e v e l o p e d b yu s i n go n e f a c t o rd e s i g nm e t h o d ，t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n so fr 4 0 7 qf l u x - c o r e dw i r eo np r o c e s s i n gp r o p e r t y w a sa n a l y z e d t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o no ff l u xc o r ew i r ew a sd e t e r m i n e db y o r t h o g o n a le x p e r m e n t a ld e s i g nm e t h o di n o r d e rt oa c h i e v et h eb e s t s y n t h e s i s p e r f o r m a n c e s ( 2 ) t h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o n ,m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dw e l d i n go p e r a t i v e p e r f o r m a n c eo ft h ed e p o s i t e dm e t a lf o rr 4 0 7 q w i r ew e r et e s t e da n dw e r ec o m p a r e d w i t hd o m e s t i cr 4 0 7w i r e t h er e s u l t ss h o w e dm a tr 4 0 7 qf c wf o rl o w a l l o y h e a t r e s i s t e ds t e e l sc o n t a i n i n gn i o b i u mr e a c h e da d v a n c e dl e v e lo fd o m e s t i cw i r e ( 3 ) b a s e do nt h ee n s u r e m e n to fo t h e r sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e p o s i t e dm e t a l ， t h ee f f e c to fp o s t - h e a tt r e a t m e n tp r o c e s so no ft h ed e p o s i t e dm e t a lf o rr 4 0 7 qf c w w a si n v e s t i g a t e d b yu s i n ge d s ，s e ma n dm e t a l l o g r a p h sa n a l y s i s ，t h ee f f e c t so f p w h to nt h em i r o s t r u c t u r e ，p r e c i p i t a t ea n di m p a c tf r a c t u r e so fd e p o s i t e dm e t a lo n i m p a c td u c t i l yw a ss t u d i e d t h eo p t i m u mp w h tp r o c e s sf o rt h ew e l d i n gj o i n to f r 4 0 7 qw a s a c h i e v e d k e yw o r d sl o w a l l o yh e a t r e s i s t e ds t e e l s ，a l k a l i n i t yf l u xc a r e dw i r e ，s p a t t e r , s l a g d e t a c h a b i l i t y , p o s tw e l dh e a tt r e a t m e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名，主堡劾日期：2 尘凹：互、甜 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：埤导师签名：鸭 第i 章绪论 第l 章绪论 1 1 耐热钢的发展现状 低合金耐热钢兴起于上世纪三十年代，其主要是在普通碳素钢中加入c r 、 m o 、v 、n b 、t i 、b 、w 等合金元素形成的。与碳钢相比，耐热钢不仅具有良好 的抗氧化性、持久热强性，还是有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能。另外，耐 热钢具有优良的工艺性能和物理性能，因此在常规的电站、核动力装置、石油精 炼设备、加氢裂化装置、合成化工容器、宇航器械以及其它高温加工设备中。耐 热钢在不同运行条件下，各种耐热钢容许最高工作温度列于表1 1 【l 】。这就对材料 的性能也提出了更高的要求：如更高的高温强度、高温疲劳强度以及良好的塑性； 同时还必须具备更好的高温稳定性和工艺性能。 表1 - 1 不同运行条件下各种耐热钢容许最高工作温度( ) t a b l el - 1h i g h e s tt e m p e r a t u r eo f a uk i n d s o fh e a t - r e s i s t a n ts t e e lo nd i f f e r e n to p e r a t ec o n d i t i o n ( ) 1 2 低合金耐热钢焊接材料的研究现状及发展趋势 1 2 1 焊接材料的研究现状 低合金耐热钢的焊接材料随着钢种的不断开发而快速发展，国内外对低合金 耐热钢焊接材料( 焊条、焊丝、焊剂) 的各项标准也早有规定。我国专家们针对 北京丁业大学丁学硕1 ：学位论文 现有的低合金耐热钢钢种开发了大量焊材，但对于近几年国外新开发的钢种的焊 材研制还处于空白阶段。h c m 2 s 钢与t 9 1 钢一样，焊材主要依赖进口。 目前，焊接低合金耐热钢普遍还是采用耐热钢焊条。生产实践证明，采用耐热 钢焊条，就不能采用自动化焊接设备，这样在工业生产中即费时费力又提高了工 件的成本，面对这种情况，各国都加大了对新型低合金耐热钢焊接材料的研究。 对于耐热钢的焊接国内外广泛使用的焊丝都是酸性耐热钢药芯焊丝。由于焊 缝金属韧性较低，使其应用范围受到较大的限制。而碱性产品主要以焊条为主， 这样就无法使生产自动化，严重的制约了生产效率的提高。另外，碱性焊材所焊 接的产品，其焊缝金属的力学性能较好，但焊接工艺性较差，还有待于进一步提 高。 从现有技术中可以看出，在开发低合金耐热钢用的药芯焊丝中，人们主要集 中开发研究酸性药芯焊丝【2 1 ，如日本公开昭5 6 1 4 8 4 9 3 和5 7 4 3 9 7 所公开的即 为t i 0 2 型酸性药芯焊丝，但也是由于焊缝金属的韧性较低，在很多场合下不适宜， 如日本公开昭6 0 6 8 1 8 9 和6 3 - - 2 5 9 2 以z r 0 2 作为主要造渣剂，同时还用微量元素 t i 、z r 、n 细化焊缝金属晶粒，或在外皮中加入合金元素s i 、m n 、c r 、m o 的方 法，减少焊缝中粗大铁素体晶粒，提高焊缝金属的韧性，但效果不显著，即提高 焊缝金属的韧性有限。另外，日本公开昭0 4 - - 3 0 0 0 9 2 和0 5 - - 7 7 0 8 6 ，也采用t i 0 2 作为主要造渣剂，并在药芯中或外皮中加入微量元素n b 、v ，或兼加入微量合金 元素t i 、b 、n ，以期细化焊缝金属晶粒，提高焊缝韧性，但效果不显著，焊缝金 属韧性提高也有限。 文献【3 】中通过试验指出在药芯焊丝中适当加入v 和n b 可使低合金耐热钢即 使在进行了较长时间的p w h t 或长期在较高温度下工作时，焊缝金属也不会产生 条带状铁素体。这是由于v 和n b 形成的细小的碳化物能够提高焊缝的蠕变，此 外它们还可以稳定电弧，使熔渣充分熔化、熔池搅拌均匀 4 1 。但是v 和n b 的含 量应按2 ：1 的比例加入，由于过多的v 或n b 会引起钒化物在晶内或晶界的早期沉 淀和在热处理过程中形成n b 的碳氮化合物，这些物质将会扩大相邻的晶内和晶 界的强度差，提高产生裂纹的倾向，此外焊件在高温下运行时，焊缝处还会造成 粗大碳化物的快速沉积，相反降低了焊缝的蠕变强度。为了获得安全稳定的高的 蠕变强度和阻止再热裂纹的产生，文献【5 】提出v 和n b 不要同时加入。 普通耐热钢焊材或奥氏体不锈钢焊材焊接异种耐热钢时，异质接头在高温服 役或p w h t 过程中，熔合区发生碳的迁移从而使焊接接头的韧性下降或出现低温 脆性 6 - 9 。在这种情况下文献【1 0 】研制出一种低铬奥氏体钢焊接材料 ( h o c r 6 n i l 0 m n l 3 a 焊丝和0 c r 6 n i l 0 m n l 3 m o t i a r 6 1 2 、a r 6 1 7 焊条) ，用于焊 接高温服役的低碳c r - m o 类珠光体耐热钢。研究结果表明：填充金属采用该种焊 接材料的异质接头具有良好的力学性能和抗氧化性能，同时还可以克j 艮c r - m o 钢 第1 章绪论 形成的异质接头在高温服役过程提前失效的问题，这是由于m n 可以进一步扩大丫 区和降低m s 点，得到稳定的奥氏体组织【l 。 以上研制的药芯焊丝也主要是酸性焊丝，低合金耐热钢的碱性焊丝的研制还 不成熟，有待于进一步开发。碱性焊丝的熔敷金属具有优良的机械性能，因此重 要结构的焊接必须使用碱性焊丝。随着工业技术的迅猛发展，耐热钢的应用日益 广泛，而且耐热钢构件长期服役在高温、高压的环境对焊缝的综合机械性能的要 求日益提高，这样对碱性焊丝的利用率也日益增长。但由于碱性焊丝的工艺性能 差，使得其在应用上没有得到推广。 1 2 2 焊接材料的发展趋势 1 2 2 1 减小焊缝裂纹倾向新型焊材为了解决低合金耐热钢构件在高温高压环境 中工作和在焊后热处理过程中焊缝处常常出现的裂纹和断裂，日本专家通过研究 焊材中化学元素的作用和它们相互之间影响来改变各个化学元素的含量，从而使 焊缝具有优良的高温强度、蠕变性、韧性和抗冷脆性【1 2 , 1 3 】。此外，也可通过在焊 材中加入w ，v ，和n b ，并调整c ，n i ，o ，s ，s i 的含量而使低合金耐热钢焊后无需 进行热处理，从而降低了焊缝再热裂纹倾向f 1 4 】。文献【1 5 】则通过在m a g 焊丝中加 入微量元素t i 来提高焊缝的低温韧性和抗蠕变性能及持久强度。 1 2 2 2 绿色环保型焊接材料欧盟将从2 0 0 6 年7 月1 日起正式实施有关环保的 r o l l s 指令。这说明随着经济的发展，人类对保护环境和健康的意识也不断地提 高，焊接产业也面临着同样的问题。焊接一直是高污染的行业之一，改善焊工的 工作环境，减少烟尘已经成为焊接工作者所面临的重要问题。因此，国内外专家 也不断的开发绿色环保型的焊接材料。 c r 是低合金耐热钢焊材中不可缺少的元素。但焊接烟尘中的六价铬元素对人 身体非常有害，人们越来越关注低铬元素对人体带来的危害。早在1 9 8 2 年g r a y 和h e w i t t 就通过调节m i g 焊接时的电压示数来降低焊接时的发尘率从而减小烟 尘中c r 对人体的危害。近年来，j h d e n n i s 等【m 】通过在焊材中加入锌、镁、 铝等活泼金属元素来降低焊接烟尘中六价铬的含量。在焊丝中分别加入1 的a l 、 z n 、m g ，在一定范围内( 1 8 - - - 2 4 v ) 改变电压的示数来观察焊接烟尘中六价铬的 含量的变化( 图1 1 【l7 】) 。在一定电弧电压示数范围内，随着电弧电压的升高， 三种焊丝的焊接烟尘中的c r 含量都随之增加。其中含灿焊丝焊接时，电压在整 个示数范围内变化时焊接烟尘中铬的含量都很低，这是由于础元素具有很低的离 子能，可稳定电弧，降低烟尘。采用含z n 和m g 的焊丝焊接时，电弧电压在示数 范围内增加铬的含量就会大幅度的变化，电压示数为1 8 v 时三种焊丝的焊接烟尘 中的铬含量达到最低值。 日本研制出了低烟尘的药芯焊丝和低飞溅的实芯焊丝，实芯焊丝的制造工艺 也从镀铜焊丝向无镀铜焊丝转变【l8 1 ，以降低制造过程的环境污染，并减少含铜粒 北京t 业大学t 学硕十学位论文 子烟尘对焊工健康的影响。 各国学者对降低焊接材料的焊接烟尘的研究较少，国内这方面的研究也是处 于起步阶段。北京工业大学近几年对此也做了一些研究【1 9 】。研究主要分为两个方 面：一方面，通过研究药粉物质之间的相互影响和作用使其产生烟尘的情况也随 之发生的变化，使得在一定的药粉配比条件下药芯焊丝所产生的烟尘最低成为可 能；另一方面，从焊接烟尘的产生过程来考虑。通过改变焊材成分调整阴极斑点 的析热来改变熔滴过热程度，达到减少焊接烟尘的目的。 惝 图1 - 1 六价铬元素与焊接电弧电压关系示意图 f i g 1 1c r ( ) f o r m a t i o nr a t ea g a i n s tv o l t a g ef o rm e t a lc o r e dw i r e s c o n t a i n i n gr e a c t i v em e t a l s 1 3 低合金耐热钢的焊接接头的研究进展 1 3 1 低合金耐热钢焊接接头的再热裂纹的研究 再热裂纹通常出现在钢的焊后热处理( p w h t ) 的过程中，另外，再热裂纹 的产生与再热温度和再热时间有密切关系，并且存在一个最易产生再热裂纹的温 度范围，对于低合金耐热钢来说，约在5 0 0 - 7 0 0 之间，并且随钢种的不同而发 生变化。由于低合金耐热钢焊件长期在高温工作环境中服役，这使国内外专家们 越来越关注对其再热裂纹的研究。 文献【2 0 】通过斜v 型拘束焊接试验方法对h c m 2 s 钢的焊接接头h a z 再热裂纹 敏感性进行了试验研究。3 件规格为2 0 0 x1 5 0 3 5 m m h c m 2 s 钢试板采用德国 t h y s s e n 公司提供的c h r o m 0 2 vt 1 ) 4 m m 焊条焊接后分别采用不同的温度和时间进 行p w h t ( 图1 2 ) 。结果表明，h c m 2 s 钢出现再热裂纹最敏感的温度范围为 第1 章绪论 6 9 0 7 6 0 ，并且随着高温时间的延长h c m 2 s 钢的再热裂纹倾向越为明显。 通过微观组织分析，再热裂纹一般发生在焊接接头近缝区的粗晶区金属中，特别 是应力高度集中的部位。三个样品的焊缝粗晶区内都有碳化物析出，而且随着 p w h t 温度的升高和时间的延长，碳化物析出量增多，增加了再热裂纹的敏感性。 h 图l - 2 w 1 、d 1 、e 3 热处理曲线图 f i g 1 - 2w 1 、d 1 、e 3c u r v eo f h e a t e dt r e a t m e n t o 5 1 0 1 52 02 53 03 54 0 躬5 0 e 3 h 关于再热裂纹的产生机理主要有三种： 1 晶间杂质析集脆化的作用 试验研究指出【2 1 1 ，再热裂纹的产生与晶界本身的弱化有关。低合金耐热钢在 5 0 0 - - - 6 0 0 。c 热处理过程中，钢中的杂质元素p 、s 、s b 、s n 等在晶界处发生偏析 使晶界弱化。 2 晶内沉淀强化的作用【2 2 】 低合金耐热钢在p w h t 过程中，焊接时产生的过饱和溶解的碳和碳化物形成 元素就以显微颗粒状的各种碳化物( m 3 c 、m 7 c 3 、m 2 3 c 7 ) 形式析出，从而使晶 内强化。而晶界由于其晶格结构的不规则性，并存在晶格缺陷，在高温及残余应 力的作用下金属将发生滑移变形以松弛应力。由于晶内的强化，这种变形就集中 在晶界，当这种滑移变形超过晶界变形能力时，就产生了裂纹。 3 蠕变断裂理论 近年来，有更多的人认为应用“空穴开裂”来解释低合金珠光体耐热钢再热裂 纹的产生【2 3 1 。在应力和温度的作用下，点阵空位能够运动，当空位聚集到与应力 方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合力遭到破坏而产生空洞。在应 力的作用下，它们继续扩大，形成裂纹沿晶界断裂。 为了降低由再热裂纹在工业上所带来的损失，多年来人们针对不同的影响因 素研制了许多预防再热裂纹的手段。近年来，t s h i n y a 和y t o m i t a 2 4 ，2 5 】对钒( v ) 做了专门的研究。焊材中加入v 时可以增加焊缝抗氢脆能力，同时增加了焊缝再 热裂纹的倾向，这是主要是由于v 4 c 3 的析出，使应力松弛率下降。t o s h i h i k os h i n y a 和y o s h i y u k it o m i t a 2 6 】通过在焊材中加入钙( c a ) 元素( 称为钙化处理) 来解决这 北京t 业大学工学硕士学位论文 个难题。这主要是由于c a 能够稳定沿晶界析出杂质，例如硫化物等，从而降低v 所带来的再热裂纹的敏感性。另外，当钙化处理时，含s 量较低的钢，其再热裂 纹敏感性的影响主要是渗入晶界内部的杂质凝聚的影响。在含s 量低的焊材中加 入钙后，焊缝中的晶界断裂引起界面能的增加，断裂地方被晶粒迁移取代，塑性 变形一般发生在晶界附近的地方( 图1 3 【2 7 1 ) 。这主要是c a 可以抑制细小杂质在 晶界的集中，稳定了s 。但在含s 量高的焊材中，c a 可引起界面能增加，c a 溶 解于晶粒内部中稳定s 元素，晶界间存在的s 就没有被稳定，从而引起晶间的脆 性断裂。 1 3 2 低合金耐热钢焊接接头的蠕变裂纹的研究 m k o n d o 等人【2 8 】在研究中发现服役过程中蠕变裂纹通常发生在焊接接头热 影响区的细晶区部分( 第类区) 即在给定的压力和温度下，焊接接头的断裂寿命 比细晶区高这是由于区蠕变空洞与裂纹的生成与长大造成的【2 8 3 3 1 。在h a z 细晶粒出现这种现象的主要原因有：( 1 ) 型裂纹位于h a z 细晶区，处于a e 3 的焊接热循环温度。其产生部位比其周围材料具有低的蠕变强度。( 2 ) 焊接热循 环的热软化作用，使得h a z 产生了型裂纹。这是由于低合金c r - m o 钢随着高 温运行，位错亚结构由高密度板条变为等轴亚晶，同时大颗粒碳化物及空洞的生 成降低了材料的蠕变强度，从而导致型裂纹。( 3 ) 在低合金耐热钢中，钢中 加入不同的合金元素，在熔合线处会出现不同类型的碳化物( f e 3 c 、v 4 c 3 、n b c 等1 。这些析出的碳化物特别容易聚集到晶界，晶界处的碳化物聚集长大后，很容 易引起蠕变裂纹，甚至造成沿晶断裂。 m m a t s u i 等人【3 4 ，3 5 】通过大量的试验发现，增加母材金属的原始晶粒度不仅可 以提高焊接接头的蠕变寿命，对于母材金属的蠕变寿命也有有利的影响然而通过 p w h t 提高接头蠕变寿命效果并不好【3 6 】，这是由于时碳化物( m 3 c 、m 7 c 3 、m 2 3 c 7 ) 在细晶热影响区析出比在母材和焊缝中析出粗化的快【3 7 】，从而降低了h a z 的强 度。另外，改变应力方向的夹角3 8 1 坡口的形式、以及减小焊接热影响区的宽度【3 明 也可以改善蠕变寿命。 为了保证低合金耐热钢构件的安全工作，在某一使用温度下，预先知道该材料 在不同应力下的断裂时间和部位是很重要的。目前，人们通过l a r s o n & m i l l e r 方法 4 0 】和晶体光学纤维仪器【4 1 】来计算和测量蠕变断裂时间和部位。 溶遮 图l 一3 脆性及软性材料晶闻裂纹示意囤 f 1 2i 一3 d i a m a m s o f b r i e a n d d u c t i l e i n t e r 盯a n u l a re r a e l d n 1 3 3 热处理工艺对低合金耐热钢焊接接头性能影响 p w h t 是低合金耐热钢传统的焊接工艺，主要是为了提高h a z 的机械性能和 减小氢裂纹的敏感性。古碳量低的低合金铁素体耐热钢( h c m 2 s ) 由于降低了淬硬 性，焊后软化了粗晶区而具有良好的焊接性，通常焊后不进行p w h t 。 jg n a w r o c k i 等【4 2 】通过试验证明低合金铁素体耐热钢焊后不进行p w h t 的焊件冲击值达不到规范要求，不能满足工艺要求。这是由于p w n t 会使焊后晶 粒边界析出的碳化物进行重组，热影响区的铁索体基体上的碳化物析出较少，并 有部分合金元素经高温回火以固熔体的形式存在。晶粒也稍微细小。 但是p w h t 的时间和温度应根据钢的特点加以控制和选择，这是由于在热处 理过程中如果残余应力得不到很好的释放就会在焊缝处产生应力裂纹m “4 ”。 14 本论文的意义及内容 l4 l 本论文的意义 本试验所涉及的1 0 c r m 0 9 1 0 钢为西德钢种，属于22 5 c r l m o 类珠光体低舍 金耐热钢。在英、美、西德、日本等国广泛应用是一种比较成熟的管材，主要 鹿用于火电厂。这类钢具有良好的抗氢腐蚀、抗回火脆化、抗蠕变脆化等性能。 北京t 业大学工学硕：l 二学位论文 另外此类钢含有一定量的碳和铬、钼合金元素，焊接时有明显的淬硬倾向，同时 产生再热裂纹和回火脆化的倾向也很大。为防止和避免产生焊接裂纹，从而提高 焊缝的力学性能应适当选择焊材，另外常要求焊前预热和焊后热处理。 碱性焊材具有低氢、高韧性、高抗裂性和优异的力学性能，这是酸性焊材所 不能及的，因此重要结构的焊接必须使用碱性焊材。但由于碱性材的工艺性能差， 使得其在应用上没有得到推广。因此，各国的焊接材料的工作者一直在对其工艺 性能的改进上进行了大量的研究；焊丝的工艺性能主要取决于药芯的成分。但如 何调整药芯成分才能使焊丝工艺性能得以改善，是目前世界各国都关注的课题。 本课题研制的低合金耐热钢碱性药芯焊丝( r 4 0 7 q ) 主要是用来焊对力学性能 要求比较高的构件，是适应我国国民经济和现代工业技术的快速发展需要，不仅 满足了工业上对焊缝力学性能要求的不断提高而且使焊材市场更加多元化，丰富 了新型焊接材料一药芯焊丝产业。药芯焊丝产业的发展，不仅将使我国焊材工业 跨上一个新台阶，而且会促进整个金属结构制造工业的发展，进而对整个国民经 济的发展产生积极的影响。 1 4 2 本论文的研究内容 本文主要从一下几个方面对研制的r 4 0 7 q 碱性药芯焊丝进行研究： 1 药芯焊丝配方调整及其对焊接工艺性的影响 对于低合金耐热钢碱性药芯焊丝而言，焊接工艺性是其比较难解决的问题， 如电弧稳定性高、小飞溅、熔滴过渡平稳、焊缝成型美观、无缺陷。所以要先着 力于对药芯组分的调整，在熔渣覆盖和脱渣性优良的前提下，解决好飞溅、电弧 稳定性、焊缝成型、气孔等焊接工艺性问题。 2 研究焊后热处理温度对冲击韧性的影响规律 对低合金耐热钢碱性药芯焊丝熔敷金属的焊后热处理温度对冲击韧性的影响 机理进行深入研究。采用不同的焊后热处理温度的方法，通过使用扫描观察冲击 端口的形貌和电镜观察热处理后熔敷金属组织的变化，从而找到焊后热处理温度 影响熔敷金属冲击韧性的规律。 3 本文所研制的药芯焊丝r 4 0 7 q 与国内同类焊丝对比 这部分工作主要是把本文所研制的焊丝r 4 0 7 q 的熔覆金属的化学成分、力学 性能和焊接工艺性能与国内同型号钢酸性药芯焊丝r 4 0 7 进行全面对比分析。说 明所研制的低合金耐热钢碱性药芯焊丝r 4 0 7 q ，焊丝脱渣性好、飞溅小，工艺性 能和力学性能测试均达到满足a w s 、j i s 、g b 相关标准的规定，焊缝具有优良的 力学性能、尤其具有十分高的冲击韧性，各项性能指标均能达到或超过国内同型 号钢酸性药芯焊丝水平。 蓄：2 ：篁 第2 章2 2 5 c r l m o 钢药芯焊丝的研制 2 1 低合金耐热钢药芯焊丝制造工艺 2 1 1 药芯焊丝制造方法 根据各种药芯焊丝制造方法的特点并结合本课题研究的具体情况，最终决 定采用分体传动式冷轧钢带轧一拔法来制造本课题研制的细径耐热钢药芯焊丝。 所用设备是北京工业大学粉芯线材实验室的多功能药芯焊丝成型机( 如图2 - 1 ) ， 焊丝的制造工艺流程如图2 - 2 ： 幽厶1 所肼制曲芯埠丝的9 遣上艺流栏幽 f i 9 2 - 1m u l t i - f i m c t i o nr n a n u f a c i x t r e d e v i c e f o r f c w 圜一园一圆一圆一园 一田一圈一圈 圈2 - 2 所研制药芯焊丝的制造工艺流程图 f i g2 2 f l o wc h a a l o f m a n u f a c t u r e p r o c e s s f o r f c w 2 12 钢带的选取 针对所要研制的中12 m m 低台金耐热钢药芯焊丝，外部钢皮选用上海宝钢生 产1 0 m m o4h i m ( 宽厚) 的s p c c 低碳钢钢带( 规格) ，钢带的主要成份如表 2 - 1 所示。 北京_ t 业大学工学硕：j ：学位论文 表2 1s p c c 型低碳钢钢带的主要成份( ) t l b l e2 1c h i e fc o m p o s i t i o no fs p c cm i l ds t e e ls t r i p ( ) 2 1 3 药芯焊丝的拉拔 本试验所采用的焊丝拔制模具为上海斯米克金刚石工模具有限责任公司生产 的聚晶模。在当减径过程中，当每道减径过大时，焊丝容易被拉断。当每道减径 过快时，加工硬化及残余应力不均严重，易扭曲变形，影响进一步的拉拔。经反 复试验，减径方案最终确定为：2 4 m m 2 2 5 m m - 2 1m m 一1 9 6m m 一1 8m i n 1 7 m 如一1 6m m 一1 5m m 一1 4 姗m 一1 3m m 1 2 m m ，拉拔平均速度为1 5 m h ，拉拔 过程顺利，效果良好。根据现有的国内外研究结果，以及设备不可避免的浮动误 差，本药芯焊丝的填充率确定为1 7 2 0 。 2 2 低合金耐热钢药芯焊丝的渣系设计 2 2 1药芯焊丝渣系的选择 渣系对药芯焊丝的焊接工艺性能及焊缝的力学性能有重要影响。药芯渣系 的确定是一项受多因素影响，解决多项指标问题的复杂工作。为了确定本课题药 芯焊丝的渣系，本文根据传统的冶金学理论，并参考有关国内外资料【4 6 】，进行了 大量的试探性药粉配方试验，最终确定了本课题研究的c 0 2 气保护碱性药芯焊丝 渣系为：以m g o 为主要成分的m g o - - b a f 2 - - t i 0 2 渣系，简称m g o 渣系。 采用m g o 做为药芯渣系主要成分的原因如下： 1 与c a c 型碱性焊条渣系相比碱性焊条多以大理石作为药皮的主要成 分，其目的是为了获得足够的电弧吹力和良好的熔敷金属力学性能。而与焊条相 比，药芯焊丝的结构特点是钢皮在外，药粉在内。如果把大理石用于气体保护碱 性药芯焊丝渣系做为主要成分时，由于药粉在钢皮内部，会因c a c 0 3 在焊接过程 中分解出大量的c 0 2 气体而导致爆溅，使工艺性很差。实践证明，药芯焊丝药粉 中使用c a c 0 3 时，其含量不能大于4 1 4 7 。为了保证熔渣碱度，最好使用化学性 质较稳定的镁砂( m g o ) 代替c a c 0 3 做为药芯的主要成分。 2 与常用的c a f 2 型碱性气保护药芯焊丝渣系相比目前较常用的碱性气保护 药芯焊丝一般以c a f 2 作为渣系的主要成分，并辅之以适量的c a c 0 3 等其他成分。 因此本课题对以c k f 2 为主要成分的c a f 2 - - c a c 0 3 渣系进行了试验。试验发现， 大量的c a f 2 会使熔渣的熔点、粘度等偏低，不利于渣壳覆盖和焊缝成形；且大量 c a f 2 带来的烟尘和飞溅很大，恶化工作环境、降低焊缝质量。而改用以m g o 为 第2 章2 2 5 c r l m o 钢药芯焊丝的研制 主要成分的m g o - - b a f 2 - - t i 0 2 渣系时，就改善了这些问题。 3 受国外文献的启发美国专利u s p 4 ，3 4 0 ，8 0 5 t 4 8 4 9 公布了一种含有较多金属 镁粉的气保护碱性药芯焊丝。该专利称：在药芯焊丝中加入较多含量的镁可以大 大改善焊接工艺性能，这是由于粉芯中的镁除起到稳弧作用之外，在焊接过程当 中还可以代替碱性渣系中的大理石分解后形成的氧化钙同样的起到调节熔渣物理 化学性能的作用( 提高熔渣的碱度，净化焊缝金属，使熔敷金属具有良好的韧性， 增加熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，粗化熔滴，增加熔渣的 脱硫、磷的能力) 。另外m g o 可以提高焊丝的导电能力。受到这一思路启发，本 文直接在药粉中加入m g o 来改善熔渣的性能。 2 2 2 m g o 渣系中各种成分的作用 药芯各成分作用如下： 镁砂它的主要成分是m g o ，是本渣系的主要组成物质。它的主要作用是保 证熔渣具有较高的碱度，并有造渣和调整熔渣熔点、粘度等作用。由于保证熔渣 具有较高的碱度，因此可有效地降低焊缝金属中s 、p 、o 等杂质，从而提高焊缝 金属的力学性能。由于能调整熔渣具有合适的熔点、粘度等，因此可改善渣覆盖、 焊缝成形等。 氟化钡它可以改善熔渣物化性能，调整熔渣熔点、粘度及表面张力，增加熔 渣流动性。它还能降低熔敷金属中的氢含量，防止氢气孔产生。该成分通常是作 为稀释剂和降氢剂加入的。但药粉中b a f 2 含量过高时，熔渣不能均匀地覆盖于焊 缝表面，使焊缝各处的冶金反应不均匀，从而影响质量，而且使焊缝局部表面渣 壳很薄，使得该处脱渣困难。另外b a f 2 在焊接时影响电弧稳定性。同时氟化钡增 加时，焊接烟尘就显著增加。为此，应对其在药芯中的含量进行合理控制。 金红石它的主要成分是t i 0 2 ，具有稳弧和调整熔渣物化性能的作用，可以 调整熔渣熔点、粘度、表面张力、改善焊缝脱渣及焊缝成形。而且它还有使金属 以细雾状过渡，减少飞溅的作用。 铝镁合金主要作用是脱氧，保护铬等有益合金元素的过渡。脱氧后生成的 a 1 2 0 3 、m g o 具有造渣作用，同时m g 能够在较低温度下形成m g 蒸气，有利于 熔滴阶段和熔滴向熔池过渡过程中的保护。在使用a 1 m g 做脱氧剂的时候，加入 量过多的话会因焊缝还原性过强使产生氢气孔的倾向加大，另外由于a 1 一m g 易吸 潮因制造或保存不当也容易使焊缝增氢。 石英，它的主要成分是s i 0 2 ，它可以调整熔渣的粘度，降低碱性渣的表面张 力，有利于减小飞溅，改善焊丝的工艺性能。 锰粉、硅铁，它们是主要的脱氧剂及合金剂。m n 、s i 脱氧主要在熔滴及熔池 中进行的，反应式如下： 北京t 业大学r 丁学硕士学位论文 【m n 】“f e o 】- 【f e 】+ ( m n o )( 2 - 1 ) 【】+ 2 f e o 】- 2 f e + ( 舛d 2 ) ( 2 2 ) 脱氧形成的m n o 、s i 0 2 附带起造渣作用，脱氧剩余的金属m n 、s 过渡到焊 缝中起到渗合金的作用，由此可以增加焊缝的强度和韧性。 钛铁它的主要作用是提高焊缝金属的韧性，并有脱氧及稳弧、促使熔滴以雾 状过渡和焊缝成型细而光亮的作用。但f e - t i 只在很窄的含量范围内才对韧性有 利，含量过少不起作用，含量过多反而会降低韧性t s o ，因此对f e - t i 的含量应加 以控制。 铁粉在药粉中加入铁粉，可以改善药芯熔化状况，有利于改善焊丝的工艺性 能，如提高电弧稳定性，降低飞溅等。加入铁粉还可以增加焊丝熔敷速度，提高 生产率，但是过量的铁粉会使氧化性增强，从而会使焊缝中有利元素被氧化。 冰晶石有利于提高电弧稳定性，降低飞溅。 2 2 3 m g o 渣系的特点 氧化镁渣系属于碱性渣系，除具备碱性渣系的力学性能优良的优点之外，氧 化镁型渣系还具有以下特点： ( 1 ) 焊接飞溅小与c a f 2 - - c a c 0 3 渣系的碱性药芯焊丝相比，m g o 渣系药 芯焊丝可大大降低由于c a f 2 所产生的f 一离子而导致的飞溅，而且还能避免由于 c a c 0 3 在焊接过程中分解出c 0 2 气体而导致的飞溅。所以m g o 型药芯焊丝的飞 溅小。 ( 2 ) 焊接烟尘低与c a f 2 渣系相比，m g o 渣系由于只用少量的氟化物作稀 释剂和降氢剂，从而可使焊接烟尘大大降低。 ( 3 ) 熔渣性能好与c a f 2 渣系相比，m g o 渣系由于能适当提高渣的熔点和 粘度，使渣具有良好的物化性能，从而可改善渣覆盖和焊缝形成等。 由以上原因，本文采用m g o 作为渣系的主要成分。 渣系中的主要成分除了m g o 以外，还有b a f 2 和t i 0 2 ，用b a f 2 代替c a f 2 可 以起到改善熔渣的覆盖和焊缝成形，另外b a f 2 熔渣物化性能、降氢等作用；t i 0 2 可以调整熔渣粘度和细化熔滴以减小焊接飞溅等。但是b a f 2 和t i 0 2 含量不能过 高，否则会分别引起恶化电弧导电性、降低熔渣碱度等不良后果。 2 32 2 5 c r lm o 钢药芯焊丝的配方设计理论思路 药芯焊丝的药芯虽然与手工焊条的药皮作用相似，但是由于药芯在钢皮内部 包裹，与手工焊条药皮包在焊芯外的情况正好相反，药芯焊丝的焊接电流主要集 中在金属外皮，因此电流密度大，具有熔化速度高的特点。而药芯的熔化滞后， 滞熔的药芯不仅使熔渣对熔滴的保护效果降低，冶金反应不能充分进行，影响熔 第2 苹2 2 5 c r i m o 钢药芯焊丝的研制 滴过渡形式，而且可能发生药芯成块脱落，在电弧区发生爆炸或落入熔池，引起 较大的飞溅，所以药芯焊丝可以参考焊条配方的经验，但不能够照搬焊条的配方。 本配方在参考焊条t h j 5 0 7 的基础上进行调整。 在钢带初步确定的基础上，配方的设计思路如图2 3 所示： i 按照国家规定药芯焊丝的熔敷金属要求 i oo 图2 3 药芯焊丝配方设计思路图 f i g 2 - 3d i a g r a mo ff c wc o m p o s i t i o nd e s i g n 2 3 1 药芯焊丝填充粉的确定 在研制药芯焊丝的过程中，必须确定药芯焊丝填充率。填充率是一个很重要 的方面，如果填充率过低，钢带内的药粉不紧密，会导致钢带内的药粉不均匀， 影响焊接工艺性能、影响焊丝化学成分、影响熔敷金属的力学性能。同时如果填 充粉含量低，造渣量少，渣少会造成对焊缝的覆盖差。如果填充粉过多，则在钢 带的拔丝过程中容易拉断，造成接头过多，影响生产工艺。根据试验，为了既满 足拔丝要求又满足工艺要求，我们将填充率控制在1 7 2 0 之间，在生产过程 中要始终保持这个量。 2 3 2 药芯中各合金粉含量的确定 由于合金粉只起到过渡合金的作用，对焊丝的工艺性能基本没有影响，因此 首先确定合金粉的含量，具体就是c r 、m o 、m n 、s i 的含量。合金元素在熔敷金 属中的浓度可由g be 6 0 1 5 b 3 、a w se 9 0 1 5 b 3 标准确定，具体成分范围见表2 2 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 22 2 5 c r l m o 型药芯焊丝熔敷金属成份控制范围 t a b l e2 - 2r a n g eo f d e p o s i t e dm e t a