（材料加工工程专业论文）几种组分对自保护药芯焊丝工艺性能和熔敷金属韧性的影响.pdf

瓿壤辩学研究陵埝尔演簿接骚究所联士学谴论文 几种组分对自保护药芯焊丝 工艺性畿和熔敷金属韧性的影响 摘要 本文研究了z r 、稀土、l i f 、a i 等几种组元对自保护药芯焊丝工艺性能及 熔敷金属韧性的影响。 试验缩聚表明：( 1 ) 药芯中添船适量的c e 0 2 、z r 及l i f 能改善自保护药 j 枣焊丝的焊接过程稳定性，稀土一镍、混合稀土稳定电弧的作用不如c e 0 2 ；( 2 ) 药芯中适爨c e 0 2 和z r 的添趣，鸯列予熔渣成彩粒覆盖性黥蛉改善；( 3 ) c e 0 2 对髓渣性静影确不晴避，丽z f 的影响较显著，当药芯中z r 禽董超过1 后会 使脱渣性挝藩恶化；( 4 ) 药芯中加入适量的z r 能显著提高熔敷金属的低温韧 性，随着熔敷金属中a l 食量的增加，熔敷金媾的低温韧性擞藩降低，c e 0 2 盼 添细对熔敷金属的低澈韧性影响不明显。 从熔敷金属的化学分析、金相分析和电子娃微分析得出：( 1 ) z r 对熔敷金 属韧性的影响与熔敷盒瓣中夹杂物的组成有关。一定数量盼含z r 复合鬣促物 夹杂髓够撵为铁素体形孩核心，键避熔敷金擒中针状铁索体的形成，蔼锋状铁 素体由于晶粒细小、晶内高密度位锚及相邻晶粒问具有大角度位向，既能阻碍 裂纹的形成也不利于裂纹的扩展，因此使熔敷念属具有较高睑韧性；( 2 ) 当熔 敷金属中a l 含量超过1 对，由于熔敷金属中氧、氮含量较低，造成a l 的大 量固溶，导致熔敷金属组织粗化，同时使熔敷愈属中的夹杂物由含z r 复合氧 化物变为以a i n 为主，a 1 n 不但不髓作为针状铁索体的形核核心，而虽会割裂 纂体金属辫榫为二次裂纹源，使褥髂敷金属豹韧性急巅下辩 3 ) 在本文研究 的渣系、含盒系统中，c e 0 2 没有趣到脱氧、固氮、改变熔敷金属中夹杂物性 质鲍作用，其主要作用在于改善熔浚的物化特性，改善熔渣覆盖和焊缝成形。 在深入系统研究蕊确上，研稍开发酶啻保护药芯舜丝潜接工艺淫憩及熔敷 金属力学性能与美国h o b a r tf a b s h i e l d8 1 n 1 焊丝基本相当，采用新研制 的焊丝焊接x 7 0 管线铡，焊接接头的综合力学憾能满足西气东输等高性能管线 现场安装熬技术要求。 i l l 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 关键词：自保护药芯焊丝低温韧性微观结构夹杂物工艺性能 e f f e c t so fs e v e r a lc o m p o n e n t so i l t h et o u g h n e s so fd e p o s i t e dm e t a la n du s a b i l i t yo f s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e a b s t r a c t t h ee f f e c t so fz r ，a 1 ，r ea n dl i fe t co nt h et o u g h n e s so fd e p o s it e dm e t a l a n du s a b i l i t yo fs e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r ew e r ei n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) a p p r o p r i a t ea d d i t i o no fz r ，r e a n dl i fi nf l u xc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo fa r c ，b u tt h ee f f e c t so fc e n i a l l o ya n dm i x t u r eo fr a r ee a r t he l e m e n t sa r el e s st h a nc e 馥：( 2 ) a p p r o p r i a t e a d d i t i o no fz ra n dc e 0 2i nf l u xc a ni m p r o v et h ea p p e a r a n c ea n do v e r l a yo fs l a g ， b u te x c e s s i r ea d d i t i o nw i l le l i m i n a t et h a te f f e c t s ：( 3 ) t h ee f f e c to fz ro n d e t a c h a b i t i t yi sa p p a r e n t ，i t sa d d i t i o ns h o u l db el e s st h a n1 。t h ee f f e c t o fc e 0 2o ns l a gd e t a c h a b i l i t yi sn o to b v i o u s ：( 4 ) a p p r o p r i a t ea d d i t i o no fz r i nf l u xc a na p p a r e n t l yi m p r o v et h el o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s so fd e p o s it e d m e t a l 。b u tt h ei n c r e a s eo fa 】i nd e p o s i t e dm e t a ld r a s t i c a l l yd e t e r i o r a t e st h e t o u g h n e s so fd e p o s i t e dm e t a l ，t h ee f f e c to fc e o nt o u g h n e s si sn o td i s t i n c t 。 i tw a sc o n c l u d e df r o mc h e m i c a la n a l y s i s ，m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sa n d e l e c t r o nm i c r o a n a l y s i st h a t ：( 1 ) t h ee f f e c to fz ro nt h et o u g h n e s si s c o r r e l a t i v et ot h ec o m p o s i t i o no fi n c l u s i o n si nt h ed e p o s i t e dm e t a l ，ac e r t a i n a m o u n to fi n c l u s i o n sr i c hi nz rc a ni n c r e a s et h en u c l e a r i o no fa c i e u l a rf e r r i t e i nd e p o s i t e dm e t a l 。h c i c u l a rf e r r i t e ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yf i n eg r a i n ， h i g hd i s l o c a t i o nd e n s i t yi ng r a i na n dl a r g ea n g l eg r a i nb o u n d a r i e sw i t he a c h o t h e r h a v ei a r g e rr e s i s t a n c ea g a i n s tc r a c kf o r m a t i o na n dp r o p a g a t i o n ， t h e r e f o r eh a sb e t t e rt o u g h n e s s ( 2 ) w h e na 1i nd e p o s i t e dm e t a li sm o r et h a n l 链。t h eo x y g e na n dn i t r o g e nc o n t e n ti st o ol o w ，a ld i s s o l v i n gi ny f e r r i t e v 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 i n d u c e st h eg r a i n sv e r yc o a r s e ，m e a n w h i l et h ei n c l u s i o n si nd e p o s i t e dm e t a l c h a n g ef r o mo x i d e sr i c hi nz rt oa i n ，w h i c ha r en o to n l yd i s a d v a n t a g et ot h e f o r m a t i o no fa e i c u l a rf e r r i t e ，b u ta l s od i s s e v e rt h eb a s em e t a la sc r a c k n u c l e u s ，t h u st h et o u g h n e s si sv e r yp o o r ( 3 ) e e 筑c a nn o td e c r e a s et h eo x y g e n a n dn i t r o g e nc o n t e n to fd e p o s i t e dm e t a li nt h i se x p e r i m e n t ，i t sm a i ne f f e c t s a r et oi m p r o v et h eo v e r l a yo fs l a ga n da p p e a r a n c eo fw e l d 。 b a s e do ns y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o n ，an e ws e l f s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e w a sd e v e l o p e d ，i t su s a b i l i t ya n dd e p o s i t e dm e t a lt o u g h n e s sa r ea l m o s tt h es a m e l e v e lc o m p a r e dw i t hh o b a r tf a b s h i e l d8 1 n i ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f x 7 0j o i n tw e l d e db yn e ww i r ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f “t r a n s p o r tt h e n a t u r a lg a sf r o mt h ew e s tt ot h ee a s t ”p r o j e c t k e yw o r d ：s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e ，l o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s s ， m i c r o s t r u c t u r e ，i n c l u s i o n ， u s a b i l i t y v l 辊碱辩学磷究院蹬尔滨焊接研究掰硕士学经论文 符号清单 a p i 美国褥油组织( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) a w s 美国焊接协会( a m e r i c a nw e l d i n gs o c i e t y ) c t o 又称c o d ( c r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 鞋l c 氢致裂纹( h y d r o g e ni n d u c e dc r a c k ) r m 抗拉强度( n r a m 2 ) 飚l 一下屈服强度( n r a m 2 ) a 断后伸长率( ) a k v 冲击功( j ) 卜爽氏体 卜铁素体 ad t f e 和6 - f e 相互转变温度 a 3 一a - f e 和y f e 相互转变温度 k s 关系由于毽氏毒搴转变瓣赫籀帮霉稳始终徐持甥交焚臻性，嚣筵骂氏蟀转 交后颟相和母相之间存在一定的结晶学关系。这种关系是国库尔久 莫夫和萨克斯在1 9 3 4 年首先测筑 u ( t 卜一焊接电弧电压 i 咎一焊接彀流 a 毫流擎位，安培 v 一电压单位，伏特 p p 胍一百万分之( t o a r t p e rm i l l i o n ) i x 塞! 整翌耋堑壅堡墼童鎏堡羹堑窒筮黧圭耋篁垒耋 插图清单 药芯焊丝生产量艺流程一1 6 试验药芯焊丝制造设备1 7 管道环形焊缝焊接方向示意圈1 8 药粉疆笼理爱秘簸分交亿。l 奎 a h x v 电弧分析仅的系统组成圈2 4 不同稀土含薰焊熊的电弧电聪概率密度分布图2 7 不同稀土含量烊艘的焊接电流概率密度分稚i 图2 8 不阉稀土含量焊丝救电弧电臻t l ( 心、浮接魄浚i ( 醇波形3 0 不溺z r 含量弹稳静电蔽毫妪概率密度分稚鞠f 3 2 不间z r 含量焊缀的焊接电流概率密度分布阂3 2 不同z r 含量焊熊的电弧电压u ( t ) 、焊接电流i ( t ) 波形3 4 不阏含量l i f 爆丝的电弧电聪概率密度分布圈。3 6 不润含量l i f 簿丝懿焊接毫滚壤搴蜜度分霉强3 6 不阐含量l i f 烊丝的电弧电聪u ( t ) 、焊接嘏流i ( t ) 波形3 8 不同c e 0 2 添加溉自保护药芯焊丝的熔渣覆盖3 9 不间z r 添加量囱保护药芯焊艘的的熔渣攫箍3 9 熔数金属力学後8 9 试验试援缌慰圈4 4 力学性能试锌敬样示意图4 4 药芯中z r 含量对熔敷金属拉伸强度的影响4 7 药芯中z r 含量对熔敷金属延伸率的影响4 7 药蕊中z r 含量辩熔敷金属冲击性能的影嘲。4 7 芬蕊中z r 会耋对夹杂耱孛戥禽量懿影翡。4 8 势蕊中z f 含量变化时熔敷金属夹杂物能谱分析图5 0 药芯中z r 含量变化对熔敷金属显微组织的影响5 1 药芯中不同z r 盘量焊丝的熔敷金属冲击断口形貌。5 2 蘩蕊孛不霆z r 食譬焊丝弱熔敷金藩襄裂嚣叛习影貌5 3 药蕊中不同z f 禽量焊丝鞠熔敷金属扩展嚣断口形貌5 3 药芯中z r 含量不同的夹杂物分布及能谱分析图5 6 晶问的大角度位向5 7 晶内高密度位锩5 7 熔数金属中a l 含量对焙数金耩拉 率注戆鹣影嫡转 烙敷金属中a l 禽量对熔敷念属延伸率的影响6 0 熔敷金属中a l 禽量对熔敷愈属冲击韧性的影响6 0 熔敷金属中a l 禽量对熔敷金属夹杂物中烈含量的影响6 l 辫敷金疆孛a l 客譬交筵嚣熔数金藩串炙杂绥谱分疆爨一配 熔敷金属中a l 含量变纯对髂敷金属焊态和重热区的缀织影响6 4 熔敷金属中a l 含量不同的熔敷金属断口孵貌6 5 熔敷金属中a l 禽量不同的熔敷金属启裂区断口形貌6 5 熔敷金羼中a l 会量不同的烽数金_ | 嚣扩展嚣叛口形貔6 6 熔敷金属中a i 含量不同戆夹杂物及其藏分6 9 x 心辩雄弛粥姐粥粥强；!“轭钙蝣弼钾弛似蛳m蝌蛳蜥w螂蛐蚴恸凇凇!薹|阢艮雕雕雕图雕雕雕雕图匿雕图图图蓬隧图图匿匦图图躁霪圈图图匿嚣图图图蕤图图图莲蓬 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 。3 2 图4 3 3 图5 1 图5 2 图5 3 熔敷金属中1 1 7 a l 时的a i n 夹杂及其成分 熔敷金属中a l 含量较高时裂纹从a i n 夹杂放射状扩展图 药芯中c e 0 2 含量对熔敷金属拉伸性能的影响 药芯中c e 0 2 含量对熔敷金属延伸率的影响 药芯中c e 0 2 含量对熔敷金属延伸率的影响 药芯中c e 0 2 含量对熔敷金属焊态和熏热区组织的影响 药芯中c e 0 2 含量不同的熔敷金属断口形貌 药芯中c e 0 2 含量不同的熔敷金属启裂区断口形貌 药芯中c e 0 2 含量不同的熔敷金属扩展区断口形貌 两种焊丝的熔渣覆盖和焊道成形 两种焊丝脱渣后的焊道 两种焊丝立向下焊接管子 x i 加订记乃似为为舳 h | = 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表格清单 国外管线钢用自保护药芯焊丝熔敷金属力学性能 制备焊丝用钢带的化学成分 采集电弧稳定性信号的焊丝成分设计 熔渣覆盖和脱渣性研究的焊丝成分设计 工艺性能焊接工艺参数 不同稀土含量焊丝的电弧电压统计信息 不同稀土含曩焊丝的焊接电流统计信息 不同z r 含量焊丝的电弧电压统计信息 不同z r 含量焊丝的焊接电流统计信息 不同含量l i f 焊丝的电弧电压统计信息 不同含量l i f 焊丝的焊接电流统计信息 不同z r 添加量焊丝熔渣脱渣率测定结果 不同c e 0 2 添加量焊丝熔渣脱渣率测定结果 熔敷金属力学性能试验的焊丝成分设计 熔敷金属力学性能试验焊接工艺参数 药芯中z r 含量对熔敷金属化学成分的影响 熔敷金属中舢含量对熔敷金属化学成分的影响 药芯中c e 0 2 含量对熔敷金属化学成分的影响 两种焊丝的电弧电压统计信息 两种焊丝的焊接电流统计信息 力学性能试验焊接工艺参数 熔敷金属力学性能试验结果 鞍钢x 7 0 管线钢化学成分 鞍钢x 7 0 管线钢力学性能 x 7 0 焊接接头工艺参数 两种焊丝的x 7 0 焊接接头性能结果 两种焊丝的x 7 0 焊接接头焊缝金属拉伸性能 “艘蕊mm小m粥m m m m 傩埘抛m m 抛抛一|；|；| ”粥粥蚋川川睨似。：销神 表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表 = ：。 垫塞塾兰堑塞塑墼煮鎏堡翼堑耋璧堡圭耋垒丝塞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指姆下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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 发表或撰譬j 遣懿磷究成祭，也不包会必获褥熟羹越堂登塞陵或其缝教弯獯稳戆学 位或证书使用过的材料。与我一同工佟的同志对本研究所做的佼何贡献已在论文中作 了明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签名：歹銎专审 签字e ； 期：溉9 月j 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究众了解扭槭魁堂盈盔瞳有关保留、使用学位论文的规定， 毒蔽绦罄劳自国家有关帮门或投穆邀交论文懿复爨传窝磁盘，允诲逡文羧套冁寒氆 阅。本人授权一拯越登璧殛童瞳可以将学位论文的全部或部分内容编入有美数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学袋谂文终差签名：摩呻 签字网期：卿9 月f 日 善簿签名：缛量罅 签字日期：，一! 年7 月f 日 1 1 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 第一章引言 自保护药芯焊丝( s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e ) 通过在芯料组 成中添加造渣、造气、脱氧、脱氮等物质，可以在没有保护气体的 条件下焊接形成质量良好的焊接接头n “。由于这种焊接材料抗风能 力强( 风速允许达到1 2 m s ) ，同时焊接时无需气瓶等辅助设备，焊 接操作方便，焊接生产效率高，因此被广泛地应用于冶金建设、管 线、桥梁、造船、钢建筑、水利工程等必须在野外施焊的工程上， 特别是在油气管线现场安装领域有较大的市场需求口“1 。我国建设的 “西气东输”等管线工程现场安装就大量使用自保护药芯焊丝哺。 未来1 0 年我国将建设一系列石油天然气管线工程，管线总长度将超 过2 0 0 0 0 公里，管线将普遍采用a p ix 6 0 8 0 高等级管线钢，预计需 要管线钢重量将超过2 0 0 0 万吨。如果按照0 1 的白保护药芯焊丝 消耗量，保守估算我国天然气管线安装需要各项性能优良的自保护 焊丝将超过2 万吨。 高等级管线钢现场安装用的自保护焊药芯焊丝不仅应具有较强 的环境适应能力、良好的使用工艺性能，而且其焊缝金属还应具有 优良的力学性能，以确保大口径、高压力油气管线的使用安全，技 术含量较高。我国的一些高校和科研单位在近年来曾组织过攻关， 但由于其软件技术及制备技术比较复杂，目前我国尚未从根本上掌 握其制造技术关键，国产的自保护药芯焊丝无论从使用工艺性上还 是焊缝金属力学性能上都满足不了工程需求。目前在管道安装等行 业中大量使用的自保护焊药芯焊丝基本上全部依赖进口。由于该项 技术仅有美国h o b a r t 和l i n c o l n 等少数公司独有，进口该系列 焊丝价格昂贵，国家每年都要为此花费大量外汇，此外由于焊接材 料进口渠道复杂，运输时间较长，供货时间难以保证。因此研制开 发质量优良的系列自保护焊药芯焊丝，满足国内市场的使用需求已 是当务之急。 本文通过研究几种组元对自保护药芯焊丝工艺性能及熔敷金属 第一章引言 韧性的影响，为掌握高性能管线钢现场安装用自保护药芯焊丝的技 术关键、实现该焊丝的国产化打下技术基础。 1 1 白保护药芯焊丝的发展及其研究现状 1 1 1自保护药芯焊丝的发展 ( 1 ) 国外自保护药芯焊丝的发展 自保护药芯焊丝是2 0 世纪5 0 年代前苏联研制成功的一种新型 焊接材料。该焊丝药芯中添加适当熔点的造渣剂、脱氧剂和脱氮剂， 可以在不加保护气体条件下直接焊接，获得良好的焊接特性。 2 0 世纪6 0 年代，白保护药芯焊丝电弧焊开始在美国得到应用， 由于其与手工电弧焊相比，具有更高的熔敷效率和易于操作、节省 费用等特点，它的自保护性能在半自动焊接中也表现出极大的优势， 在结构件的焊接、造船、汽车组装及输油管道和远洋钻井平台等的 焊接中得到了广泛应用，在一些低碳钢和结构钢的制造中，自保护 药芯焊丝电弧焊已成为手工电弧焊的替代工艺n 1 。最早开发的自保 护焊丝如林肯公司的n r l 和n r 5 ，仅可用于平焊，在应用自保护焊 丝的同时仍需用大量的手工电焊条来进行全位置焊接；后经不断改 进，使自保护药芯焊丝获得了较好的全位置焊接的能力和美观的焊 缝成形，如当时林肯公司开发的n r 2 0 2 焊丝就可以进行全位置焊接。 随着自保护药芯焊丝工艺性的改善，使得半自动自保护焊接或者全 机械化室外焊接均成为可能。6 0 年代末期，自保护药芯焊丝在整个 美国的汽车制造和焊接结构装配如柱形焊接的摩天大楼和高塔等工 程中得到了应用，但主要针对强度级别比较低的钢种。 由于早期开发的自保护药芯焊丝偏重于焊丝使用工艺性能的改 进，而忽视焊缝金属力学性能的提高，自保护药芯焊丝焊缝的力学 性能比较低，不能用于许多重要的焊接结构，如大直径的管道和远 洋钻井平台等，这些焊接结构焊接中不仅需要1 0 0 的x 射线探伤， 而且对焊接接头有较高的力学性能要求，因此，从上个世纪7 0 年代 开始，自保护药芯焊丝的开发开始重视焊缝的韧性和c o d 特性”。 撬城辩学研究院跨尔滨焊接磺变掰硕士学位论文 然而，自保护药芯焊丝焊缝力学性能与焊接工艺性似乎是一对难以 调寒酸矛鹰。林髯公霹力低瀣结构钢秀发了凡静囱保护芬芯焊丝舞 n r 2 0 3 n i 一2 和n r 2 0 3 m 。虽然这些焊丝进一步扩大了自保护药芯焊 丝的应用范围，但都存在一定的问题：如n r 2 0 3 n i 。2 熔渣表躐张力 较大，容易在远洋平台誊冕懿4 5 。戆坡疆等位置戆怒攘中出现夹渣； n r 2 0 3 m 虽然提高了电弧的稳定性和降低了渣的凝固速度，改善了 全位置焊接中的焊缝成形和脱渣性，减少了夹渣，但对焊接参数如 于l 孛长秘瞧弧电匿跑较敏感，在焊接过程中不易羧制容易产生气毯 捧。由于存在上述闯题，自保护药芯焊丝仍然没有在管道和采油平 台等重要焊接结构得到广泛应用。 进入8 e 年代以瑟，睫着气保护浮螫蕊焊丝的飞速发震，困保护 药芯焊丝的制备技术也得到了显著的提高。通过优化芯料配方、严 格控制脱氧剂和脱氮剂的含量等措施，使自保护药芯焊丝的工艺性 能积焊缝金属的冲击性能得到了臻显的改善，高性戆自镰护蕊芯溽 丝被广泛应用予石油天然气管线等重要的焊接结构中n 。在该领域 美国独占鳌头，其自保护药芯焊丝制造技术世界领先，美国融将适 合管线铡辫接的自保护药芯辫丝裂入了低台金钢药蕊焊丝标准a w s a 5 2 9 e 7 1 t 8 n i l 。l i n c o l n 和h o r b a r t 两大焊接公司均已歼发出 系列产晶，能够满足不同的使用需要。如l i n c o l n 公司开发的 n r 2 0 7 ( n i ) 焊丝不仅具有良好戆使耀王艺性，霹以实现全艇置功 能，而且焊缝金属还具有优毙的低温韧性，2 0 c 鬻比吸收功可以达 到1 0 0 j 以上，该类型焊丝在我国宝钢、武钢、攀钢等冶金工襁建设 及油气簧线建设中褥到了应鼷；h o b a r t 公司开发鳇f a b s h i e l d 8 1 n 1 、f a b s h i e l d3 n i l 等产晶也具有较高的水平，如f a b s h i e l d 8 1 n 1 焊熊熔敷金属的2 0 夏比吸收功可以达到2 0 0 j 以上，被指定 为“嚣气东输”工程现场安装爆焊接楗料。此外，乌壳兰巴顿电焊 研究所在自保护药苍焊丝开发方面也进行了不少工作，该所歼发酌 p p a n 3 3 、p p a n 4 6 两种自保护药芯焊丝可以实现全位置焊接功能， 该系列焊丝在蘸苏联及东欧等匿家的管线工程中被采魇，毽熔敷金 第一章引言 属的低温冲击韧性偏低。表l 一1 列出了国外几种适合管线钢焊接的 自保护药芯焊丝熔敷金属的力学性能。 表1 - 1 国外管线钢用自保护药芯焊丝熔敷金属力学性能 r mr e l a a k v 自保护焊丝 ( n m m 2 )( n m m 2 )( ) ( j ) f a b s h i e l d8 1 n 15 2 3 4 3 4 3 0 1 9 4 - 2 0 ( 2 f a b s h i e l d3 n i15 5 04 4 22 9 1 5 0 一2 9 。c n r 2 0 7 h5 1 7 5 5 14 0 0 4 4 12 0 3 3 1 3 0 1 7 0 一2 9 c n r 2 0 75 1 7 5 5 14 0 0 4 4 12 0 3 313 0 1 7 0 一2 9 。c p p a n 3 34 9 0 5 3 04 2 04 4 02 4 3 0 5 0 6 5 - 2 0 c p p a n 4 64 9 0 5 3 04 0 0 4 2 02 4 3 0 3 0 5 0 - 2 0 。c ( 2 ) 我国白保护药芯焊丝的发展情况 我国的自保护药芯焊丝研究开发工作开始于上个世纪8 0 年代， 天津大桥集团、天津大学、北京钢铁研究总院、北京工业大学及天 津金桥集团等单位先后开展了自保护药芯焊丝的研究开发工作，取 得了一定的成果，如天津大学试制了氟钙钛( c a f 2 t i 0 2 - m g o ) 渣系 的焊丝，熔敷金属0 * c 夏比冲击吸收功为1 1 5 j ，4 0 c 夏比冲击吸收 功为6 9 j ，”1 ；天津金桥集团开发的j c 2 9 n i l 自保护药芯焊丝可以 进行管线的全位置焊接，熔敷金属2 0 c 夏比冲击吸收功达到1 0 0 j 以上。但与国外l i n c o l n 和h o r b a r t 公司的产品相比，国产的 焊丝无论是工艺性能还是熔敷金属的力学性能都存在较大的差距， 因此在重点工程建设中使用的自保护药芯焊丝基本全部依赖进口。 1 1 2国内外自保护药芯焊丝的研究现状 自保护药芯焊丝焊接时，由于无外加气体或焊剂的保护，容易 受到空气的污染，使得获得优质焊缝的难度大大增加。为提高焊缝 金属的质量，把熔焊方法用于重要结构，就必须尽量减少焊缝金属 中有害杂质的含量和有益合金元素的损失，使得焊缝金属得到合适 一：! ! 篓墼兰塑塞堕堕笙堡丝堡塑塞丝堡主耋堡笙塞 的化学成分“。国内外的焊接工作者在自保护药芯焊丝的冶金理论 方丽馋了一些工作，磅究主要集中在以下咒个方露： ( 1 ) 自保护药芯焊丝的渣系的研究 焊接材料常恁的保护形式有：气保护、渣保护和气一渣联合傺护。 自保护药芯焊丝不是简单的利用机械的隔离空气的方法来保护金 淄，焉是在爨芯中翔入脱氧剂秘脱氮荆，使癌空气进入潞纯金满中 的氧和氮能够被脱离出来。已报道的自保护渣系可分为酸性 ( t i 0 2 一c a o s i 0 2 ) 、弱碱性( c a f 2 一t i 0 2 m g o ) 和碱性 ( c a f 2 一a 1 2 0 3 ，m g o ) 三种“1 。钛型的酸性渣系自保护药芯焊丝焊 接电弧稳定，抗风、抗锈能力强，气孔敏感性小，脱渣好，操作容 易。但熔敷金属冲毒韧性低，扩数氢含量i 砉l ，只熊用于一般钢缝橡 的焊接。钙型碱性渣系自保护药芯焊丝熔敷金属的冲击韧性高，扩 散氢含量低，霹用予重要钢结构的焊接但它鲶工艺性麓榻差，焊接 飞溅量较大，烟雾较多。总之，这两类渣系的焊丝在力学或工艺性 麓上都存在着不是，需要发展滋工艺馥麓帮力学性藐馔馕的耨浚系 焊丝。天津大学在总结以，。匕两个渣系的特点纂础上，试制了弱碱性 氟钙钦( c a f 2 一t i 0 2 m g o ) 渣系囱保护药芯烨丝稚”，焊接飞溅量小、 烟尘较小，工艺性能良好，o 夏比冲击吸收功为1 1 5 j ，4 0 夏比 冲击吸收功为6 9 j 。 ( 2 ) 囊保护莼芯焊丝熔渡过渡形态 熔滴过渡在焊接过程中具有重要的意义，它直接影响焊接过程 昀稳定性、飞溅的大小、焊缝成形豹优劣秘产生焊接缺隧的可煞性。 其次，熔滴过渡的形态、过渡的时间、比表面积和温度，对金属与 溶渣耱气裰的冶金反应均有缀大的影晌。再次，在一定条件下潋交 熔滴过渡的特性可以调节焊接热输入，从而调节焊缝金满的结晶过 程，改变热影响区的尺寸和性麓。最篇，调整熔滴过渡还可戳提高 焊接材料的熔化速度。因此，研究熔滴过渡的有关规律对于提高焊 接质量和生产率都熊有很熏要的意义“。 粟事薪等人“射通过对多静自保护药芯焊丝过渡蛉毫速摄影照片 第一章引 言 的观察、分析，将自保护药芯焊丝熔滴过渡的形态分为6 类：短路 非爆炸附渣过渡、外摆短路过渡、短路爆炸过渡、颗粒过渡、射滴 过渡及爆炸过渡。认为颗粒过渡、射滴过渡是自保护药芯焊丝中两 种较理想的过渡形式：颗粒过渡、射滴过渡的比例越高，电弧越稳 定，飞溅越小，保护越好，两种爆炸过渡的比例越大，飞溅越大， 电弧越不稳定，飞溅颗粒的大小除了和过渡形态有关外，还和爆炸 程度、过渡平均时间有关，外摆短路过渡会使电弧稳定性变差；短 路非爆炸过渡飞溅小，电弧燃烧较稳定，但对熔滴保护效果较差； 各种过渡形态对焊丝工艺性能的影响机理取决于每种过渡的过程和 过渡的特征参数。 ( 3 ) 自保护药芯焊丝焊缝中氮、氧的研究 由于自保护药芯焊丝的自保护特性，决定了其保护效果不如药 皮焊条、气体保护焊丝，因此焊缝中含氮量较高。高温时，氮在熔 池和熔滴金属中的溶解度很高，在冷却过程中，随着温度的降低氮 的溶解度急剧下降，如果熔池冷却速度大于气体逸出速度，就会形 成气孔n “。气孔会造成应力集中，大大降低焊缝金属的强度、韧性， 显著降低焊缝的疲劳强度。另外，熔敷金属中过饱和的游离氮处于 不稳定状态，随时间的推移，过饱和的氮逐渐析出，会形成f e 4 n 这 种脆性物质，产生时效脆化。 氮和氧对自保护药芯焊丝焊缝气孔的产生都有重要影响，并且 相互起到加剧或放大的作用“。自保护药芯焊丝焊缝所出现的气孔 比较复杂，可能是n 2 和c o 的混合气孔，或既有n 2 气孔和c o 气孔， 又有n 2 和c o 混合气孔n “。严格控制电弧气氛的氧化趋势，最大限 度的降低熔敷金属的含氧量，是降低焊缝气孔敏感性的关键。 在自保护药芯焊丝中，常用的脱氧、脱氮剂有铝、钛和稀土。 铝的化学性质活泼，具有很强的脱氧、脱氮的作用。随焊丝药 芯中铝粉加入量的增加，氧含量虽有波动但总的趋势是下降的，氮 含量则表现出非常明显的下降趋势。与稀土相比，铝有更强的脱氮 能力n 。铝能有效的减小气孔敏感性，主要基于以下几点：第一， 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 铝对氧的亲和力很强，其脱氧能力排在钛、碳、镁、锆之前，铝主 要通过先期脱氧来降低电弧气氛的氧化势，其脱氧反应为，： 2 a i + 3 c 0 2 = 3 c o + a 1 2 0 3 ( 1 1 ) 4 a l + 3 0 2 = 2 a 1 2 0 3 ( 1 2 ) 第二，在降低电弧气氛氧化势的同时使电弧气相中n o 的分压降低， 从而使氮溶入液态金属的数量减少乜“；第三，铝与氮有很强的结合 能力，可以形成稳定的氮化物且不溶于液态金属而进入熔渣，铝还 可以在熔池中与氮发生以下反应： 【a l 】+ n 】- a l n ( 1 - 3 ) 式中【a 1 】、 n 】、【a 1 n 分别是液态金属中a l 、n 和a 1 n 的浓度瞳“。 要消除焊缝金属中的气孔，a i n 2 的比例应大于2 0 ，焊缝中氮含量增 加时，必须同时相应增加铝的含量以防气孔n “。铝在自保护药芯中 的添加量不同，反应后的产物略有不同：在高铝( 1 7 0 ) 焊缝金属 中a 1 n 的形成先于a 1 2 0 3 和t i ( c n ) ，而在低铝( 0 5 3 ) 焊缝中， a 1 2 0 3 和t i ( c n ) 将先于a 1 n 形成瞳“2 “。 钛也具有一定的固氮作用，如张智心印等人采用两种钛含量不同 的c a f 2 t i 0 2 m g o 渣系自保护药芯焊丝焊制多层焊缝，并通过热力 学方法计算出防止氮气孔的最低钛含量大约为0 1 1 。 自保护药芯焊丝中添加稀土元素或稀土合金可降低熔敷金属中 含氧量及气孔敏感性，稀土元素在先期脱氧中被大量氧化，对熔敷 金属中总氮量影响不明显，但降低了游离态氮及其有害作用瞳。 ( 4 ) 自保护药芯焊丝焊接过程中的扩散氢问题 氢和氮一样，由于高温时在熔池和熔滴中溶解度很高，而在冷 却过程中，溶解度急剧下降，很容易产生气孔。有资料1 表明扩散 氢量与自保护药芯焊丝焊缝气孔敏感性没有必然的联系，扩散氢含 量不是影响其焊缝气孔产生的主要原因。虽然，药芯焊丝焊接工艺 为低扩散氢类的焊接方法心”，但在采用弯曲应变裂纹试验 ( b e n d i n g s t r a i nc r a c k i n gt e s t ) 研究自保护药芯焊丝焊接h y - 8 0 钢 时发现：采用吸潮后的焊丝进行焊接，焊缝中有氢致裂纹存在，烘干 第辈；害 焊丝和提高熔渣的碱度有利于降低裂纹率心。另外，文献吨 州对自 绦护焊丝送行力学。陡链试验时发现了由予扩数氢弓| 怒的氢脆鬻题， 提出应采用焊后去氨处理消除氯脆的措施，并认为焊丝中药芯成分 吸潮、焊魅表面残留的润滑剂是药芯焊丝焊缝的主骤氯源。 ( 5 ) 自保护药葱焊丝酶餐化耢究 自保护药芯焊丝熔敷金属韧性是力学性能的核心，也是长期以 来备受关心的问题。当前自保护药芯焊丝的韧化有两个方向：一是 选择有利予韧性提熬的渣系，傻熔敷金属褥戮类似予手工辉绒堙弧 焊熔敷金属的化学成分，然后采用已成熟的韧化机理，如m n s i = 4 7 ， t i b 系等来改善韧性；另一方向是在高铝条件下，探讨其韧化的问 题。 自保护药芯成分中常用的脱氧固氮荆铝、钛和稀都会对韧性 产生一定的影响。有研究口“认为高铝系囱保护药芯焊丝熔敷金属的 韧性霹通过添加微爨硼霹耩褥以改善，钡位巍理是：适量的徽量 元素硼、稀土使熔敷金属获得特征参数邋当的a 1 2 0 3 夹杂物，a 1 2 0 3 可以通过降低针状铁索体形核能垒，提高奥氏体中位错密度来诱发 针状铁素体形核，超裂簧统m n ，s i 系中零i _ b 的韧俄僚忍。鸯镰护药 芯焊丝药芯中铝含照增加时，熔敷金属中氧含量、氮含量和气孔敏 感性明显下降，有利于获得优质的焊缝。但铝的残朗量过多反而使 熔敷金属中先共辑铁素体的数量增加，菇粒粗大，韧性下降，这可 能是铝圈溶于7 f e 中直接影响了了一伐转变动能，健y 一伐的转变温 度提高，导致出现大量的高温转变组织一先共析铁索体，并使奥氏 体粗他船“。淹了游除残余铝的不利影嚷，常采用在辉缝书加入f e 2 0 ： 或者微量n i 。加入少量的镍( o 5 0 o 7 5 ) 可以确显的提高低温冲 击韧性，但其强化铁素体从而提高抗拉强度的作用不明显口。”1 。 曩。b n i 舍金系统在钙钛黧自保护药芯爆丝焊缝巾韧优律耀h ”： 在焊缝中控制钛，使其符合t i n 化合的要求，是提高焊缝韧性的必 要条件；在此基础上向焊缝中过渡适量硼元素，可使铁素体组织细 纯，迸一步提熹韧，瞧；镍元素在焊缝中主要起韧纯铁素体基体的作 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 用。t i 促进焊缝金属中脆化贝氏体组织形成而提高脆性转变温度的 作用明显“”1 ，因此t i 的加入量必须在合适的范围内：既要尽量降 低焊缝中t i 的含量，又要使其符合t i n 化合的要求1 自保护药芯焊丝工程应用中多采用多层多道焊接工艺，因此有 必要对多层多道焊接时熔敷金属韧性加以研究。多层焊接时熔敷金 属的柱状区和粗晶加热区组织主要由先共析铁素体+ 铁素体+ 第二相 组成，这可能是铁素体稳定化元素铝提高了奥氏体分解温度，促使 焊缝主要由高温转变产物组成。多层焊细晶加热区则由细块状铁素 体和第二相组成。焊缝中夹杂物呈随机分布，夹杂物多为铝、镁的 球状复合氧化物，夹杂物对冲击韧性有不良影响。在焊态下出现的 粗大的柱状晶组织使得焊态和重热区的组织有很大差别，因此在自 保护药芯焊丝多层多道焊接时必须严格控制焊接参数、热输入量、 焊接道次和每层焊道的厚度。 1 2 低合金钢焊缝金属的组织和韧性研究 ( 1 ) 低合金钢焊缝金属的组织 根据焊缝金属的合金化程度和冷却速度的不同，低合金钢焊缝 可以得到不同的组织：先共析铁索体、侧板条铁索体、针状铁素体、 贝氏体和马氏体。当焊缝中主要含有先共析铁素体时，裂纹很容易 产生和扩展。李中麟等人在试验中发现，当裂纹在粗大的先共析铁 素体处扩展时，裂纹扩展路径平直，受到的阻力小，表现为韧性差“。 s n y d e re ta l 把含有先共析铁素体焊缝冲击韧性差的原因解释为：针 状铁索体比先共析铁素体硬，冲击试验时，比较硬的针状铁素体使 应变集中于软的先共析铁素体上，导致裂纹的产生和扩展。而当 焊缝金属的显微组织基本上为针状铁素体时，无论是强度还是韧性 都能取得最佳值。因为针状铁索体属于中温转变产物，晶粒细小， 其宽度一般为1 3i tm ，长宽比约为3 ：1 1 0 - 1 ，相邻针状铁素体 间的方位差为大倾角，所以当裂纹沿针状铁素体扩展时，断裂路径 非常曲折，扩