（材料加工工程专业论文）x80管线钢用自保护药芯焊丝工艺研究.pdf

中文摘要 随着国民经济的发展和对石油、天然气资源需求的急剧增加，管线建设如火 如荼。以适合野外施工，抗风能力强的自保护药芯焊丝得到了广泛的应用。但是， 我国管道焊接用的全位置自保护药芯焊丝主要依靠进口美国林肯公司和哈伯特 公司的产品，国内迫切需要提高自保护药芯焊丝的质量。 药粉预处理对焊丝的工艺性能具有很大的影响。本文首次提出用水代替钾钠 水玻璃作为药粉粘结剂，效果很好，既节约了粘结剂的费用，又可以充分利用筛 分掉的细粉，具有很大的经济效益。同时确立烧结温度在7 0 0 8 5 0 。之间，保温 半小时。经过预处理，不但提高了药粉的均匀性、耐潮性、流动性，而且还除去 了药粉中有害化学成分，改善了焊丝的工艺性能。 熔滴过渡形式影响药芯焊丝的工艺性能和力学性能，本文借助高速摄影设备 对研制的x 8 0 管线钢用自保护药芯焊丝的熔滴过渡形态及冶金因素对熔滴过渡 的影响进行了研究。发现电弧燃烧过程中不存在滞熔性渣，药芯的熔化先于钢带， 熔滴过渡以附渣过渡和爆炸过渡为主。 渣系中f e 2 0 3 、l i 2 c 0 3 、a l - m g 等对熔滴过渡行为有较大的影响，本文设计三 组试验，对采集的焊接电弧的电压电流信号进行统计分析，总结出其对熔滴过渡 及焊接工艺的影响规律。f e 2 0 3 降低熔滴的表面张力，细化熔滴，但提高药粉的 熔点，增大飞溅。l i 2 c 0 3 的影响比较复杂，含量较少时，细化熔滴作用不明显， 含量多时，增大飞溅。a i m g 增加电弧温度，降低熔滴表面张力，细化熔滴，但 焊接时增大烟雾。综合考虑，f e 2 0 3 含量为1 0 ，l i 2 c 0 3 含量为2 ，a i m g 含量为 1 4 时，整体效果较好。 成功研制t b a f 2 a 1 m g 渣系的自保护药芯焊丝，按照西气东输二线管道工 程线路焊接技术规范，对焊丝的工艺性能和接头的力学性能进行了综合评定，评 定结果良好。 关键词： 自保护药芯焊丝：药粉预处理；熔滴过渡；b a f 2 a i m g 渣系 a b s t r a c t p i p e l i n ec o n s t r u c t i o nh a sb e e ni n c r e a s e dw i t ht h en a t i o ne c o n o m yd e v e l o p m e n t a n di n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yd e m a n do fo i la n dn a t u r a lg a s t h es e l f - s h i e l d e df l u x c o r e dw i r e ( s s f c w ) a si ss u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i o nf i e l da n ds t r o n gw i n dr e s i s t a n c e i sw i d e l yu s e df o ra l l - p o s i t i o nw e l d i n go fp i p e l i n e ，b u tt h em a j o r i t yo fc o n s u m e d s s f c wi nc h i n ar e l i e so ni m p o r t i n gt h ep r o d u c to fl i n c o l na n dh o b a r tc o r p o r a t i o n d u et ot h ep o o rq u a l i t yo f d o m e s t i cs s f c w s ot h e r ei sa nu r g e n tn e e dt od e v e l o pt h e d o m e s t i cs s f c 彤 p r e t r e a t m e n tp r o c e s so ft h ep o w d e rh a sag r e a ti m p a c to np e r f o r m a n c eo ft h e w i r e i nt h i sp a p e r ，t h ew a t e rw a sf i r s tp r o p o s e da sap o w d e rb i n d e r , w h i c hi sm o r e e f f e c t i v et h a ns o d i u ms i l i c a t eb i n d e r i tn o to n l ys a v e st h ec o s to ft h eb i n d e rb u ta l s o c a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ef i n ep o w d e rs c r e e n e do u t ，s oi th a sg r e a te c o n o m i c b e n e f i t s a tt h es a m et i m e ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo ft h ep o w d e ri s e s t a b l i s h e d b e t w e e n7 0 0 8 5 0 。，a n dt h eh o l d i n gt i m ei sh a l fa nh o u r i ti m p r o v et h eu n i f o r m i t yo f p o w d e r , p o w d e rf l o w , r e d u c ew a t e ra b s o r p t i o n ，r e m o v et h eh a r m f u lc h e m i c a l c o m p o n e n t si nt h ep o w e ra n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e m e t a lt r a n s f e rc a na f f e c tp r o c e s sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs s f c w i nt h i s p a p e r , m e t a lt r a n s f e rp a t t e r n so fs s f c ww e r es t u d i e db yh i g h - s p e e dp h o t o g r a p h i c e q u i p m e n t ，a n dt h ei m p a c to fm e t a l l u r g i c a lf a c t o r so nm e t a lt r a n s f e rw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l ti st h a tt h e r ei sn oh y s t e r e s i ss l a gi na r ec o m b u s t i o n ，t h ef l u xm e l t sb e f o r e s t r i p ，t h em a i nf o r m so ft h em e t a lt r a n s f e ra r ee x p l o s i v et r a n s i t i o na n ds l a ga t t a c h e d t r a n s i t i o n f e 2 0 3 ，l i 2 c 0 3 ，a i - m gi ns l a gh a v eag r e a ti m p a c to nm e t a lt r a n s f e r t h r o u g h t h r e es e t so ft e s t s ，t h es i g n a l so fw e l d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tw e r es t a t i s t i c a l l y a n a l y z e d ，s u m m a r i z e dt h e i ri m p a c to nd r o p l e tt r a n s f e ra n dw e l d i n gt e c h n o l o g y , f e 2 0 3 i nt h ef l u xc a nr e d u c et h es u r f a c et e n s i o no fm e t a ld r o p l e t ，m a k ed r o p l e tr e f i n e d b u ti t i n c r e a s et h em e l t i n gp o i n to fp o w d e ra n ds p a t t e r t h ei m p a c to fl i 2 c 0 3i nt h ef l u xo n m e t a lt r a n s f e ri sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nf e 2 0 3 w h e nt h ec o n t e n to fl i 2 c 0 3i nt h e f l u xi sl e s s ，t h ee f f e c to nd r o p l e tr e f i n e m e n tj sn o to b v i o u s ，b u tw h e ni ti sm o r e t h e s p a t t e ri si n c r e a s e d a i - m gi nt h ef l u xc a ni n c r e a s ea r ct e m p e r a t u r e ，l o w e rt h es u r f a c e t e n s i o no fd r o p l e t , b u ti ti n c r e a s ew e l d i n gf u m e s a tl a s tt h ec o n c l u s i o ni sc o n s i d e r e d ： w h e nt h ec o n t e n to ff e 2 0 3i s10 ，t h ec o n t e n to fl i 2 c 0 3i s2 ，t h ec o n t e n to fa i m gi s 14 ，t h eo v e r a l le f f e c ti sg o o d t h es e l f - s h i e l d e df l u x c o r e dw i r ei ns l a gs y s t e mo fb a f 2 一f e 2 0 3 - l i 2 c o s a 1 - m g w a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d i na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i c a t i o no fs e c o n dw e s t e a s t g a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ep r o j e c t ，t h ep e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e w i r ew a sc o m p r e h e n s i v e l ya s s e s s e d ，t h er e s u l t si sg o o d k e yw o r d s ：s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e p r e t r e a t m e n to f t h ep o w d e r ， m e t a lt r a n s f e r , s l a gs y s t e mo fb a f 2 a i - m g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：马走参 签字日期： 沙吵年多月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：马杰乞 签字日期：z 。d 夕年多月孑日 聊繇芬x 中 签字日期：矽叩年易月乡日 天津大学硕：士：学位论文 第一章绪论 1 1 选题的来源与意义 第一章绪论 自保护药芯焊丝是通过在药芯组成中添加造渣、造气、脱氧、脱氮等物质， 在没有外加保护气体的条件下焊接形成质量良好的焊接接头【l 】 由于这种焊接材 料抗风能力强，允许风速达n i t 级，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，属于比较新型的焊接材料，特别适用于大型构件的现场 补焊和野外施焊等工程场合，目前在油气管线现场安装、阀门堆焊、大型水轮机 叶片及轴的补焊等场合有较大的市场需求1 2 3 】。 根据有关方面的规划，未来1 0 年内，我国将建成1 4 条油气输送管道干线， 形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”，总长上万公里的干线和连通2 7 0 个城市 长达1 4 万k m 支线的油气管输格局【4 1 ，在管道施工技术中，管道焊接是非常重要 的关键技术。 近年来，随着管道向大口径、高压力的方向发展，对管材的强度和韧性的要 求也日益提高，出现了新的管道用钢x 8 0 管线钢，它不仅具有较高的强度，而 且还保持着良好的韧性和焊接性，与采用x 7 0 管道钢相比，壁厚可大幅度减小， 管道的建设费用也会相应降低7 8 。 目前，国内天津市金桥焊材集团有限公司开发的j c 3 0 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一定的差距，在重点工程建设中，尤其是我国“西气东 输”一线工程所用的焊接材料全部从国外进口。因此，本课题的研究对提高国内 自保护药芯焊丝的质量，推动我国先进焊接材料的发展具有重大的意义。 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 天津大学硕十学位论文第一章绪论 失，使得焊缝金属得到合适的化学成分1 5 】。国内外的焊接工作者在自保护药芯焊 丝的冶金理论方面做了一些工作，研究主要集中在以下几个方面。 1 自保护药芯焊丝渣系的研究 焊接材料常用的保护形式有：气保护、渣保护和气渣联合保护。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属，而是在药芯中加入脱 氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属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 - t i 0 2 m g o ) 和碱性( c a f 2 a 1 2 0 3 m g o ) 三种f 6 7 】。 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 击韧性低，扩散氢含量高，只能用于一般钢结构的焊接。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，可用于重要钢结构的焊接但它的 工艺性能稍差，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 工艺性能上都存在着不足，需要发展出工艺性能和力学性能俱佳的新渣系焊丝。 天津大学在总结以上两个渣系特点的基础上，试制了弱碱性氟钙钛 ( c a f 2 t i 0 2 m g o ) 渣系自保护药芯焊丝【6 】，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 4 j 。 2 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【8 】。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【9 j 。自保护药芯焊丝焊缝所出现的气孔比较复杂，可能是n 2 气孔或 是c o 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【1 。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【1 1 1 。铝能有效的减小气孔敏感性，主 要基于以下几点。 第一，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 天津大学硕十学位论文第一章绪论 通过先期脱氧来降低电弧气氛的氧化势。 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i l 引。 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 t + 【】= a l n 】 ( 1 1 ) 式中【a l 】、i n 】、【a i n 分别是液态金属中a 1 、n 和a i n 的浓度 1 4 3 。要消除焊缝金 属中的气孔，a 1 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。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o d a l 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 i r i t i ( c n ) 将先于a i n 形成【1 3 , 1 4 】。 钛也具有一定的固氮作用，如张智1 1 5 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， 但降低了游离态刻1 6 】。 3 自保护药芯焊丝的韧化研究 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：一是选择有利于韧性提高的渣系， 使熔敷金属得到类似于手工焊或埋弧焊熔敷金属的化学成分，然后采用己成熟的 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剂铝、钛和稀土都会对韧性产生一定的影 响。有研究【l7 】认为高铝系自保护药芯焊丝熔敷金属的韧性可通过添加微量硼和稀 土得以改善，韧化机理是：适量的微量元素硼、稀土使熔敷金属获得特征参数适 当的a 1 2 0 3 夹杂物，a 1 2 0 3 可以通过降低针状铁素体形核能垒，提高奥氏体中位 错密度来诱发针状铁素体形核，起到传统m n s i 系中t i b 的韧化作用。自保护药 芯焊丝药芯中铝含量增加时，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。但铝的残留量过多反而使熔敷金属中先共析铁素体的数 量增加，晶粒粗大，韧性下降，这可能是铝固溶于y f e 中直接影响y q 转变 动能，使y q 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素 体，并使奥氏体粗化【l 引。为了消除残余铝的不利影响，常采用在焊缝中加入f e 2 0 3 或者微量n i 。加入少量的镍( o 5 0 0 7 5 ) 可以明显的提高低温冲击韧性但其强化 天津大学硕士学位论文第一章绪论 铁素体从而提高抗拉强度的作用不明剧1 9 2 0 1 。 t i b n i 合金系统在钙钛型自保护药芯焊丝焊缝中韧化作用：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，可使铁素体组织细化，进一步提高韧性；镍元素在焊缝中主 要起韧化铁素体基体的作用。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【2 1 , 2 2 j ，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。 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【2 3 】。 4 自保护药芯焊丝熔滴过渡的研究 熔滴过渡在焊接过程中具有重要的意义。首先，它商接影响焊接过程的稳定 性、飞溅的大小、焊缝成形的优劣和产生焊接缺陷的可能性。其次，熔滴过渡的 形态、过渡的时间、比表面积和温度，对金属与熔渣和气相的冶金反应均有很大 的影响。再次，在一定条件下改变熔滴过渡的特性可以调节焊接热输入，从而调 节焊缝金属的结晶过程，改变热影响区的尺寸和性能。最后，调整熔滴过渡还可 以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 和生产率都具有很重要的意义【2 6 】。栗卓新等人【2 7 】通过对多种自保护药芯焊丝过 渡的高速摄影照片的观察、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。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 自保护药芯焊丝保护机理 从目前的研究来看，自保护药芯焊丝的保护机理分为气保护、渣保护及合金 元素保护三种【2 4 j 。 1 造气保护 无论酸性还是碱性自保护药芯焊丝均加入了一定量的造气剂如木粉、纤维 素或碳酸盐，以在高温分解形成c 0 2 、h 2 、0 2 和h 2 0 ( g ) ，这些气体从钢皮内以一 定流速向熔池中射出，形成气罩，降低了焊接区氮、氧的分压，防止了空气中 n 2 、h 2 、0 2 的侵入。当造气剂过多时，有可能引起飞溅或将熔滴托起，使熔滴 失去保护。除此之外，些低沸点的物质女h l i f 、b a f 2 、m g 等，在电弧中易形成 蒸气，也能起到保护熔池的作用。本课题研制的自保护药芯焊丝就是利用这些低 沸点的氟化物来对熔池进行气保护的。 2 造渣保护 相对来说，渣保护是一种副作用最小的保护。在自保护药芯焊丝中加入一定 量的造渣剂，当焊丝熔化形成熔滴时，渣能迅速覆盖熔滴，同时和熔滴进行冶金 反应。一方面防止氮、氧的侵入，另一方面进行脱氧、脱氮。随后和熔滴一起进 入熔池，均匀覆盖熔池并在渣金属表面上进行冶金反应。所以采用渣保护，对 渣的物理化学性质如熔点、表面张力、碱度等要求较严，应尽可能增大渣与金属 间的浸润能力，并使其具有适中的熔点、粘度和表面张力，以取得良好的渣保护 效果。造渣保护带来的一个问题是由于药芯的导电、导热性较钢皮差，而电弧是 在钢皮上燃烧的，所以有可能造成钢皮先熔化，药芯的熔化滞后，形成渣的“尖 端”，削弱了渣对熔滴的保护，渣可能成块落入熔池，使渣保护的效果大为降低。 3 合金元素保护 目前自保护药芯焊丝绝大多数用于室外施工，必须考虑到风力对自保护药芯 焊丝固有的保护气氛的干扰。一般在自保护药芯焊丝中均加入了一些和n 、o 亲 合力大的元素如a l 、m g 、z r 、t i 、s i 等，以便在焊接过程中和n 、o 形成稳定的 化合物，进行脱氮、脱氧。可见自保护药芯焊丝的保护机理和涂料焊条相似，不 外乎渣、气、合金元素三种，也由此发展为偏重于气、渣、合金元素保护的三类 自保护药芯焊丝。从自保护药芯焊丝的配方设计来看，最初是金属气渣并用型， 随后是渣金属气型，近年来金属渣型的发展更多些。除此之外，也有文献1 2 5 】提 出通过对焊丝的表面处理，使从钢皮外侧产生一定量的气体形成气保护。 对焊接材料如焊条焊丝，尤其是自保护药芯焊丝，焊接过程及焊接区保护是 个重要问题，所以对保护机理的深入研究决定着自保护药芯焊丝的焊接工艺性能 和熔敷金属力学性能。从保护的方式看不外乎上述三种，但具体到焊接冶金过程 天津大学硕士学位论文第一章绪论 中，自保护药芯焊丝的保护机理又有如下特点：在熔滴形成阶段，进行先期的脱 氧、脱氮，一些碳酸盐分解析出二氧化碳作为保护气体。造渣剂熔化，熔渣金属 相互作用，此阶段三种保护具存。造气保护不宜过大，否则一来会增大气相中的 氧化性，二来有可能把熔滴吹跑，形成飞溅或造成气垫作用，影响熔滴过渡。渣 保护至关重要，熔渣的物化性质要求较高，渣的熔点、粘度、张力、碱度、氧化 性等要适当。在保证力学性能的前提下此阶段合金元素保护宜大。根据试验结果， 对自保护药芯焊丝熔滴的形成阶段占整个冶金阶段的时间较长，所以形成一个较 为纯净的氮、氢、氧及合金元素含量适当的熔滴是最终形成优质焊缝的关键。在 熔滴的过渡阶段熔滴穿过或流过整个弧柱区，总的要求是缩短这一阶段的时间， 减少和大气的接触。一是不应过度减小颗粒度，增大表面积；二是针对不同渣系 熔滴过渡的行为，控制好熔滴( 金属、渣) 的物化性质；三是选择适当的工艺参数。 在熔池阶段，气保护的比例较小，甚至可以忽略，应注重渣保护和熔池前部的脱 氮、脱氧。调整渣的凝固速率、流动性及表面张力，使获得的焊缝成型美观。 1 4 本文研究的主要内容 结合自保护药芯焊丝国内外发展的现状，确定了如下的研究内容。 1 自保护药芯焊丝的制备 确定x 8 0 钢用自保护药芯焊丝的渣系及合金系，探讨自保护药芯焊丝的预 处理工艺及其对工艺性能的影响。 2 自保护药芯焊丝熔滴过渡研究 拟定对研制的x 8 0 管线钢用自保护药芯焊丝平焊位置的高速摄影试验，分析 其熔滴过渡形态，同时借助e x c e l 、o r i g i n 等软件对其熔滴过渡的电信号进行统计 分析。本文将重点讨论药芯组分中f e 2 0 3 、l i 2 c 0 3 、a 1 m g 对熔滴过渡行为及焊 接工艺的影响。 3 x 8 0 管线钢用全位置自保护药芯焊丝的综合评定 按照西气东输二线管道工程线路焊接技术规范，对研制的自保护焊丝的工艺 性能和接头的力学性能( 包括拉伸、弯曲、冲击、刻槽锤断、硬度等) 进行综合 评定。 天津大学硕士学位论文第一章试验研究方泫 2 1 焊丝制备方法 第二章试验研究方法 本文研制的自保护药芯焊丝是采用低碳钢带经轧制加工成形制造的有缝药 芯焊丝。焊丝截面形状为“o ”型。钢带的化学成分见表2 1 。 表2 1 钢带化学成分( w t ) t a b 2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fe l e c t r o d et u b e ( w t 、 药芯焊丝的生产工艺流程如图2 1 所示，钢带通过成形轧辊加工成u 形槽，通过 加粉装置加入药粉，再轧制成管状，然后拉拔成符合要求的焊丝。试验焊丝的直 径为中2 o m m 。 加粉装置 图2 i 药芯焊丝生产工艺流程 2 2 药粉松装密度测定方法 合成形轧辊 拔丝机 1 试验仪器 松装密度仪l 台如图2 - 2 所示，容器( 2 5 m 1 ) 1 只，刮板1 只，t g 3 2 8 电光 分析天平( 分度值：0 1 m g ) 。 2 试验方法 药粉从漏斗口在一定高度自由落下充满容器时，测定松装状态时容器内单位 体积药粉的质量，即药粉堆积密度。试验前将药粉在2 0 0 c 进行烘干2 小时，除 去可能吸入的水分，然后放入漏斗中，让药粉填满容器，精确称重这2 5 m l 药粉 无律大学硕士学位论文第二章试验研究方让 重量记为w 。药粉堆积密度按照下式计算。 堆积密度= 罢 2 3 焊丝飞溅率的测定方法 图2 - 2 橙装密度仪 将一块3 0 0 r a m 2 0 0 r a m 1 6 r a m 的q 2 3 5 钢板置于平台上，焊前在试板表 面上涂b 溅粉，并称出试板重量。在表2 - 2 所示的工艺参数下平焊，焊后收集试 板上及r 台上的飞溅金属颗粒称出重量同时称出焊后试板的重量，井按下式 计算飞溅率： 飞溅率= 面筹是斋一。* ( 2 _ ) 其中焊丝熔化质量= 焊后试板质晕一焊前试板质量+ 飞溅质量。 表2 - 2 焊接工艺参数 2 4 熔滴过渡研究方法 目前，我国管道焊接用的全位置自保护药芯焊丝主要依靠进口美国林肯公司 和哈伯特公司的产品，国内迫切需要提高自保护药芯焊丝的质量。由于焊丝熔滴 过渡的特性与焊丝的工艺质量之间有岛好的对应关系，对自保护药芯焊丝焊接熔 滴过渡理论的研究有助于提高国内同类产品的开发和提高。 天津大学硕士学位论文第二章试验研究方法 2 4 1 试验设计 影响自保护药芯焊丝熔滴过渡的主要因素有两个：焊接工艺参数和药芯组 分。本文在调整好焊接工艺参数( 焊接电压、电流、送丝速度及干伸长度) 的基 础上，采用高速摄像的方法，研究了不同药芯成分下自保护药芯焊丝的熔滴过渡 行为。由于渣系中f e 2 0 3 、l i 2 c 0 3 、a i m g 等对熔滴过渡有较大的影响，故在基础 配方的基础上，保持其他成分比例不变的情况下，设计了三组共十四个配方的试 验，如表2 3 所示。通过试验，研究渣系中f e 2 0 3 、l i 2 c 0 3 、a i m g 等对自保护焊 丝熔滴过渡的影响规律，进而确定焊接工艺最优的渣系成分。 表2 3 药芯组分对熔滴过渡的影响试验设计 2 4 2 试验设备 本试验所用到的设备为高速摄像系统，它由4 部分组成，其光路如图2 3 所 示： ( 1 ) 光源部分背光光源使用的是波长为6 3 2 8n m 的氦一氖激光器； ( 2 ) 扩束部分由显微目镜( 透镜1 ) 3 1 凸透镜( 透镜2 ) 组成扩束镜； ( 3 ) 成像部分包括焊丝、成像物镜( 透镜3 ) 、小孔光阑、干涉滤光片和成像 屏。干涉滤光片的中心波长为6 3 2 8 n m ，透过宽度约1 ，透过率为7 0 ； ( 4 ) 摄像部分高速摄像仪为i d t ，i n c 的m o t i o n p r ox 刑，该摄像仪以c m o s 传感器为核心，具有二次曝光的功能。这种功能使得两次连续曝光时间间隔仅有 l o o n s ，因而t l i t 录高速运动的物体，例如，能拍摄运动粒子的动态照片。所拍 摄的图像通过专用m o t i o n p r oxs t u d i o 软件可以下载到计算机的硬盘中以便于永 久性的保存和分析。 天津大学硕士学位论文 第二章试验研究方法 图2 3 平焊位置时高速摄像设备及光路原理图 在强烈的氦氖灯背光照射下，焊接过程中的弧光被大幅消弱，熔滴过渡的实 景通过透镜3 ( 凸透镜) 以后在毛玻璃上成像，通过高速摄像机拍摄毛玻璃所成 的像，实时记录熔滴过渡的过程。平焊位置时，使用圆筒形工件，焊枪在工件项 部而且与工件垂直，激光与焊缝垂直，焊接时不存在焊缝遮挡激光问题，每焊完 一道焊缝，旋转圆筒位置即可。 数据采集系统由科海霍尔传感器、科海电压模块和p c l 1 8 0 0 数据采集卡组 成。焊接时电压通过分压器和最大限值器组成的滤波器输入到计算机；电流通过 金属通道连接电流传感器，把瞬时的工作电流输入计算机。数据采集的频率f 为 1 2 5 0 0 0 h z 。 焊接设备使用林肯d c 4 0 0 型直流电焊机和l n 2 3 p 送丝机：焊丝为研制的 x 8 0 管线钢用自保护药芯焊丝；试板材料为q 2 3 5 钢；焊接工艺参数如表2 2 所 示。 2 5 焊丝综合评定试验方法 根据q s yg j x0 11l 一2 0 0 7 西气东输二线管道工程线路焊接技术规范，采用 研制的自保护焊丝对x 8 0 钢进行管对接试验，通过工艺性能和焊接接头的力学 性能测试，对研制的自保护焊丝进行评定。 2 5 3 试验材料 试验材料采用国产x 8 0 钢管中1 2 1 9 m m 1 8 4 m m ，管材的化学成分及其力学 性能分别见表2 - 4 和表2 5 。 表2 4 国产x 8 0 钢的化学成分( ) 天津大学硕 二学位论文第一章试验研究方法 表2 - 5 国产x 8 0 钢的力学性能 抗拉强度r m屈服强度陆5 伸长率a屈强比硬度h v l 0冲击吸收功 m p am p a( ) i 5 r m h v a k v ( - 2 0 c ) j 7 3 06 6 53 8 50 9 02 2 93 2 8 2 5 4 焊接工艺 1 焊接材料 根焊选用b o e h l e rs g 3 p 1 2 m mc 0 2 气保护实芯焊丝；填充及盖面选 用研制的0 2 0 m m 的自保护药芯焊丝。 2 焊接电源 管接头根焊设备选用l i n c o l ni n v e r t e cs t t - i i 型电源匹配l n - 7 4 2 送丝机； 填充盖面焊设备选用l i n c o l nd c - 4 0 0 焊接电源匹配l n - 2 3 p 送丝机。 3 焊接工艺参数 根焊时，峰值4 2 0 a ，基值5 4 a ，送丝速度1 3 0 i n m i n ，保护气体1 0 0 c 0 ：， 流量2 5 l m i n ；填充和盖面时，预热温度( ) 1 0 0 ，层问温度( ) 5 0 1 0 0 ， 焊接电压( v ) 1 8 1 9 ，焊接电流( a ) 2 3 0 2 6 0 ，送丝速度( i n c h m i n ) 8 0 9 5 ， 焊接极性d c e n 。 4 坡口形式采用复合坡口的形式，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 坡口形式与参数 2 5 5 接头性能试验取样位置 焊接接头性能试验方法执行中国石油天然气股份公司企业标准 ( q s yg j x0 1 1 1 2 0 0 7 ) ，焊接接头工艺评定的试样类型、数量及取样位置见表 天津大学硕t 学位论文 第章试验研究方法 2 - 6 和图2 - 5 。 表2 - 6x 8 0 钢管焊接工艺评定的试样说明 亨职于 w 2 3 2 3 9 r a m | | i 聚裂要 l 拉1 ；桐n 蜉罩孽：l 墨i i t = 2 5 6 拉伸试验方法 宏观金相1 图2 - 5 工艺评定试验取样位置 击3 冲击4 拉伸试样要求如图2 - 6 所示，长约2 3 0 r a m ，宽约2 5 r a m ，试样通过氧气切割的 方法制备。焊缝余高不应去除。试验设备：w a w - i o o o b 微机控制电液伺服万能试 验机。 天津大学硕l ：学位论文 第_ 章试验研究方法 试件可以机械或氧气切 割，但两侧必须光滑平行 不去除焊缝加厚高 2 5 7 侧弯试验方法 图2 - 6 拉伸试样尺寸要求 厚 侧弯试样约2 3 0 r a m 长，1 3 r a m 宽，且其长边缘应磨成圆角，侧弯试样应放在 导向弯曲试验磨具上弯曲，如图2 - 7 所示。将试样以焊缝为中心放在下模上，焊 缝表面应与磨具成9 0 。施给上模压力，将试样压入下模内，直到试样弯曲近 似成u 形。弯芯半径：4 5 r a m ，弯曲角度：1 8 0 。试验设备：w e 一3 0 0 万能试验机。 2 5 8 刻槽锤断试验方法 图2 - 7 导向弯曲试验磨具 如图2 - 8 所示，刻槽锤断试样长约2 3 0 r a m ，宽约2 5 r m ，用钢锯在试样两侧焊 缝断面的中心( 以跟焊道为准) 锯槽，每个槽深度约3 m m 。为了保证断u 断在焊 缝上，在焊缝外表面余高上刻槽，深度从焊缝表面算起不应超过1 6 m m 。本试验 采用三面刻槽。试验设备：w a w - i o o o b 微机控制电液伺服万能试验机。 天津大学硕士学位论文第二章试验研究方法 用镀镊秘堵试镑可以班撼切舅! 兹氧气切帮 嚣铡必续笼滑和相互导行 !， 不袁除辉缱勰黪高 一j 壁庠 1 2 5 9 夏比冲击试验方法 图2 - 8 刻槽锤断试样 夏比冲击试样的轴线应与钢管的轴线平行，取样位置如图2 - 5 所示。低温冲 击试样缺口位置如图2 - 9 所示。低温冲击1 和3 的缺口开在焊缝中心，低温冲击 2 和4 的缺口开在热影响区；试验温度在一1 0 下进行；试样规格：5 5 r a m l o m m x l o m m ：缺口类型：v ；试验设备：j b n - 3 0 0 b 。 图2 - 9 冲击试样缺口位置示意图 天津大学硕t 学位论文第二章试验研究方法 2 5 1 0 宏观组织试验方法 在垂直焊缝轴线方向上应按图2 - 5 规定的位置截取试样。试验尺寸见图 2 - 1 0 ，试样的一个断面应经研磨腐蚀后作为检测面。应使用五倍手持放大镜，对 检测面进行宏观检验。 该区域应包括母 材和热影响区 图2 - 1 0 宏观组织检验试样 2 5 1 1 焊接接头硬度试验方法 焊接接头硬度测定宏观组织检验试验上进行，由于是下向焊工艺，取立焊3 点位置试样进行试验。试验选用l o k g 载荷，并按g b t4 3 4 0 1 规定的方法测定 接头硬度、计算维氏硬度值( h v l o ) ，硬度测定压痕点位置见图2 - 1 1 。试验设备： h b v 一3 0 a 硬度仪。 i | 、 j ，i ， ， ， l ! d b 图2 一l l 试样压痕点位置 天津大学硕? ：学位论文 第二章试验研究方法 2 6 焊接接头组织分析方法 ( 1 ) 光学显微镜观察 试验仪器：g x 51 o l y m p u s 光学显微镜。 腐蚀剂：4 的硝酸酒精，腐蚀时间约1 2 s 。 试样经过抛光、腐蚀后，利用o l y m p u s 光学显微镜观察显微组织，并拍 摄金相照片。 ( 2 ) 扫描电子显微镜( s e m ) 试验仪器：x l 3 0 p h i l i p s 扫描电子显微镜。 腐蚀剂：4 的硝酸酒精，腐蚀时间约1 5 s 。 观察经抛光、腐蚀后试样的显微组织，并拍摄照片。 2 7 小结 本章主要介绍了各种试验的原理和方法。 天津大学硕士学位论文第三章自保护药芯焊丝的制备 第三章自保护药芯焊丝的制备 渣系和合金系对药芯焊丝的性能具有极其重要的影响，x 8 0 钢自保护药芯焊 丝作为一种新型的焊接材料，其渣系和合金系研究相对较少。同时，药粉预处理 工艺影响焊丝的工艺性能和力学性能，对其进行研究具有重要意义。 3 1 管道全位置的焊接要求 本文研制的自保护药芯焊丝是以满足x 8 0 管线钢全位置焊接，并特别适合 立向下焊接为目标的。普通型焊接材料在立焊位置或管道全位置的施焊中其焊接 方向一般是自下而上完成焊接操作过程，如图3 1 虚线所示，而立向下焊条或是 焊丝则是自上而下完成焊接操作过程，如图3 1 实线所示。与传统的向上焊工艺 比较，向下焊具有速度快、质量好，节省焊材等突出优点，因此在管道环焊缝中 得到了广泛的应用。立向下焊丝的焊接操作方向为始焊点在1 2 点位置，经过3 点( 9 点) 位置在6 点位置结束，整个焊接过程经过平焊一下坡焊一立向下焊一 半仰焊一仰焊。 立向下具有焊接位置不断变换的特点，为满足这一要求熔渣应具备短渣的特 点，立向下焊接要求熔渣在电弧区内粘度小，流动性好，铺展的开，有利于冶金 反应的充分进行和气体、熔渣能及时浮出。而当电弧移开后，熔渣粘度要迅速增 大并快速凝固，有利于防止熔渣下流，从而有效的托住铁水防止下淌，使得熔渣 覆盖良好。 1 2 驴沁、l ： i 处刎? ， r 图3 - 1 管道环形焊缝焊接方向示意图 1 7 - 天津大学硕十学位论文第三章