管线钢用埋弧焊焊丝和烧结焊剂的开发

裴新军　潘川　于俊川　李箕福　吴智武　卢军华

摘要： 介绍了新研发的焊接X100管线钢用埋弧焊焊丝和烧结焊剂。新研发的焊剂渣系为CaF2SiO2MgOAl2O3CaO，属于高碱度焊剂。该焊剂具有良好的工艺性能和冶金性能。利用新研发的焊剂和焊丝焊接，所得熔敷金属具有良好的韧性和很高的强度，20 ℃时的熔敷金属强度达到875 MPa，在-60 ℃温度下的冲击吸收能量值均在42 J以上。

关键词： 烧结焊剂； 埋弧焊丝； X100管线钢

中图分类号： TG142.71 TG422.3

0 前言

近年来，随着环保和节约能源要求的不断增加，对材料提出了更高的要求，高强度级别钢的应用逐渐增加。在石油化工领域内，管道运输也逐渐采用高强度级别的管线钢，最先采用X45，现在则主要使用X80[1，2]。国外已经试验性地铺设了X120管线[3，4]，以后将会更多采用X100级别以上的管线钢。焊接X100管线钢，要求焊接材料所得熔敷金属强度与母材接近，同时还有较高的低温韧性。目前，这类焊接材料主要由国外焊材厂商供应。国内用户想摆脱这种由国外供应商垄断的局面，开始与国内的焊材供应商和科研院所合作，开发X100管线钢用焊接材料。

作为国内知名度很高的焊接材料公司，不仅要提供X80钢级别的埋弧焊丝，也顺应国际潮流，积极开发X100管线钢用埋弧焊焊接材料。最近，成功开发了焊接X100管线钢的埋弧焊用焊丝和焊剂，利用自己的焊接材料进行焊接，所得焊缝金属中的夹杂物含量少，焊缝金属具有良好的韧性和很高的强度，同时能够获得良好的焊缝形状。

1试验方法

[HT]试验中全部采用国产原料作为焊剂原材料，经过参考中外研究资料及研制烧结焊剂的经验，运用正交设计和因素轮换法进行了试验，以选定合理的渣系、确定最优焊剂成分。

利用新研制的焊剂和焊丝配合，焊接了拉伸和冲击试样试板。试板坡口形状如图1所示，是由厚度为25 mm的Q235碳钢板组焊而成的。在试板的坡口底部及边缘位置首先用W107焊条堆焊一层厚度为4 mm以上的过渡层，然后再进行埋弧焊。埋弧焊焊机为美国林肯直流焊机，埋弧焊接的工艺参数为：焊接电流500～550 A，电弧电压30 V，焊接速度25 m/h，极性为正极性，道间温度150～200 ℃。焊接完成后不需热处理，直接机加工制取室温拉伸、成分分析、冲击试样和金相分析试样。因为X100管线钢的使用条件苛刻，尤其对低温韧性的要求较高，因此，此试验是在-60 ℃进行V形冲击试验。

2结果与分析

2.1最优焊剂成分及工艺性能

经过试验，确定了渣系为CaF2SiO2MgOAl2O3CaO的最优焊剂成分。该焊剂碱度为2.9，属于高碱度焊剂。

一般来说，低合金钢用埋弧焊剂的焊接工艺性能，主要考虑焊缝成形，深坡口脱渣性和焊接过程中是否出现气孔等。低合金钢埋弧焊过程中，希望得到断面形状良好的焊缝，即得到铺展较好、焊缝余高适中的焊道。因为低合金钢埋弧焊的焊缝主要用于结构部件的连接，既要有必要的强度，但也不能破坏结构的形状，避免因焊缝余高过大而产生的应力集中。得到良好断面形状的焊缝在深坡口第一道焊接中很重要，在深坡口中，由于电磁场等的干扰，采用焊接工艺不良的焊剂焊接后得到的焊缝形状很差，这种情况不会出现在平面堆焊中。此时出现的形状不良的焊缝，在其他道次焊接完成后还需要清除。低合金钢埋弧焊接过程中，在平面堆焊的时候，很少考虑像不锈钢焊接过程中出现的粘渣现象，事实上低合金钢埋弧焊过程中也很少出现粘渣现象。但在坡口焊接，尤其是深坡口焊接中，就必须考虑焊剂的脱渣性了。深坡口脱渣性更能体现低合金钢埋弧焊用焊剂的工艺性能，由于很多大型结构件都是采用大厚钢板拼焊完成，经常会出现深度超过100 mm的坡口，在这种情况下焊接，如果脱渣性不好，坡口第一道焊接过程中产生的渣不会自动脱落，必须经过人工清渣。这一清渣过程不仅费时费力，往往还难于清理干净，成为后来夹渣等缺陷的源地。气孔在焊缝中是要避免的，气孔的存在不仅削弱了焊缝的有效断面，还是裂纹等的起裂源。对于密封用的焊缝，绝对避免产生贯穿气孔。气孔的产生，主要是焊剂工艺性能较差的缘故，这时只能选用合适的焊剂才会避免出现气孔。焊剂受潮也会产生气孔，这种情况下，烘干焊剂就可避免气孔的生成。

新开发的焊剂工艺性能优良，配合低合金钢焊丝进行埋弧焊接，能得到波纹美观、深坡口第一道焊及平面焊接成形良好的焊缝，深坡口中脱渣性优良、能够自动脱渣，焊缝中也不会出现气孔。

[HT5H][STFZ]2.2焊剂的冶金性能

[HT][ST]采用焊剂时，不仅要考虑焊剂的工艺性能，更重要的是焊剂的冶金性是否合适。因为工艺性能只能保证获得形状良好、没有气孔和夹渣等缺陷的焊缝，而冶金性能则影响焊缝熔敷金属的力学性能，也就是焊缝的使用性能。焊接的目的是为了得到使用性能也就是得到使用性能合格的焊缝熔敷金属，这一方面要通过焊接工艺性即焊剂工艺性能+焊接规范来保证；另一方面，则要通过焊接冶金性，即通过焊接过程中焊丝、焊剂在电弧空间中的相互作用来实现。其中焊丝成分已经确定，焊丝中成分过渡到焊缝熔敷金属中则取决于焊剂冶金性能。焊接过程中，不同的焊剂与某一焊丝配合焊接，焊丝中各元素过渡到熔敷金属中的情况是不一样的，有时熔敷金属中某些元素的含量低于焊丝中的含量，此时，就说焊丝中的这些元素被烧损；反之，则通过焊剂向熔敷金属中过渡了某些元素。通过有目的地向熔敷金属中过渡合金元素是可以的，这样能达到预期的目的。但是当一些元素，如Si不是有意识地加入，而是通过焊剂过渡到熔敷金属中的时候，也有部分氧变成氧化物进入熔敷金属成为了微小的夹渣，从而使熔敷金属的韧性下降。一般地，向熔敷金属过渡Si的焊剂为酸性焊剂或者中性焊剂。而碱性或高碱性的焊剂，则不会从焊剂向熔敷金属过渡Si元素，保证了焊缝金属的纯净，也使得熔敷金属有较高的冲击韧性。这也就是为什么要求要高冲击韧性的场合经常采用碱性焊剂的缘故。

因为X100管线钢的强度高，又要求较高的冲击韧性，在选用焊剂时就要选用高碱度焊剂。同样，我们开发焊剂时也专注于碱性焊剂，经过不懈的努力，开发出了工艺性优良，不向焊缝熔敷金属过渡Si，合金元素烧损较少的碱性焊剂。该焊剂配合低合金钢焊接时合金元素的烧损情况见表1。从结果来看，新研制的焊剂配合低合金钢焊丝所得熔敷金属中，Mn，Si含量比焊丝中都略有减少。说明新开发的焊剂不向熔敷金属中过渡[CM（23*2]Si，而对合金元素Mn有所烧损，但总的来说，由于合金