关于低合金强度钢埋弧焊接焊丝

摘要：本文以NB/T47015（JB4709）标准中Q345R（16Mn）钢埋弧焊推荐的焊丝-焊剂为例，通过试验的方法，分析了不同的焊丝—焊剂匹配对焊缝金属裂纹敏感性和冲击韧性的影响，用教学试验的形式进行低合金强度钢制压力容器埋弧焊焊丝-焊剂组合选择的教学。

关键词：焊丝  焊剂  匹配  韧性  教学试验

1 概述

NB/T47015（JB4709）《压力容器焊接规程》对常用钢号给出了推荐选用的焊接材料。其中，对于Q345R（16Mn）钢埋弧焊给出的推荐焊丝是H10MnSi、H10Mn2（GB/T14957），焊剂是HJ431、HJ350、SJ101（GB/T5293），标准并未给出具体的焊丝-焊剂匹配。因此在教学实习中，许多学生依据标准选择焊材时存在着较大的盲目性，随意将2种焊接材料进行组合使用，多次出现焊缝金属出现裂纹、冲击韧性不合格等现象。

本研究从焊接冶金的角度探讨了裂纹产生和冲击韧性降低的机理，为学生选择焊接材料提供了直观有效的试验依据和工程经验。在试验过程中，学生们的学习热情十分高涨，都很喜欢这样的形式。

2 试验

2.1 焊接坡口

焊接试件采用Q345R钢板（GB713—2008），厚度为56mm。

坡口及尺寸如图1（焊接试板坡口图）所示。

2.2 焊接材料匹配

按NB/T4709-2000（JB4709）推荐的焊接材料，试验选用2种不同的焊丝H10MnSi、H10Mn2和3种不同的焊剂HJ431、焊剂HJ350、焊剂SJ101分别匹配，分成6组进行对比试验，如表1所示。试验用母材和焊丝如表2所示。

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2.3 焊接工艺

每组试板均采用相同工艺参数。根据NB/T47015-2011规定：焊剂须烘烤250℃，保温2小时。试板焊前预热温度≥150℃，层间温度≤300℃。具体焊接参数如表3所示。试板焊后进行去应力退火，退火工艺为加热到610±10℃，保温2.5小时，缓慢冷却。

表3  焊接工艺参数

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2.4 检验试验项目

①焊缝金属化学成分分析;

②焊接接头力学性能试验（拉伸、侧弯、维氏硬度以及0℃和-20℃焊缝金属冲击试验）;

③焊缝金属金相组织。

表4  焊缝金属化学成分（w）%

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3 试验结果

3.1 化学成分

6组试件的焊缝金属的化学成分如表5所示。由表2可以看出，母材Q345R的化学成分满足GB713-2008的要求，C、S、P含量均低于标准的要求，同时Si含量为0.35，可以看出原材料杂质含量不高。6组不同焊丝-焊剂匹配焊接的焊缝金属中C、S、P等元素的含量变化不大，但是Mn、Si含量却有一定的变化，相应的Mn/Si值也有较大的变化，如图2（6组焊缝金属中Mn、Si百分量及Mn/Si值的变化图）所示。

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用焊丝H10Mn2配焊剂HJ350进行埋弧焊时，焊缝金属中Mn含量为1.24%、Si为0.284%，Mn/Si为4.37，是6组焊接接头化学成份中Mn/Si的最大者;用焊丝H10MnSi配焊剂SJ101进行埋弧焊时，焊缝金属中Mn含量为1.23%、Si为0.997%，Mn/Si为1.23，是6组焊接接头化学成份中Mn/Si的最小者。用焊丝H10Mn2配焊剂SJ101进行埋弧焊时，焊缝金属中Mn含量为1.40%，是6组焊接接头化学成份中含Mn量最大者;用焊丝H10MnSi配焊剂SJ101进行埋弧焊时，焊缝金属中Si含量为0.997%，为6组焊接接头化学成份中含Si量最大者。由表5对比可得，在同种焊丝条件下，3种焊剂参与焊接所得焊缝中Mn、Si含量以及Mn、Si总含量的大小依次为：焊剂SJ101、焊剂HJ431、焊剂HJ350;在同种焊剂条件下，2种焊丝参与焊接所得焊缝中Mn、Si总含量的大小依次为：H10MnSi、H10Mn2。

3.2 力学性能

在6组试样中，用焊丝H10MnSi和焊剂SJ101匹配焊接的第3组试样，抗拉强度为514MPa，是6组焊接接头的抗拉强度的最大值，同时该接头的维氏硬度为162，是6组接头硬度的最大者;而其低温冲击韧性在6组焊接接头中是最差的，-20℃时的冲击功平均值为72J。第6组试样为焊丝H10Mn2和碱性焊剂SJ101匹配焊接的，其-20℃时冲击功平均值达到142.3J，是用同种焊剂SJ101与焊丝H10MnSi匹配焊接的第1组焊接接头低温冲击功的2倍多，是6组不同焊丝和焊剂匹配的焊接接头中低温冲击韧性最优者。同时该组接头的抗拉强度为505MPa，在6组接头中仅次于第3组接头的强度。总之，用焊丝H10Mn2和碱性焊剂SJ101匹配焊接的接头具有良好的综合机械性能。

4 结论

通过上述教学实验，教师和学生可得到如下结论：

①在相同焊接工艺条件下，不同的焊丝-焊剂匹配将获得不同的焊缝金属性能：抗拉强度大小与焊缝中的Mn、Si的总含量近似成线性关系;维氏硬度与焊缝中的Si含量成近似正比关系;当Mn/Si值处于2.4左右时，焊缝低温冲击韧性最大;对于同种焊剂，焊缝低温冲击韧性大小依次为：H10Mn2、H10MnSi。对于H10Mn2焊絲，焊缝低温冲击韧性的大小依次为：焊剂SJ101、焊剂HJ350、焊剂HJ431。

②H10Mn2-HJ431组合是Q345R（16Mn）钢最常用的焊接材料;对低温冲击韧性和裂纹敏感性有要求时，选用H10Mn2-SJ101组合可获得良好的综合机械性能。

③焊接冶金过程中极易出现焊剂向焊缝金属渗Si现象，致使Si含量增高，增加焊缝金属的裂纹敏感性，降低韧性，这是焊丝-焊剂组合选择中必须考虑的。

④埋弧焊时，母材、焊丝和焊剂间发生复杂的冶金化学反应，焊缝金属化学成份和组织将取决于这三者的综合作用结果。焊丝和焊剂的组合，在焊接材料选择中必须同时考虑，不可分割。NB/T47015（JB4709）标准中虽然给出了焊接材料选择的建议，但在正式焊接前还是必须进行焊丝-焊剂的匹配试验，根据匹配试验的结果选择合适的焊丝-焊剂组合。

参考文献：

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[2]陈延清，杜则裕，许良红，牛辉.高韧性X80管线钢埋弧焊焊丝的研制[J].焊接技术，2010（06）.

[3]栗卓新，张莉，李国栋，李虹.低合金耐热钢焊接材料及接头性能的现状及发展趋势[J].新技术新工艺，2007（05）.

作者简介：李歆怡（1983-），女，福建福州人，助理讲师，研究方向：液压、焊接。