金红石型高强钢无缝药芯焊丝研制

孔红雨 郭纯 朱官朋 张晓 冯兆龙 张文军

金红石型高强钢无缝药芯焊丝研制

孔红雨 郭纯 朱官朋 张晓 冯兆龙 张文军

本文针对EQ70（E690）高强钢的焊接，成功开发出一种金红石型高强钢无缝药芯焊丝。该无缝药芯焊丝焊接电弧稳定、脱渣容易、飞溅小、可全位置焊接，熔敷金属具有超低的扩散氢，力学性能尤其是低温冲击韧性优异，实现了较高的强韧性匹配。可用于船舶制造、海洋工程和机械工程等领域690MPa级高强钢焊接。焊丝性能满足AWS A5.29 E111T1—K3C H4要求。

1. 概述

近年来，船舶制造、海洋工程和机械工程等领域的焊接制造逐步向高性能、高强度方向发展。高强钢代替普通钢已经成为各行业钢结构的发展趋势。船舶制造、工程机械、港口机械及海洋装备等领域采用高强钢，一方面可以增加结构的强度，减轻自重，另一方面能够显著降低总造价。但是高强钢的焊接一直是焊接界不断探索解决的问题，高强钢焊接对焊接接头的“强韧性匹配”和抗裂性要求越来越高。

国内与高强钢配套的焊接材料较少，大部分依赖国外进口。以690MPa级高强钢为例，配套的手工焊条，埋弧焊焊丝、焊剂，气体保护焊焊丝（药芯焊丝、实芯焊丝）几乎全部进口奥林康、林肯、伊萨和神钢等国外厂家的焊材。高强钢焊接材料的开发难点在于高强钢焊接除焊缝强度必须达到设计指标要求外，还要求较高的冲击韧性和抗裂性，因此要求配套焊接材料强韧性匹配高、扩散氢低。

以海洋工程用E690高强钢为例，焊接材料要求屈服强度＞690MPa，-40℃冲击功≥69J，扩散氢＜5mL/100g。对于目前海洋工程焊接中用量最大的药芯焊丝来说，国内很少有厂家能满足此指标要求。因为目前国内E690高强钢药芯焊丝均为有缝药芯焊丝，扩散氢满足不了＜5mL/100g的要求，虽然有极少数厂家声称刚生产的药芯焊丝真空包装状态下可以满足扩散氢＜5mL/100g的要求，但是对拆封一段时间后焊丝熔敷金属扩散氢＜5mL/100g的要求无法提供保证。

近年来，欧美日等发达国家对于高强钢焊接已开始大量使用无缝药芯焊丝。无缝药芯焊丝相比于传统的有缝药芯焊丝具有突出的优点：① 超低扩散氢，扩散氢含量一般＜4mL/100g，超低的扩散氢可以有效降低焊缝金属的裂纹发生率，耐气孔性能高。这是由于无缝药芯焊丝生产时可以进行高温脱氢处理，能降低药芯粉及附着在外皮钢带上的水分（氢来源之一）。② 抗吸潮性极强，无缝药芯焊丝成型以后，由于外皮钢带是没有间隙的无缝结构，焊丝内部药芯粉的吸潮完全不会发生，因此无缝药芯焊丝抗吸潮性极强，甚至长时间储存于潮湿环境中也不需要再次烘干。③ 焊丝表面可以实施镀铜处理，因此焊丝送丝性能优异，导电嘴磨损量小。镀铜可提高电流输送能力，镀铜后焊丝耐锈性能优秀。④ 外皮钢带没有间隙，焊丝断面形状均一，刚性好；焊丝使用时无扭曲变形，送丝性能和焊丝对准性优异；电弧更加稳定，可以用于机械化程度更高的机器人（机械手）全自动焊接，可显著提高焊接效率，节省综合成本。

中国船舶重工集团公司第七二五研究所洛阳双瑞特种合金材料有限公司拥有国内第一条具

有自主知识产权的无缝药芯焊丝生产线。在高强钢配套焊材尤其是药芯焊丝方面，我公司已开发出690MPa级金属粉芯型无缝药芯焊丝（牌号SRSF690M），焊丝焊接工艺性和力学性能较好，且已通过中国船级社认证。

本文针对海洋工程用E690高强钢成功开发出了一种金红石型高强钢无缝药芯焊丝（牌号SRSF690R），可以与本公司的金属粉芯型高强钢无缝药芯焊丝（牌号SRSF690M）形成优势互补。金红石型高强钢无缝药芯焊丝可用于全位置焊接，而金属粉芯型高强钢无缝药芯一般只能用于平、横焊位置；金红石型高强钢无缝药芯焊丝可采用CO2保护气，更适合国内实际生产状况。而金属粉芯型高强钢无缝药芯焊丝一般采用混合气体保护，成本较高，且国内用户焊接现场一般都为CO2供气系统。

2. 主要材料及设备

焊丝外皮采用普通冷轧低碳钢带制作。钢带清洗后经成形机组轧制成“U”形，在线加入药芯粉，填充比为(16±0.5)%。加入药芯粉后的钢带轧制成“O”形，再经在线焊合、高温退火、拉细减径，焊丝最终产品直径为1.2mm。钢带化学成分和药芯粉的主要成分分别如表1和表2所示。

焊接使用Panasonic KRⅡ500型气保焊机，按照AWS A5.29标准和G B/T 17493进行试板制备与试样加工，焊接试板选用E690（EQ70），规格为350mm×150mm×20mm。焊接参数为：电弧电压28V，焊接电流260A。根据GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》和GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》取样测熔敷金属力学性能，试验分别在SINTECH20/G拉伸和ZBC2302—B冲击试验机上进行。

取熔敷金属横截面做金相试样，经磨光、抛光后，试样用4%硝酸酒精溶液刻蚀，按照标准GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》，采用Observer. Z1m金相显微镜观察熔敷金属显微组织，用SPECTROLAB 型直读光谱仪分析熔覆金属化学成分。

采用气相色谱法测扩散氢，测试4个试样取平均值，环境温度和湿度为20℃×60%RH。

3. 结果分析及讨论

典型配方熔敷金属的化学成分和力学性能如表3和表4所示。力学性能尤其是低温冲击韧性较好，实现了较高的强韧性匹配。熔敷金属的化学成分和力学性能符合GB/T 17493—2008《低合金钢药芯焊丝》标准中E761T1—K3C H5的要求，同时满足AWS A5.29 /A5.29M—2005中E111T1—K3C H4的要求。熔敷金属的力学性能结果说明研制的金红石型高强钢无缝药芯焊丝具有较好的力学性能。

研制的金红石型高强钢无缝药芯焊丝熔敷金属的金相组织照片如附图所示。熔敷金属的金相组织主要为先共析铁素体+针状铁素体+块状铁素体+粒状贝氏体回火组织。

熔敷金属的金相组织 （500×）

金红石型高强钢无缝药芯焊丝扩散氢含量如表5所示。从表5

可看出，研制的无缝药芯焊丝具有超低的扩散氢，经气相色谱法检测，扩散氢含量为2.60 mL/100g（＜H4），超低的扩散氢有利于高强钢焊接时减少冷裂纹的发生。

表1 钢带的化学成分（质量分数） （%）

表2 焊丝药芯主要组成（质量分数） （%）

表3 金红石型高强钢无缝药芯焊丝熔敷金属化学成分（质量分数）（%）

表4 金红石型高强钢无缝药芯焊丝熔敷金属力学性能

表5 熔敷金属扩散氢含量

船舶制造、海洋工程和机械工程等高技术领域焊接结构设计时，更重要的是考察焊接接头的整体性能。本文考察了研制的金红石型高强钢无缝药芯焊丝焊接接头的整体性能。研制的金红石型高强钢无缝药芯焊丝EQ70高强钢焊接接头力学性能测试结果如表6所示。从表6可看出，研制的SRSF690R金红石型高强钢无缝药芯焊丝EQ70高强钢焊接接头的抗拉强度＞760MPa，且断裂位置在母材上，焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区的-40℃冲击吸收能量都＞69J的指标要求，冷弯合格。通过试验证明，研制的金红石型高强钢无缝药芯焊丝EQ70高强钢焊接接头整体性能满足现有指标要求，可用于EQ70高强钢焊接使用。

4. 结语

研制了一种金红石型高强钢无缝药芯焊丝可用于690MPa级高强钢焊接，焊接电弧稳定、脱渣容易、飞溅小、可全位置焊接，熔敷金属具有超低的扩散氢，力学性能尤其是低温冲击韧性优异，实现了较高的强韧性匹配。可用于船舶制造、海洋工程和机械制造等领域690MPa级高强钢焊接。

[1] 隋永莉.Q690高强钢厚板MAG焊接工艺[J]. 电焊机，2015（45）：123-126.

[2] 郭纯，孔红雨，范会卿，等.无缝药芯焊丝的结构特点及优点[J]. 金属加工，2014（20）：24-27.

[3] 张晓，冯兆龙，郭纯，等. 690MPa级金属粉芯型[J]. 金属加工，2015（6）：29-30.

表6 金红石型高强钢无缝药芯焊丝EQ70高强钢对接接头力学性能

孔红雨等，中船重工七二五所洛阳双瑞特种合金材料有限公司。