金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲研制

孔紅雨 郭純 朱官朋 張曉 馮兆龍 張文軍

金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲研制

孔紅雨 郭純 朱官朋 張曉 馮兆龍 張文軍

本文針對EQ70（E690）高強鋼的焊接，成功開發出一種金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲。該無縫藥芯焊絲焊接電弧穩定、脫渣容易、飛濺小、可全位置焊接，熔敷金屬具有超低的擴散氫，力學性能尤其是低溫沖擊韌性優異，實現了較高的強韌性匹配。可用于船舶制造、海洋工程和機械工程等領域690MPa級高強鋼焊接。焊絲性能滿足AWS A5.29 E111T1—K3C H4要求。

1. 概述

近年來，船舶制造、海洋工程和機械工程等領域的焊接制造逐步向高性能、高強度方向發展。高強鋼代替普通鋼已經成為各行業鋼結構的發展趨勢。船舶制造、工程機械、港口機械及海洋裝備等領域采用高強鋼，一方面可以增加結構的強度，減輕自重，另一方面能夠顯著降低總造價。但是高強鋼的焊接一直是焊接界不斷探索解決的問題，高強鋼焊接對焊接接頭的“強韌性匹配”和抗裂性要求越來越高。

國內與高強鋼配套的焊接材料較少，大部分依賴國外進口。以690MPa級高強鋼為例，配套的手工焊條，埋弧焊焊絲、焊劑，氣體保護焊焊絲（藥芯焊絲、實芯焊絲）幾乎全部進口奧林康、林肯、伊薩和神鋼等國外廠家的焊材。高強鋼焊接材料的開發難點在于高強鋼焊接除焊縫強度必須達到設計指標要求外，還要求較高的沖擊韌性和抗裂性，因此要求配套焊接材料強韌性匹配高、擴散氫低。

以海洋工程用E690高強鋼為例，焊接材料要求屈服強度＞690MPa，-40℃沖擊功≥69J，擴散氫＜5mL/100g。對于目前海洋工程焊接中用量最大的藥芯焊絲來說，國內很少有廠家能滿足此指標要求。因為目前國內E690高強鋼藥芯焊絲均為有縫藥芯焊絲，擴散氫滿足不了＜5mL/100g的要求，雖然有極少數廠家聲稱剛生產的藥芯焊絲真空包裝狀態下可以滿足擴散氫＜5mL/100g的要求，但是對拆封一段時間后焊絲熔敷金屬擴散氫＜5mL/100g的要求無法提供保證。

近年來，歐美日等發達國家對于高強鋼焊接已開始大量使用無縫藥芯焊絲。無縫藥芯焊絲相比于傳統的有縫藥芯焊絲具有突出的優點：① 超低擴散氫，擴散氫含量一般＜4mL/100g，超低的擴散氫可以有效降低焊縫金屬的裂紋發生率，耐氣孔性能高。這是由于無縫藥芯焊絲生產時可以進行高溫脫氫處理，能降低藥芯粉及附著在外皮鋼帶上的水分（氫來源之一）。② 抗吸潮性極強，無縫藥芯焊絲成型以后，由于外皮鋼帶是沒有間隙的無縫結構，焊絲內部藥芯粉的吸潮完全不會發生，因此無縫藥芯焊絲抗吸潮性極強，甚至長時間儲存于潮濕環境中也不需要再次烘干。③ 焊絲表面可以實施鍍銅處理，因此焊絲送絲性能優異，導電嘴磨損量小。鍍銅可提高電流輸送能力，鍍銅后焊絲耐銹性能優秀。④ 外皮鋼帶沒有間隙，焊絲斷面形狀均一，剛性好；焊絲使用時無扭曲變形，送絲性能和焊絲對準性優異；電弧更加穩定，可以用于機械化程度更高的機器人（機械手）全自動焊接，可顯著提高焊接效率，節省綜合成本。

中國船舶重工集團公司第七二五研究所洛陽雙瑞特種合金材料有限公司擁有國內第一條具

有自主知識產權的無縫藥芯焊絲生產線。在高強鋼配套焊材尤其是藥芯焊絲方面，我公司已開發出690MPa級金屬粉芯型無縫藥芯焊絲（牌號SRSF690M），焊絲焊接工藝性和力學性能較好，且已通過中國船級社認證。

本文針對海洋工程用E690高強鋼成功開發出了一種金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲（牌號SRSF690R），可以與本公司的金屬粉芯型高強鋼無縫藥芯焊絲（牌號SRSF690M）形成優勢互補。金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲可用于全位置焊接，而金屬粉芯型高強鋼無縫藥芯一般只能用于平、橫焊位置；金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲可采用CO2保護氣，更適合國內實際生產狀況。而金屬粉芯型高強鋼無縫藥芯焊絲一般采用混合氣體保護，成本較高，且國內用戶焊接現場一般都為CO2供氣系統。

2. 主要材料及設備

焊絲外皮采用普通冷軋低碳鋼帶制作。鋼帶清洗后經成形機組軋制成“U”形，在線加入藥芯粉，填充比為(16±0.5)%。加入藥芯粉后的鋼帶軋制成“O”形，再經在線焊合、高溫退火、拉細減徑，焊絲最終產品直徑為1.2mm。鋼帶化學成分和藥芯粉的主要成分分別如表1和表2所示。

焊接使用Panasonic KRⅡ500型氣保焊機，按照AWS A5.29標準和G B/T 17493進行試板制備與試樣加工，焊接試板選用E690（EQ70），規格為350mm×150mm×20mm。焊接參數為：電弧電壓28V，焊接電流260A。根據GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》和GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》取樣測熔敷金屬力學性能，試驗分別在SINTECH20/G拉伸和ZBC2302—B沖擊試驗機上進行。

取熔敷金屬橫截面做金相試樣，經磨光、拋光后，試樣用4%硝酸酒精溶液刻蝕，按照標準GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》，采用Observer. Z1m金相顯微鏡觀察熔敷金屬顯微組織，用SPECTROLAB 型直讀光譜儀分析熔覆金屬化學成分。

采用氣相色譜法測擴散氫，測試4個試樣取平均值，環境溫度和濕度為20℃×60%RH。

3. 結果分析及討論

典型配方熔敷金屬的化學成分和力學性能如表3和表4所示。力學性能尤其是低溫沖擊韌性較好，實現了較高的強韌性匹配。熔敷金屬的化學成分和力學性能符合GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》標準中E761T1—K3C H5的要求，同時滿足AWS A5.29 /A5.29M—2005中E111T1—K3C H4的要求。熔敷金屬的力學性能結果說明研制的金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲具有較好的力學性能。

研制的金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬的金相組織照片如附圖所示。熔敷金屬的金相組織主要為先共析鐵素體+針狀鐵素體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體回火組織。

熔敷金屬的金相組織 （500×）

金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲擴散氫含量如表5所示。從表5

可看出，研制的無縫藥芯焊絲具有超低的擴散氫，經氣相色譜法檢測，擴散氫含量為2.60 mL/100g（＜H4），超低的擴散氫有利于高強鋼焊接時減少冷裂紋的發生。

表1 鋼帶的化學成分（質量分數） （%）

表2 焊絲藥芯主要組成（質量分數） （%）

表3 金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

表4 金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲熔敷金屬力學性能

表5 熔敷金屬擴散氫含量

船舶制造、海洋工程和機械工程等高技術領域焊接結構設計時，更重要的是考察焊接接頭的整體性能。本文考察了研制的金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲焊接接頭的整體性能。研制的金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強鋼焊接接頭力學性能測試結果如表6所示。從表6可看出，研制的SRSF690R金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強鋼焊接接頭的抗拉強度＞760MPa，且斷裂位置在母材上，焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區的-40℃沖擊吸收能量都＞69J的指標要求，冷彎合格。通過試驗證明，研制的金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強鋼焊接接頭整體性能滿足現有指標要求，可用于EQ70高強鋼焊接使用。

4. 結語

研制了一種金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲可用于690MPa級高強鋼焊接，焊接電弧穩定、脫渣容易、飛濺小、可全位置焊接，熔敷金屬具有超低的擴散氫，力學性能尤其是低溫沖擊韌性優異，實現了較高的強韌性匹配。可用于船舶制造、海洋工程和機械制造等領域690MPa級高強鋼焊接。

[1] 隋永莉.Q690高強鋼厚板MAG焊接工藝[J]. 電焊機，2015（45）：123-126.

[2] 郭純，孔紅雨，范會卿，等.無縫藥芯焊絲的結構特點及優點[J]. 金屬加工，2014（20）：24-27.

[3] 張曉，馮兆龍，郭純，等. 690MPa級金屬粉芯型[J]. 金屬加工，2015（6）：29-30.

表6 金紅石型高強鋼無縫藥芯焊絲EQ70高強鋼對接接頭力學性能

孔紅雨等，中船重工七二五所洛陽雙瑞特種合金材料有限公司。