鈦型藥芯焊絲E501T-1抗裂性能分析及改進

任軍，陳晨，鄒楊

1.江蘇大西洋焊接材料有限責任公司 江蘇啟東 220260

2.四川大西洋焊接材料股份有限公司 四川自貢 643010

3.天津大西洋焊接材料有限責任公司 天津 304500

1 序言

由于藥芯焊絲具有焊接電弧穩定，焊接飛濺小，全位置焊接工藝性能好，熔敷速度快，以及焊道成形美觀等特點，因此是目前性價比最好的高效、低成本、自動化焊接材料[1]。藥芯焊絲可用于自動焊和半自動焊，多用在造船工業，然而目前通用的鈦型藥芯焊絲(E501T-1）雖然具有焊接工藝性能的優勢，但由于國產藥芯焊絲在船廠、大型鋼結構使用過程中質量不夠穩定，所以還不能完全滿足船舶、大型鋼結構工藝技術的焊接要求，主要表現為在剛性拘束較大的情況下容易出現裂紋，采用陶瓷襯墊打底焊時也容易出現裂紋。本文針對E501T-1藥芯焊絲出現的裂紋現象進行分析，并通過對E501T-1藥芯焊絲產品進行改進與優化，提高E501T-1藥芯焊絲的抗裂性能，為船舶、大型鋼結構建設提供抗裂性能穩定的焊接材料。

2 裂紋原因分析

改進前的藥芯焊絲雖然具有良好的焊接工藝性能和力學性能，但在使用過程中，當遇到結構剛性拘束較大的情況下和采用陶瓷襯墊打底時，有時會出現裂紋，圖1顯示為部分管板T形接頭出現少量裂紋照片，圖2顯示為采用陶瓷襯墊打底部分焊縫出現少量裂紋照片。

圖1 管板T形接頭裂紋

圖2 陶瓷襯墊打底部分焊縫裂紋

通過對出現的裂紋進行金相分析，采用Carl Zeiss光學顯微鏡對熔敷金屬的組織進行觀察，浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液。由圖3、圖4低倍金相可以看出，裂紋附近的焊縫組織為塊狀先共析鐵素體沿晶分布，晶內為針狀鐵素體，與正常的焊縫組織基本一致。從圖3可以看出，焊縫受到的焊縫拘束力較大，發生裂紋后，出現了明顯的變形。由于結構拘束應力較大、組織粗大，容易造成焊縫出現裂紋（見圖5、圖6）。對采用陶瓷襯墊打底的焊縫裂紋金相分析，可以看出組織均為片狀與塊狀先共析鐵素體沿晶分布，側板條鐵素體向晶內生長，晶內為針狀鐵素體與分布在針狀鐵素體基體上的少量M-A組元，裂紋試樣球形氧化物夾雜均較多。這是由于采用陶瓷襯墊打底，熔化的陶瓷改變了藥芯焊絲的熔渣成分，導致焊縫金屬夾雜物含量變多、導致藥芯焊絲抗裂性能降低、容易出現裂紋。

圖3 管板T形焊縫裂紋金相

圖4 管板無裂紋焊縫金相

圖5 陶瓷襯墊打底部分焊縫裂紋金相

圖6 陶瓷襯墊打底的焊縫裂紋高倍金相

3 E501T-1藥芯焊絲的改進

針對E501T-1藥芯焊絲比較容易出現裂紋的情況，對藥芯焊絲配方進行改進，在保證藥芯焊絲工藝性能的基礎上，提高藥芯焊絲的抗裂性能，降低藥芯焊絲夾雜物含量。改進的思路主要集中在以下幾個方面：①細化焊縫金屬組織，提高焊絲的抗裂性能。②降低焊縫金屬的擴散氫，保證焊絲的抗裂性能。③提高藥芯焊絲去除夾雜物的能力，降低夾雜物含量。④優化焊絲合金體系，提高焊絲的抗裂性能。

通過對藥芯焊絲TiO2-MnO-SiO2-MgO-Al2O3渣系進行調整、優化，獲得純凈度高的焊縫金屬，通過原輔材料優選將雜質元素控制在極低的水平，保證焊縫金屬獲得均勻、細小的焊縫組織，合理控制金紅石、硅砂、氧化鉀、氧化鈉作為焊絲的主要造渣劑的含量，保證焊絲的工藝性能。為了獲得細化的焊縫金屬組織，優化鎂粉、鋁鎂合金、鈦鐵、鋁鐵及金屬鋯等脫氧劑的含量，保證焊絲獲得細化的焊縫金屬組織[2]。為了降低焊縫金屬的擴散氫含量，采用氟化鈉、氟鋁酸鉀的混合氟化物降低焊縫金屬的擴散氫含量，適當提高焊接時的渣距，以有利于擴散氫逸出。采用氟化稀土和氧化稀土混合材料，降低、優化焊縫金屬夾雜物的結構和形態，凈化焊縫金屬。根據冷熱裂紋敏感指數對焊絲合金成分進行優化，形成Mn-Si-Ti-Zr合金系統，以提高焊絲的抗裂性能。通過對生產工藝進行調整，對焊絲進行在線加熱處理，提高焊絲擴散氫的穩定性。

通過對改進前后的焊絲進行抗裂性能對比試驗，采用E501T-1藥芯焊絲，規格為φ1.2mm。母材為Q355鋼，試板尺寸為300mm×150mm×20mm，坡口角度為30°，組對間隙6mm，背面貼陶瓷襯墊。采用焊接參數為：焊接電流260A、電弧電壓29V、焊接速度0.4cm/s，拘束底板尺寸為550mm×550mm×55mm。試驗時先將試板定位焊在剛性底板上，然后焊接拘束焊縫，應先焊兩端的拘束焊縫，然后再焊兩側的拘束焊縫。除最后蓋面焊縫外，中間層焊縫采用錘擊，以減少焊接應力的附加影響，拘束焊縫焊腳尺寸為10mm。

試板焊接完成后，采用機械方法取樣、分析，宏觀照片如圖7、圖8所示。

圖7 改進前抗裂性試驗

圖8 改進后抗裂性試驗

通過對改進前后的焊縫金屬組織進行金相分析，焊縫近中心與焊縫側方柱狀晶區組織均為片狀與塊狀先共析鐵素體沿晶分布，側板條鐵素體向晶內生長，晶內為針狀鐵素體與分布在針狀鐵素體基體上的少量M-A組元。通過對比圖9～圖12可以看出，改進后的藥芯焊絲片狀與塊狀先共析鐵素體比改進前的要細小。通過藥芯焊絲配方的改進，提高了藥芯焊絲的抗裂性能

圖9 改進前的E501T-1金相組織（片狀）

圖10 改進后的E501T-1金相組織（片狀）

圖11 改進前的E501T-1金相組織（塊狀）

圖12 改進后的E501T-1金相組織（塊狀）

改進后的藥芯焊絲，經過國內某大型船廠的長期使用，尤其是在該船廠合攏部分大量使用，焊絲的抗裂性能明顯提高，出現裂紋的概率明顯降低。

4 結束語

1）鈦型藥芯焊絲易在較大應力的情況下，因金相組織粗大而出現裂紋。采用陶瓷襯墊打底時，會導致焊縫金屬夾雜物含量增多，使藥芯焊絲抗裂性能降低，易出現裂紋。

2）通過對E501T-1藥芯焊絲配方進行改進，在保證藥芯焊絲工藝性能的基礎上，能夠提高藥芯焊絲的抗裂性能。