化学元素及焊接热对低合金钢埋弧焊丝的影响.pdf

CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY表 1SA508-3 低合金钢试板化学成分（w.t%）随着我国工业技术的不断发展，先进焊接技术的应用日趋广泛。但在传统制造业领域，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等传统焊接方法的使用比例和应用范围仍然是最大的。本文依托某核电项目，对制造核反应堆主设备常用的、不同批次的、部分化学成分存在差异，但均满足标准和技术要求的低合金钢埋弧焊焊丝-焊剂进行研究，对比不同焊接热输入焊接焊缝的性能，确定元素及焊接热输入对低合金钢焊缝力学性能的影响，为制造厂在焊接材料验收和使用不同批次焊材制造产品提供数据和经验。1试验材料和方法1.1试验材料本文采用核反应堆压力容器常用的 SA508-3低合金钢试板，满足 ASME 标准要求（见表 1）。采用的低合金钢埋弧焊焊丝、焊剂为进口焊材，共 4 个批次，焊丝规格为 覫4 mm（见表 2）。1.2试验方法对接焊试板厚度 34 mm（见图 1），焊接设备采用伊萨自动埋弧焊机。焊前预热温度 120160益，使用埋弧焊平焊位焊接。焊接过程中，道间温1.一重集团大连核电石化有限公司高级工程师，辽宁大连116113化学元素及焊接热对低合金钢埋弧焊丝的影响冯东旭1摘要：对某核反应堆主设备制造过程中常用的低合金钢埋弧焊丝、焊剂进行研究，通过对比分析不同焊接热输入焊接焊缝的性能，确定元素及焊接热对低合金钢焊缝力学性能的影响，为制造厂验收焊接材料，以及使用不同批次焊材制造产品提供经验数据。关键词：埋弧焊；化学元素；焊接热输入中图分类号：TG42文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0008-03Research on Influence of Chemical Elements and Welding Heat on Low Alloy Steel SubmergedArc Welding WireFeng DongxuAbstract:This paper studies the low-alloy steel submerged arc welding wire and flux commonly used in the manufacturingprocess of a certain nuclear reactor main equipment.Performance of welding seams with different welding heat input arecompared and analyzed to define the influence of chemical elements and welding heat on the mechanical properties of thelow-alloy steel welding seam,in order to provide experimental data to the manufacturing factory to use for acceptance ofwelding consumables and for application of different batches of welding consumables.Key words:Submerged arc welding；chemical element；welding heat input10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.008表 2试验焊材化学成分CSiMnPS0.200.191.410.0030.002CrNiMoCuV0.140.770.500.020.006编号CSiMnNiMoTiCr1#0.080.231.480.700.440.020.042#0.080.231.470.700.500.030.093#0.080.201.410.690.500.020.094#0.070.201.460.700.490.020.04272023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术表 4为各批次焊材熔敷金属的力学性能试验结果表 3试板焊接参数（a）大规范参数焊接接头（b）小规范参数焊接接头图 1两种焊接规范的焊接接头度不低于预热温度，最高不超过 250 益，焊后250400 益热处理 2 h。每批焊材分别以大规范参数和小规范参数各焊一块试板（见表 3），将每块试板分解为两部分，一部分做力学性能测试，一部分模拟焊后热处理后再进行力学性能测试。模拟焊后热处理制度为（615依10）益，时间 40 h。2结果与讨论2.1试验结果由于每批焊材分别使用两种参数进行焊接，将大规范参数试板编为 1 组，小规范参数试板编为 2组（见表 4）。2.2化学元素对力学性能的影响对比四个批次焊材的化学成分，C、Ni、Ti 含量基本一致，Si、Mn、Mo 和 Cr 的含量存在一定差异。Si 是封闭 酌 相区元素，可使 A3点上升，A4点下降。Si 在铁基材料中不形成碳化物，通常以固溶体形式存在于铁素体或奥氏体中，当钢中 C 不高时，Si 的作用越显著。Si 的固溶强化作用极强，在铁基材料中加入少量 Si 能够提高强度和冷加工硬化率，但会降低材料塑性和韧性。Si 能够提高材料的弹性极限、屈服强度，进而增加材料的屈强比，所以弹簧钢中通常含 Si。在铁素体钢中，Si能够降低 C 的扩散速度，使回火时碳化物不易聚集，增强钢的回火稳定性，钢中含有其他引起回火脆性的元素时，增加 Si 将加剧材料的回火脆性，但当钢中不含引起回火脆性的元素时，Si 对钢的回火脆性影响不大。Mn 是无限扩大 酌 相区元素，能使 A3点下降，A4点上升，增加 酌 相稳定存在的温度区间，在高碳钢中，当 Mn 增加到一定数量时，甚至能够在室温下获得稳定的奥氏体相。Mn 在铁基材料中能够与铁部分互溶，形成固溶体，部分与 Fe、C 化合，形成渗碳体。虽然 Mn 的固溶强化效果不如 C、Si，但在低碳钢中，适当增加 Mn 能够在不降低材料韧性的前提下，提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，作用与 Ni 相似。在一些低合金高强钢化学成分设计时，常常在一定范围内使用 Mn 替代 Ni，来降低材料制造成本。Mn 能够显著降低马氏体转变温度，提高材料淬透性，但 Mn 可以增加钢的过热敏感性和回火脆性，易使晶粒粗化。为了控制含锰钢的力学性能，在热处理中，必须严格控制淬火温度，回火时快速冷却。Mo 是缩小 酌 相区的元素，在钢中加入 Mo 可以提高 A3点，降低 A4点。Mo 在铁基材料中有细化晶粒，提高淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用，在某些成分范围内，Mo 还能在一定程度上提高抗腐蚀性能。Mo 能够与铁部分互溶，形成固溶体，对材料起固溶强化作用；Mo 还能与 Fe、C 化合，形成碳化物。Mo 的碳化物种类比较多，最常见的 M23C6和 M6C 型碳化物。M23C6型碳化物还能溶解 Cr、W 和 V 等多种合金元素，组成更加复杂，此外还有六角结构的 Mo2C 型碳化物。Mo属于强碳化物形成元素，与 C 结合能力低于 Ti、V参数类型焊接热输入(J/mm)电流 A电压 V焊接速度(mm/min)大规范2 88060032400小规范1 51245028500编号组号焊态抗拉强度（MPa）热处理态抗拉强度（MPa）1#1 组5885742 组6335902#1 组6325902 组6686353#1 组6365982 组6746424#1 组6356152 组68764928CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 2 1#焊材焊缝金相组织（a）大规范参数焊缝（b）小规范参数焊缝和 Nb，但高于 Cr 和 Mn。Mo 能强烈抑制奥氏体转变为珠光体，延长珠光体孕育时间，但对奥氏体向贝氏体转变的影响相对很小。因此，在实际生产中，部分含 Mo 的低合金钢产品经过多次热处理后的交货态均含有贝氏体组织。Mo 还是提高钢热强性的重要元素之一，在高温状态下 C 优先与 Mo 结合，形成细小的碳化物，不再扩散到晶界上形成碳化物，通过与 Cr 复合，还能改变和控制形成碳化物及固溶体的 Mo，实现对材料性能的控制1。Cr 是扩大 琢 相区、缩小 酌 相区元素，同 Si 一样，当 Cr 达到一定量时，能够将 酌 相区封闭，使琢 相区和 啄 相区相连。Cr 能够取代一部分 Fe，形成 Fe，Cr蓸蔀3C 型合金渗碳体，也能形成 M23C6、M7C3型碳化物，当 Cr 溶入其他类型的碳化物时，还将形成更复杂的碳化物。Cr 能使奥氏体转变孕育期显著延长，进而减小奥氏体的分解速度，淬透性显著提高。Cr 还是促进回火脆性的元素，在一定条件下，随着 Cr 的增加回火脆性将加剧，在镍锰钢中，加入 Cr 还会加剧 Ni 和 Mn 的回火脆性。对比 2#、3#两批次焊材，2#焊材焊缝的 Si 和Mn 高于 3#焊材，3#焊材焊缝的抗拉强度比 2#焊材高，但二者差别不大，大规范参数试板热处理后抗拉强度的差异最大，也仅有 8 MPa，说明在试验焊材的成分范围内，Si 和 Mn 对焊缝力学性能的影响不大，在其它化学成分相同的条件下，少量差异不会对焊缝力学性能带来影响。对比 1#和 4#两批次焊材，1#焊材焊缝中的 Si高于 4#焊材，1#焊材焊缝中的 Mo 低于 4#焊材，4#焊材的抗拉强度明显高于 1#焊材。由于在试验焊材成分范围内，Si 对力学性能的影响不大，性能差异主要由 Mo 引起，随着 Mo 的增加，焊缝的抗拉强度逐渐增加。对比 3#和 4#两批次焊材，3#焊材焊缝的 Mn低于 4#焊材，3#焊材焊缝的 Cr 高于 4#焊材。3#焊材和 4#焊材大规范参数焊接焊缝的抗拉强度相似，但经过热处理后，4#焊材焊缝的强度高于 3#焊材。小规范参数焊接的 3#和 4#中，4#焊材的焊态抗拉强度和热处理态抗拉强度均略高于 3#焊材，强度差 7 MPa，无明显变化。根据试验结果，Cr 的含量对焊缝焊态的力学性能影响不大，但使用大规范参数焊接时，焊缝中 Cr 含量高会带来更大的力学性能下降。2.3热输入对焊缝力学性能的影响由 1#焊材 1 组大规范参数接头低倍试样（见图 1（a）和 2 组小规范参数接头低倍试样（见图1（b）中焊道排布可知，使用大规范参数共焊接7 层，平均层厚 45 mm；使用小规范参数共焊接 8层，焊道排布均匀，平均层厚 3.54 mm。其余 3个批次焊材的 1 组与 2 组焊接接头形式与 1#焊材相同。对比四批次焊材使用不同规范参数焊接的试板力学性能，1 组大规范参数焊接焊缝的力学性能均有所下降，而且不同批次焊材的变化存在差异。使用大规范参数焊接时，焊缝在高温状态下停留时间较长，在凝固过程中，易发生晶粒长大、粗化等现象，各种合金元素也会与碳结合，形成不同类型的碳化物并优先在晶界处偏聚，局部可能发生碳化物长大，并使焊缝中的合金元素含量减少，从而使焊缝的力学性能降低2。1#焊材大规范参数和小规范参数焊缝主要为粒状贝氏体组织，在贝氏体基体上分布着弥散析出的碳化物（见图 2）。大规范参数焊缝中的柱状晶组织明显，在晶界附近有较大的铁素体析出（见图 2（a），而小范围参数焊缝中只有局部区域有细小的铁素体析出（见图 2（b）。铁素体基体的强度明（下转第 57 页）29CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY间，我国工程机械市场规模从 4 570 亿元增长到了7 751 亿元，平均年复合增率约为 11%。从产品种类来看，“十三五”期间，我国轮式起重机和挖掘机产品销量增长较快。其中，轮式起重机由 9 327台增长到 54 176 台，同比增长四倍多；挖掘机由60 514 台增长到 327 605 台，同比增长也超过四倍。从进出口情况来看，“十三五”期间，我国工程机械进出口总额约 1 260 亿美元，较“十二五”时期同比增长 4.4%。其中，出口总额约 1 059 亿美元，同比增长 13.4%；进口总额约 201 亿美元，同比下降 26.5%。“十四五”时期，我国将开启全面建设社会主义现代化国家的新征程，将加大现代化基础设施建设，布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施3。到“十四五”末，我国工程机械市场规模的发展目标为 9 000 亿元，出口目标为 280 亿美元，国际市场占有率达到 12%。因此，“十四五”期间，我国工程机械在存量淘汰更新和市场新增需求的双重推动下仍将具有较大的发展空间，对中厚板市场需求将呈现增长态势。从下游行业发展来看，“十四五”期间，我国中厚板市场需求总体稳定，需求量不会发生大幅增长态势，预计新建中厚板生产线的市场需求有限，市场需求主要来源于现有产线的升级改造及维修维护。4结语通过对我国中厚板轧机当前的技术水平、生产状况、下游市场需求等进行研究，国内现有的中厚板产线的产能已超过 1 亿 t，而每年中厚板市场需求量保持在 7 000 万 t 左右，产能综合利用率约70%，处于产能过剩状态。未来新建中厚板产线的需求将会很少，而现有产线达到使用寿命后需要改造，大部分市场需求仍以搬迁、升级、日常维护等为主。在技术方面，应根据中厚板技术质量发展要求不断探索提高轧机性能指标来满足客户需求，提高产品竞争力。参考文献1 周佩.调整产品结构占领中厚板市场 J.武钢技术，2007，45(2):72.2 谭乃芬，郑一铭.我国造船用钢市场情况及展望 J.船舶物资与市场，2016(1):38.3 赵慧，张莹.浅谈 十四五 规划中的新基建布局 J.中国信息安全，2021(4):40.收稿日期：2023-02-21显低于贝氏体基体，这也是大规范参数焊缝强度低于小规范参数焊缝的原因。同其他批次焊材相比，1#焊材熔敷金属的抗拉强度最低。1#焊材使用大规范参数焊缝抗拉强度要比小规范参数小 45 MPa，抗拉强度下降最多，而2#、3#和 4#焊缝抗拉强度下降值分别为 36 MPa、38 MPa 和 32 MPa。1#大规范参数焊缝抗拉强度比小规范参数焊缝抗拉强度小 16 MPa，虽然强度最低，但抗拉强度下降是 4 组中最少的，2#、3#和 4#焊材的热处理态焊缝抗拉强度下降值分别为 45MPa、44 MPa 和 34 MPa。经过焊后热处理，1#批次焊材性能下降最小的主要是因为 1#焊材的力学性能本身相对较低，在使用大规范参数焊接时，铁素体基体中已经形成铁素体并析出碳化物，使力学性能下降较大，再次经过 40 h 焊后热处理，形成的铁素体和偏聚的碳化物相对较少，所以在热处理态大规范参数焊缝力学性能下降相对较少。在实际产品制造中，应尽可能使用热输入量小的参数焊接，既能够保证材料性能要求，也避免后续热处理使材料性能大幅下降，保证产品使用和实际服役时间。3结语通过对低合金钢埋弧焊焊丝-焊剂焊缝化学成分存在差异的不同批次焊材的对比分析，得出如下结论：（1）在低合金钢埋弧焊焊丝-焊剂中，Si 和Mn 对焊缝力学性能影响不大，在一定范围内，提高 Mo 的含量能够提高焊缝的抗拉强度；Cr 对焊缝的力学性能无明显影响，但当 Cr 含量较高时使用大规范参数焊接会使焊缝抗拉强度有较大下降。（2）在低合金钢埋弧焊焊接中，使用大规范参数焊接会使焊缝抗拉强度下降，为了获得力学性能良好的焊缝，应使用小规范参数焊接。参考文献1 郑磊.微量元素对低合金钢大线能量焊接热影响区脆性的影响D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.2 蔡养川，罗震.焊接热输入对高强钢焊条焊缝组织和力学性能的影响 J.焊管，2015,38(05)：9-12.收稿日期：2023-03-30（上接第 29 页）57