低合金耐腐蚀钢用焊条的研制和选配

2014-03-23尹士科王移山田源

机械制造文摘(焊接分册) 2014年3期

尹士科，王移山，田源

(1.中国钢研科技集团有限公司，北京100081;2.天津中集集装箱有限公司，天津300461)

1 概述

为了开发我国青海盐湖中的钾矿资源，在国家攻关项目中列入了低合金耐腐蚀钢及其配套焊条的研制内容。由于盐湖一带的环境条件恶劣，腐蚀介质中有MgCl2、KCl和NaCl等，故要求采用耐腐蚀性优良的钢种。国外在盐田设备上使用的低合金耐腐蚀钢以法国的APS钢为代表，故我国也研制了与其成分相近的低合金耐腐蚀钢，包括Cr2－Al和Cr4－Al两个成分系列，钢板的合金成分和力学性能如表1和表2所示。

表1 试验用钢板的合金成分(质量分数，%)

表2 试验用钢板的力学性能要求

与钢板相配套的焊条首先要满足耐腐蚀性能的要求，在力学性能指标上也要与钢板相接近，从施工上考虑还必须有良好的抗裂性能和焊接工艺性能。为此，开展了相关试验工作。

2 焊缝化学成分对腐蚀性能的影响

化学成分的变化主要是改变Cr的含量，也作了Mo含量的稍许改动;另外，又选择了一种奥氏体焊条，即18%Cr－8%Ni的A102焊条。试验工作包括挂片腐蚀试验和电化学腐蚀试验，挂片腐蚀试验又分为熔敷金属挂片试验和焊接接头挂片试验。

2.1 挂片腐蚀试验

熔敷金属的腐蚀试片尺寸是3 mm×25 mm×30 mm，腐蚀介质为:MgCl223.3%，KCl 3.3%，NaCl 2.3%，水71.1%。介质温度35℃，采用动态腐蚀方式，总腐蚀时间796 h。不同熔敷成分的挂片腐蚀试验结果见表3。焊接接头的腐蚀试片尺寸是3 mm×30 mm×40 mm，其他腐蚀条件同熔敷金属的腐蚀试验，钢板采用Cr4－Al钢。不同成分的焊接接头挂片腐蚀试验结果见表4。

表3 不同成分的熔敷金属挂片腐蚀结果

表4 不同成分的焊接接头挂片腐蚀结果

由表3可以看出，随着Cr量的增加，腐蚀率下降，抗腐蚀性能有所改善。但Cr含量超过3%以上时腐蚀率不稳定，原因待查。A102焊条的抗腐蚀性能明显优于其它成分的焊缝。

由表4可以看出，采用Cr含量为0.63%的焊条焊接Cr4－Al系钢之后，焊缝金属的耐腐蚀性能明显低于母材，致使焊缝的腐蚀深度达0.3 mm;采用Cr含量在3%以上的焊条焊接Cr4－Al系钢时，焊缝金属的腐蚀情况与母材相接近。可见，焊接Cr4－Al钢时，焊缝中Cr的量不能低于3%。采用Cr含量为18%的A102焊条焊接Cr4－Al系钢之后，焊缝金属几乎不被腐蚀，热影响区和母材则腐蚀严重。其原因一是不锈钢本身的抗腐蚀性优良，二是不锈钢焊缝处于阴极，母材为阳极，阳极的腐蚀起到了保护阴极的作用。就挂片的试样而言，母材所占的比例不大，容易被腐蚀;而在实际的焊接结构中，母材所占的比例是很大的，这时母材腐蚀情况要明显减轻。

2.2 电化学腐蚀试验

腐蚀介质与挂片试验完全相同，采用美国进口的250A型腐蚀测定仪，扫描速度为100 mV/s，电化学腐蚀试验结果如表5所示。

表5 电化学腐蚀试验结果

由表5可以看出，随着Cr含量的增加，腐蚀电位变正，腐蚀电阻增加，腐蚀电流下降，年腐蚀率也减少。另据测定，Cr4－Al系母材的腐蚀电位是－0.700 V，与含3%～5%Cr的熔敷金属电位相接近。电化学腐蚀试验也证明，焊缝中铬的量不能低于3%。总的来看，焊接Cr4－Al钢时，焊缝中Cr的量不能低于3%，而奥氏体型的A102焊条的抗腐蚀性最优良。

3 化学成分及热处理对焊缝力学性能的影响

为了满足焊缝金属力学性能要求，对Cr含量不同的焊条进行了试验，也采用A102焊条作了对比试验。焊条直径φ3.2 mm，焊接电流120 A，道间温度120～130℃。各焊条的熔敷金属的力学性能如表6所示。

由表6可以看出，Cr含量在3% ～4%的焊条，焊态下熔敷金属的抗拉强度太高，远高于对母材的强度指标要求(≥500 MPa);由于强度过高，韧性明显下降，达不到50 J的指标要求;还因为焊缝强度高，进行弯曲试验时焊缝基本不变形，使变形集中于热影响区部位，故弯曲至90°左右时沿熔合线附近产生了开裂。为了改善焊缝的力学性能，将Cr含量约4%的焊接试板进行了回火处理，其加热温度和保温时间参照钢板的回火制度。经过热处理后，焊缝的强度明显下降，韧性大幅度提高，塑性也有所改善，这时的焊缝性能与钢板性能已基本相当。采用A102焊条与Cr4－Al钢板组合焊接后，焊缝强度不太高，塑、韧性都优良，接头弯曲达到180°也不裂，满足了力学性能相匹配的要求。Cr含量≤2%的焊条，虽然表现出了高的韧性水平，但是耐腐蚀性能达不到要求。

表6 熔敷金属的力学性能

4 化学成分对抗裂性能的影响

采用了“铁研式”裂纹试验方法，焊条的烘干条件是350℃ ×1 h，焊条直径3.2 mm，焊接电流约100 A，环境温度14℃，不同成分的焊条及预热温度对裂纹的影响见表7。

抗裂性试验结果表明，Cr含量超过3%的焊条抗裂性能是不好的，即使预热到100℃仍然产生了严重的裂纹。要避免产生裂纹，必须采取更为严格的工艺措施，如提高预热温度、缓慢冷却及进行后热等。因为在这么高的Cr含量情况下，空冷后的焊缝组织仍是马氏体，其抗裂性很差。然而，A102焊条表现出了优良的抗裂纹能力，即使在较低的环境温度不预热也可以避免裂纹，有利于保证焊接质量，也给焊接施工提供了方便。A102焊条的焊缝是奥氏体组织，它可以容纳大量的扩散氢，既可避免焊缝中出现裂纹，又可减少进入热影响区的扩散氢量，还能缓解热影响区的应力，对避免出现热影响区裂纹起到了有利的作用。针对这几种成分的焊条进行了多方面的性能试验后，发现了各有利弊之处，如表8所示。

表7 不同成分的焊条及预热温度对裂纹情况的影响

表8 几种成分焊条的综合性能对比

由表8可知，Cr＜1.6%的焊条耐腐蚀性不过关;3%＜Cr＜5%的焊条力学性能和抗裂性能差，即使通过回火处理改善了力学性能，在施工上也很难解决裂纹问题;只有A102焊条，从保证抗腐蚀性能、接头力学性能和方便施工等几个方面看，具有综合优势，因此最终选定A102焊条作为Cr4－Al系低合金耐腐蚀钢用的配套焊条。为了降低焊条的成本，采用低碳钢焊芯、通过药皮过渡合金元素的方式进行合金化，进而开发出了A102T焊条。它不仅满足了上列各项性能的要求，而且解决了不锈钢焊条的药皮发红、开裂问题，另外，它可以使用较大的焊接电流，提高了焊接生产率。新研制的A102T焊条具有良好的焊接工艺性能，电弧稳定性好，飞溅不大，脱渣容易，适于交、直流两种电源。根据青海送变电公司的订货要求，试生产了一吨多焊条，并已成功地应用于青海省内的输电线路工程上。试生产焊条的熔敷金属合金成分和力学性能如表9所示。