900MPA级超高强气保焊丝的研制

黄治军，胡家国，何 嘉，陈 浮，季益好

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉 430080;2.武汉铁锚焊接材料股份有限公司，湖北 武汉 430084)

0 前言

钢结构逐步向轻量化发展，钢铁材料的强度日益提高，抗拉强度900 MPa级的钢铁品种的应用比例不断扩大。钢铁生产技术的发展使钢铁品质越来越好，强度提高，焊接性能也得到一定的改善。现在抗拉强度900 MPa以上钢种大部分采用调质工艺，部分钢种应用了TMCP、DIFT、SIDT等先进工艺生产，钢的抗裂性能有一定的改善［1－2］。目前国内只有个别钢企和焊丝厂生产900 MPa级焊接材料(焊缝抗拉强度)，大部分依靠从国外进口，或采用低强度级别的焊丝作低强度焊接匹配［3］，但低强匹配会影响高强钢种优势的有效发挥。这种局面势必会对高强钢的应用产生不利影响。

研制900 MPa级焊接材料，用于焊接抗拉强度为900～1 000 MPa的高强钢，为高强度钢的推广应用提供具有较好性价比的配套焊接材料，有较大的经济价值。

设计了焊丝的化学成分范围，在50 kg真空炉冶炼了试验用钢，在有关轧钢厂和焊丝厂轧制盘条及拉拔成丝，焊丝表面镀铜，制成成品焊丝，按级别取牌号WER90，相当于ER130S－G。检验了焊接熔敷金属性能。

1 焊丝试制

1.1 合金元素对焊缝性能的影响

焊缝金属性能主要由焊缝组织决定，而后者则由焊缝金属化学成分和焊接热循环条件决定。低合金钢焊缝组织一般有先共析铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体、珠光体、马氏体等。具有共析铁素体、针状铁素体组织的焊缝强度一般在800 MPa以下，要想得到强度高于900 MPa的焊缝，焊缝组织应以贝氏体或马氏体等组织为主。为了获得这样的组织，应提高焊缝中的合金元素含量。贝氏体焊缝韧性高，对焊接工艺适应性强，但需要较高的Ni含量，相应成本增高。马氏体组织焊缝强度高，但韧性不太好，成本较低，具有较好的经济性［4－5］。

各主要合金元素的作用为:

C元素含量对焊缝的强韧性尤其是强度有较大的影响。焊缝中Si含量不宜太高，但富Ar保护气体具有一定的氧化性，焊丝中加入一定量的Si有利于焊接时脱氧。Mn是焊缝强韧化的有效元素，并能防止引起热裂纹的铁硫化物的形成，焊缝中w(Mn)在1.20%～1.60%时，有利于保持高强钢焊缝强韧性，同时Mn也有一定的脱氧作用。Ni有利于提高焊缝金属的强韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。Cr元素有利于提高焊缝强度，细化铁素体晶粒，并有助于焊缝热处理后〛性能维持在较高的水平，使用Cr合金还能有效控制焊丝成本。Mo元素能有效提高焊缝的强度，但是当焊缝中Mo及Cr含量较高时(如分别超过0.7%)，低温冲击韧性将明显下降。焊丝中加入Ti可以使焊缝形成形核质点，细化焊缝金属组织。S、P元素是焊缝中的主要有害元素，会显著降低焊缝金属低温冲击韧性。

1.2 焊丝成分

经过焊缝合金化试验，确定了焊缝的化学成分，设计焊丝的化学成分如表1所示。试验研究表明，焊缝碳当量与焊缝强度有一定的对应关系，通过碳当量来平衡各元素对焊缝强度的控制是可行的。焊缝强度低于900 MPa则不满足要求，但焊缝强度过高会使制作成本增加、韧性下降、焊接工艺难以控制。可以控制碳当量处于一定范围内，以便对焊缝强度作适当的限制，CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5=0.70% ～0.90%。

表1 焊丝成分%

1.3 焊丝

采用50 kg真空炉冶炼，钢质较为洁净，冶炼两例成分如表2所示。将钢锭加热轧制成方坯和盘条。

表2 焊丝钢冶炼成分 %

由于合金元素多，强度较高，拉拔较为困难，有的文献报道此类焊丝甚至采用了“四退四拉”工艺。为了减少盘条的拉拔量，尝试轧制较细的盘条。经多次试验，WER90采用如下工艺制成成品焊丝:

轧制成φ4 mm盘条→酸洗→清洗→烘干→拔丝至φ2.2 mm→在线热处理→酸洗→清洗→烘干→水箱拉丝→镀铜前表面酸洗处理→清洗→镀金镀槽前处理→清洗→镀铜→清洗→φ1.6 mm或φ1.2 mm→在包装车间用烘箱表面烘干→绞直→层绕→热塑包装。

焊丝满足GB/T8110《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》标准的有关规定。焊丝的金相组织为马氏体，如图1所示。

图1 焊丝组织

2 焊丝熔敷金属性能试验

按GB/T8110标准进行熔敷金属试验，采用富Ar混合气体φ(Ar)80%+φ(CO2)20%。焊前预热80℃，层间温度80℃～150℃。

2.1 力学性能试验

熔敷金属拉伸试验结果如表3所示，熔敷金属冲击试验结果如表4所示。

表3 拉伸试验结果

表4 熔敷金属冲击试验结果

熔敷金属焊接为多层焊。图2a为1#焊缝半个横截面，经磨光、抛光和5%硝酸酒精腐蚀，可以看出明显的多层焊道，较暗的部分为焊态或经后道焊缝的再热但尚未发生组织转变的区域，较亮部分为组织有所变化的再热区域。通过硬度测试可以看出其性能的变化。沿图2a中的斜线从焊缝中心至最后一道焊缝表面测量，点距为0.5 mm，硬度分布如图2b所示。由图2b可知:就每道焊缝而言，从焊缝底部到焊缝表面，硬度是逐渐降低的，最后一道焊缝的硬度较高。分析原因:一是与焊缝底部相比，焊缝表面冷速较慢;二是前道焊缝受后道焊缝的再热作用而软化。没经后道焊缝再加热的最后一道焊缝的硬度较高。焊缝中的最高硬度比最低硬度高约35%，焊缝性能具有明显的不均匀性，最高硬度超过350 HV10，焊缝金属具有一定的淬硬倾向。

图2 1#焊缝各区硬度分布

熔敷金属力学性能试验结果表明，两例焊丝焊缝强度和韧性均有一定的富裕。2#焊丝焊缝强度较低韧性较高。1#焊丝焊缝实际强度达到1 010 MPa，韧性低一些。实际上此种强度级别的钢种的韧性也不高，如文献［6］报道的瑞典奥克德隆(SSAB)的WELDOX960钢实际冲击功为 30 J(－20℃)，WER90焊缝韧性完全可以与其匹配。另外，对于超高强焊缝多采用等韧原则选择焊材，对于连接性质的焊缝(非主应力方向)，一般采用低强匹配。只要是焊缝强度不低于母材强度的87%，则认为是等强匹配。因此，对于900 MPa级气保焊丝，建议将焊缝实际强度控制在980 MPa以下，这就需要适当控制焊丝的化学成分和各主合金元素含量的平衡。适当降低C、Mo、Cr含量、增加Ni含量有利于提高焊缝韧性。以2#焊丝为目标成分，可以得到强度及韧性均较好的焊缝。

2.2 化学成分分析

熔敷金属化学成分如表5所示。与焊丝相比，相应的熔敷金属中Ni、Cr、Mo含量变化不大，Mn含量相对较少。

表5 熔敷金属化学成分 %

2.3 金相分析

1#焊缝最后一道焊缝、焊缝上的热影响区金相分析部位如图3所示。两个部位金相组织如图4所示，组织均为马氏体+贝氏体。

图3 熔敷金属金属金相分析部位

3 结论

(1)设定了WER90焊丝的成分范围，采用碳当量对各合金元素进行总体平衡，能将焊缝强度及韧性控制在较佳水平。

(2)采用富Ar保护气体，焊缝典型力学性能为Rm=960 MPa，AKV2=67 J(－20℃)。多道焊缝金属显示出硬度不均匀性和一定的淬硬性，焊缝组织为马氏体+贝氏体。

图4 1#焊缝金相组织

(3)在设计成分范围内，适当降低C、Mo、Cr含量，增加Ni含量有利于焊缝韧性的提高。

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