铝在自保护药芯焊丝中的作用及焊缝韧化途径分析

2015-03-22尹士科吴树雄喻萍

机械制造文摘(焊接分册) 2015年1期

尹士科，吴树雄，喻萍

(1.中国钢研科技集团有限公司，北京100081;2.北京米勒电气制造有限公司，北京100081 )

0 前言

自保护药芯焊丝由于不需要外加气体保护，增加了施工的灵活性，尤其在高层建筑、输油、输气管线和海洋平台等各种户外施工现场，得到更为广泛的应用。自保护药芯焊丝，由于药芯中某些粉剂在焊接时分解或气化，释放出一些气体，形成保护屏障来隔绝空气;同时，含有一定量的脱氧剂(如Al、Ti、Si、Mg 等)和强氮化物形成元素(如Al、Ti 等)，可防止焊缝中出气孔和因含氮量高而导致焊缝金属韧性下降。高的含铝量是自保护药芯焊丝的一个特征，为了避免焊缝生成CO和N2气孔，作为强脱氧剂和强氮化物形成元素的Al，在药芯中的加入量是相当多的。但是，焊缝中过量的Al 会引起晶粒粗大，严重影响焊缝金属的塑、韧性，故有必要对铝的作用进行深入探讨。自保护药芯焊丝的渣系与其它焊接材料有着显著的区别，为了防止大气对焊接造成有害影响，通常，自保护药芯焊丝采用大量的氟化物作为造气和造渣剂，如BaF2、NaF、CaF2、SrF2等。无论是自身造气保护的焊条电弧焊，还是外加保护气体的气体保护焊，其保护效果都能充分地隔绝焊接过程中外界空气的侵入。而自保护药芯焊丝，因为药芯中的粉剂量少，造气剂所产生的保护气体、加入的金属元素挥发产生的金属蒸汽、冶金反应时产生的气体以及药芯中造渣剂产生的熔渣等，不能有效地隔绝外界空气的侵入，导致电弧气氛中的氧、氮和氢气进入熔滴金属。含有这些气体的熔滴金属落入熔池之后，如果在熔池内不能充分地脱除这些气体，将会在焊缝中形成氧化物、氮化物等各种夹杂物，对焊缝韧性造成不利影响，基于此，有必要采取其它措施来进一步提高焊缝金属的韧性。

1 铝在焊接中的作用及其对焊缝性能的影响

1.1 铝在焊接过程中的脱氧、脱氮作用

铝是很强的脱氧、脱氮元素，它对氧的亲和力很强，其脱氧能力排在钛、碳、镁、锆等元素之前。在熔滴形成及熔滴过渡阶段，铝主要通过先期脱氧来降低电弧气氛的氧化势，Al可与电弧气氛中的氧相结合，生成铝的氧化物，其脱氧反应式如下:

铝在降低电弧气氛中氧化势的同时，由于电弧气氛中含O 量减少，使NO的分压降低，也使溶入熔滴金属中的氮减少;铝又与氮有很强的结合能力，可以形成稳定的AlN 夹杂，该氮化物不溶于液态金属，而进入熔渣之中。

其次，进入熔池中的铝仍保持着强的脱氧能力，它将与进入熔池金属中的氧化物，如FeO，发生置换反应，生成的[Al2O3]，有的被冲洗进入熔渣，有的残留在焊缝中，呈现为夹杂物。

熔池中的铝也与熔池中的N 发生下列反应，使游离态的N形成氮化物，达到固氮效果。

公式(3)和(4)中的[Al]、[FeO]、[Al2O3]、[N]和[AlN]分别表示液态金属中的浓度。

铝含量对熔敷金属化学成分的影响见表1，可以看出，随着熔敷金属中Al含量的增加，熔敷金属中C、Zr的含量变化不明显，Si、Mn 略有波动，但变化不大;N、O的含量随着Al含量的增加而降低，可见，铝是很有效的脱氧、脱氮元素，它降低了熔敷金属中氧和氮的含量，达到了人们希望的脱氧、脱氮作用。

表1 铝含量对熔敷金属化学成分的影响(质量分数，%)

1.2 铝对夹杂物组成及其尺寸的影响

有研究结果显示[1]，在自保护药芯焊丝的焊缝中铝的含量不同时，脱氧、脱氮后生成的夹杂物类型有所不同。当焊缝金属的含铝量为0.55%时，夹杂物以球形氧化铝为主，尺寸较小(平均尺寸为0.77 μm)，分布均匀。当焊缝金属的含铝量为1.64% 时，AlN 先于Al2O3形成，尺寸较粗大(平均尺寸为1.03 μm)。AlN夹杂物形状是轮廓分明的六角形，它的熔点为2 450℃，维氏硬度高达1 200 kg/cm2，它会对熔敷金属的基体产生割裂作用。在裂纹形成及扩展过程中，这些高硬度夹杂物将成为一次或二次裂纹源，从而使其韧性显著降低。与AlN 类夹杂物不同，Al2O3等球形夹杂物对基体产生的割裂作用较小，夹杂物周围的应力条件相比于六角形夹杂物AlN 也好些，不会对焊缝的力学性能产生明显的不利影响。

采用扫描电镜对熔敷金属冲击断口起裂区韧窝中的夹杂物成分进行了分析，结果表明，夹杂物中的Al含量随着熔敷金属中Al含量的增加而增加，如图1所示。AlN 中Al 占的比例要高于Al2O3中Al 占的比例，由图1的曲线斜率判断，熔敷金属中Al含量小于1%时，其夹杂物主要为Al的氧化物;而熔敷金属中Al含量大于1%后，夹杂物成分则以AlN 为主。

图1 熔敷金属中Al含量与夹杂物中Al含量的关系

1.3 铝对焊缝金属组织的影响

自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护条件下使用的一种焊接材料，为了有效地消除大气中氧、氮的不良影响，尤其是氮的影响，在药芯中加入了大量的脱氧、脱氮剂Al。对于碳钢和低合金钢焊接而言，当焊缝中Al含量较少时，液相中首先析出δ铁素体，进一步冷却过程中，奥氏体沿液相和δ相界面生核，进行包晶反应，同时向液相和δ相两个方向长大。包晶反应结束后，液相耗尽，剩余的δ相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而生成奥氏体。继续冷却时将发生共晶转变，α铁素体从奥氏体中析出，生成先共析铁素体，并排出多余的碳，继而生成一定量的晶内针状铁素体、珠光体和其他贝氏体类组织。所以，在铝含量较低的焊缝中，以晶界的先共析铁素体，晶内的针状铁素体、珠光体和贝氏体类组织为主，见图2a;当焊缝中Al含量较高时，由于大量的Al 固溶在金属中，当液态熔池中析出δ铁素体后，由于铝是一种强铁素体形成元素，它扩大铁素体区，缩小奥氏体区，因而阻碍了奥氏体的形成，δ铁素体不会在随后的冷却过程中完全转变成奥氏体，而以粗大的铁素体保留下来，并保留到室温，见图2b中的白色骨架形部分，这些保留下来的铁素体也称为一次铁素体(δ铁素体)，会对韧性产生极其不利的影响。而已经转变成奥氏体的部分，在随后的冷却过程中再转变成铁素体、珠光体或贝氏体类组织，见图2b中的黑色骨部分，这时生成的铁素体被称为二次铁素体(α铁素体)，它对韧性不会产生不利的影响。

图2 不同含铝量的熔敷金属微观组织

从冶金学的角度看，铝是一种强铁素体形成元素，它扩大铁素体区，缩小奥氏体区，过量的铝会导致焊缝金属在冷却过程中不发生相变，从而也不产生晶粒细化作用，以大块的铁素体晶粒存在。为了克服这一弊端，必需加入一些强奥氏体形成元素，来抵消过量的铝造成的危害作用。碳是一种强奥氏体形成元素，常常被加入到药芯焊丝的药粉之中，以便促使焊缝金属发生相变，进一步细化晶粒，提高焊缝塑、韧性。一般来说，碳钢焊缝金属中碳的含量都小于0.12%，而对于药芯焊丝来说，其焊缝金属中碳的含量可以达到0.3%。碳和铝是两种平衡元素，自保护药芯焊丝的焊缝金属含铝量最多不超过1.8%，否则会引起焊缝强度大大提高，塑性和韧性明显降低。铝和碳平衡的标准是:加入的强奥氏体形成元素碳含量的上限，以保证焊缝金属不产生脆化;而强铁素体形成元素铝的下限含量，是在严格和科学的焊接规范条件下，保证单道焊焊缝中不出现气孔(由于母材的稀释作用，单道焊所需要的铝量要比多道焊高)。

为了获取良好的焊缝塑性和韧性，希望焊缝金属中铝的含量在1.1%以下，而为了防止焊缝金属中出现气孔，须要进一步降低焊缝金属中氮的含量，以便尽可能降低Al的含量。

1.4 铝对焊缝金属力学性能的影响

铝对焊缝金属力学性能的影响如图3所示。图3a是Al含量对焊缝冲击吸收能量的影响，随着焊缝中Al含量的降低，焊缝的冲击吸收能量升高。在通常情况下，影响冲击韧性的因素有[2]:(1)脱氧、脱氮剂与大气作用产生的夹杂物的大小、分布、形状等，呈棱角形状、较大尺寸的氮化铝夹杂物，对焊缝的危害比近似圆形的小尺寸的氧化铝夹杂物严重;(2)焊缝基体中残留的未参与反应的脱氧、脱氮剂产生的固溶强化作用，在Al含量高的焊缝中固溶强化作用大，韧性下降;(3)脱氧、脱氮剂引起的微观组织变化，Al含量较高的焊缝中产生的粗大、脆硬的δ铁素体严重危害焊缝的冲击韧性。图3b是Al含量与焊缝抗拉强度之间的关系，从图中可以看出，随着焊缝中含铝量的提高，抗拉强度也增加，这主要是由于铝产生的固溶强化作用引起的。

图3 含铝量对焊缝金属力学性能的影响

2 改善熔敷金属韧性的途径

提高自保护药芯焊丝熔敷金属的韧性是改进力学性能的关键内容，也是长期以来备受关注的问题。自保护药芯焊丝的韧化方向有如下几个方面:一是选择有利于提高韧性的渣系，在满足焊接工艺性能要求的前提下，尽可能使熔渣具有高的碱度;二是使熔敷金属具有合适的化学成分，包括常量合金元素及微量合金元素，并尽可能低的杂质元素(氧、氮、硫、磷等)的含量;三是选择适合的焊接规范(热输入、预热和道间温度等)及焊后热处理制度。

如前说明，铝是很有效的脱氧、脱氮元素，它降低了熔敷金属中氧和氮的含量，是提高熔敷金属韧性的有效手段之一。但是，在含铝量较低的情况下，焊缝金属组织中仍可出现较多的先共析铁素体，而针状铁素体较少，对韧性造成不利影响;另外，众所周知，镍是改善焊缝金属韧性的有效元素，可根据不同的要求，加入不同数量的镍。

2.1 通过获得针状铁素体组织来提高焊缝韧性

通常，对于600 MPa 及以下强度级别的焊缝来说，熔敷金属获得良好冲击韧性的组织是含有大于65%的针状铁素体、并尽量减少先共析铁素体和侧板条铁素体的含量。现阶段，在输送石油、天然气的长输管线中，广泛应用的微合金管线钢X70 及X80，其熔敷金属的主要组织就是针状铁素体，由于针状铁素体的大量存在，导致了焊缝金属韧性的提高。图4为这类熔敷金属组织的一例[3]，其中针状铁素体占绝大多数，但仍有少量先共析铁素体，即照片中尺寸明显大的白色块状物，侧板条铁素体不明显。针状铁素体是在原始奥氏体晶粒内形成的，在透射电镜下观察时能够看到针状形貌;但是，在光学显微镜下观察时针状特征并不明显，多为不规则的条状物，表现为具有一定长宽比的铁素体板条，板条间呈大角度相交，相互交错，像个编织物。针状铁素体对材料性能的贡献，首先归结于其多位向的析出形态，加之针状铁素体尺寸大小不一，使材料断裂扩展时受到了大的阻力，即表现为高的冲击吸收能量。另外，针状铁素体板条内具有亚晶结构和较高的密度位错，因而导致熔敷金属的强度有相应提高。可见，无论对韧性还是对强度的提高，针状铁素体组织都是有效果的。

图4 针状铁素体为主的组织一例

要在焊缝中生成针状铁素体组织，必须有起到形核核心作用的载体。焊缝中存在着多种氧化物，有些氧化物可起到这种载体作用。当晶界附近存在这类氧化物时，它会促进铁素体形核，进而生成侧板条铁素体;当这类氧化物在晶内存在时，它会成为针状铁素体的形核核心，促使生成晶内针状铁素体，细化晶粒，使韧性得到改善。有多个资料介绍，钛的氧化物(TiO、Ti2O3、Ti2MnO4)与α-Fe 有着良好的共格关系，往往成为铁素体的形核核心。图5是沿着形核核心生成的晶内针状铁素体的一例[4]，几个黑点部位(核心)均有针状铁素体以球状夹杂物为中心向四周延伸成长。

图5 在铁素体类焊缝中形核

至于是钛的哪种氧化物能起到形核的作用，到目前为止还没有统一的说法。有的学者提出TiO 具有形核作用[5]，认为夹杂物表层存在的TiO是生核的位置，生成的铁素体与该氧化物具备B-N 结晶学位向关系，且生成的铁素体与母相奥氏体之间也存在K-S 关系。也有的学者研究得出[6]，在高强度钢焊缝中能起到晶内形核作用的是Mn2TiO4。焊缝中的钛对形核起着主要作用，其机理是加入Ti 后可以把非晶质的Si-Mn 氧化物变成结晶质，这些结晶相与相变组织之间有着良好的共格性，促进晶内相变。晶内相变的出现，既要求结晶相与晶内相变组织之间存在B-N 晶向关系，也要满足所形成的相变组织与原奥氏体之间存在B-N 晶向关系，结晶相Mn2TiO4同时满足了这两方面的结晶相位要求。通常，在液态熔池中形成的氧化物与原奥氏体之间很难想象会存在B-N 晶向关系;只有在焊缝冷却凝固过程中，随着基体的凝固而伴随着氧化物的结晶化，这时的结晶化是从奥氏体界面上生长的，有可能保持一定的结晶相位关系。

为了获得针状铁素体组织，除了晶内要有足够的形核核心外，还必须采取有利措施来抑制晶界铁素体的出现，最有效的措施之一就是在焊缝中加入适量的硼。有人认为:固溶于焊缝中的硼易于向晶界偏析，抑制了先共析铁素体的产生。也有人提出，硼在晶界上形成Fe23(CB)6，这类碳化物尺寸很小，可阻碍晶界上的铁素体形核。在电镜下观察时[7]，可以看到硼断续地分布在晶界上，其尺寸为0.2～0.5 μm，这样大尺寸的聚集物不会是偏析，应是析出的化合物。通过电子衍射分析和计算得知，这些聚集物是硼化物Fe23(CB)6。由于硼分布在晶界处，使晶界能降低，抑制了高温相变，减少了晶界铁素体和侧板条铁素体等高温相变产物，为针状铁素体或其它中、低温相变产物的生成创造了条件。硼的另一个作用是提高钢及焊缝金属的淬透性和淬硬性，起到强化和硬化作用。但是，硼的含量必须严格控制，含硼量过多或过少都不利于改善焊缝韧性。硼的量太少时起不到有效作用，但是，B的含量超过某一值时，硼化物会在晶界呈连续的网状分布，使韧性急剧降低。影响焊缝中含硼量的因素，主要是含氮量和含钛量。在凝固过程中，钛保护硼不被氧化，使硼与氮相互作用生成BN，固定了游离的N;在奥氏体冷却时，Ti 又通过形成TiN 而保护残余的B不被氮化，因而使一定量的游离B 向奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能量，抑制了先共析铁素体形核。

为了得到高的焊缝韧性，通常存在一个钛与硼含量的合理搭配范围。研究表明，没有足够量的钛，硼对焊缝中针状铁素体的形成效果不大;同样，没有硼，钛的效果也不大。当B =(40～45)×10－6和Ti =(400～500)×10－6时，最为理想，可得到约95%的针状铁素体。

2.2 通过加入一定量的镍来改善焊缝金属韧性

镍是非碳化物形成元素，它不与碳发生作用，可与基体形成α 固溶体，显著提高铁素体的韧性。除了镍，目前还未找到其它合金元素能够固溶于基体且能提高其韧性的。随着含镍量增加，奥氏体的稳定性增大，使相变在更低的温度下进行，有利于中、低温相变组织的形成。镍是降低韧－脆性转变温度的有效元素[8]，从而使钢在更低的温度下具有高的韧性。由图6a可以看出，镍可使脆性转变温度向低温区(向左)移动。但是，增加镍也会引起冲击吸收能量上平台值下降，且温度越高时降低越明显，如图6b所示。据日本的资料报导，冲击吸收能量上台值相当于温度为零度时的冲击吸收能量，所以，如果对零度的冲击吸收能量要求高的话，应少加或不加镍;如果要求更低温度下的冲击吸收能量或更低的脆性转变温度，则应加入更多量的镍;要求的温度越低，镍的加入量越多。根据国内外低温钢焊接材料产品样本或说明书上的成分统计，对－40～－50℃冲击吸收能量有要求的焊缝，可加入0.3%～0.7%Ni;对-60～-70℃冲击吸收能量有要求的焊缝，可加入1.5%～2.5%Ni;对－80～－110℃冲击吸收能量有要求的焊缝，可加入3.5%～6.5%Ni。