林 鋼 樊進珍 黎春生

(酒鋼集團蘭州長虹焊接材料有限責任公司)

風電設(shè)備制造專用CO2氣體保護藥芯焊絲的研制

林 鋼**樊進珍 黎春生

(酒鋼集團蘭州長虹焊接材料有限責任公司)

介紹了一種風電設(shè)備制造專用、采用100% CO2氣體保護焊的藥芯焊絲的研制方法。該焊絲熔敷金屬具有低的擴散氫含量，良好的低溫韌性和優(yōu)良焊接工藝性能，滿足風電設(shè)備制造對焊接材料的要求。

風電設(shè)備 藥芯焊絲 熔敷金屬 CO2保護焊

近年來，風電作為低碳環(huán)保清潔新能源在我國得到了空前發(fā)展。風電設(shè)備制造使用的相應(yīng)焊接材料的研發(fā)十分重要，焊接材料除了要求與母材的成分、組織和性能相匹配外，還要求具有高的焊接效率。某些在我國北方零下40℃左右大風寒冷地區(qū)運行的風電設(shè)備更要求所使用的焊料熔敷金屬具有良好的低溫韌性。目前在力學(xué)性能方面滿足要求的電焊條不能實現(xiàn)半自動、自動化焊接。筆者研制了一種風電設(shè)備制造專用的可實現(xiàn)半自動高效焊接和熔敷金屬性能可調(diào)整的藥芯焊絲。

1 熔敷金屬力學(xué)性能要求

根據(jù)風電設(shè)備制造對焊接材料性能的要求，

所研制焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表1。

表1 熔敷金屬力學(xué)性能

2 配方設(shè)計和焊絲試制

2.1鋼帶的化學(xué)成分

為保證熔敷金屬有良好的低溫韌性，對所研制的藥芯焊絲在原材料(包括鋼帶和粉料)的使用上，嚴格控制雜質(zhì)元素含量，消除原材料中有害元素對低溫韌性的影響。專用藥芯焊絲制造所用鋼帶的化學(xué)成分應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 鋼帶的化學(xué)成分

2.2焊絲藥芯配方設(shè)計

在設(shè)計藥芯配方時，要充分考慮兼顧熔敷金屬的力學(xué)性能，特別是熔敷金屬的低溫韌性和電弧的穩(wěn)定性、焊接飛濺及焊縫脫渣等焊接工藝性能。

首先從控制熔敷金屬中的氫含量考慮，在藥芯中加入氟化物，在高溫下的焊接冶金過程中，氟化物中的氟與氫能發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的、不溶于液態(tài)鋼中的HF，從焊縫金屬中逸出，達到去氫的目的。如在低堿度熔渣中加入約8%的CaF2，可使氫從熔敷金屬中的逸出速度急速增大。試驗過程中對氟化物的應(yīng)用，以多種氧化物的形式加入較單一的氟化物為好，不但可以去氫而且有穩(wěn)定焊接電弧的作用。常用的有螢石、氟鈦酸鉀和氟硅酸鈉，其中后兩種具有穩(wěn)弧的作用。

在藥芯加入少量的MgO時，可改善高溫時熔渣的覆蓋和脫渣性，增加焊縫表面的光澤度，增加熔渣透氣性，可提高焊絲的抗氣孔性能，改善其韌性。

加入金紅石主要是在焊接時集中、穩(wěn)定電弧，減少焊接飛濺，改善渣的覆蓋性能和焊縫脫渣性。

加入一定量的硅鋁酸鹽具有細化熔滴、減少飛濺及造渣等功效。硅鋁酸鹽中的二氧化硅使渣具有良好的覆蓋性能，能提高熔渣粘度，具有明顯的細化熔滴，降低飛濺的作用。而硅鋁酸鹽中的三氧化二鋁是兩性物質(zhì)，適量加入可調(diào)節(jié)熔渣的粘度、酸堿度和熔點，可改善熔渣的覆蓋性和脫渣性。

在配方中加入鋯英石(其主要成分為二氧化鋯，熔點2 750℃)，可使熔渣熔點提高，改善熔渣的粘度，使高速焊接時熔渣均勻覆蓋焊縫表面，并有改善焊縫成形、減少麻點使焊縫表面更光潔的作用。

研制焊絲時，為了達到提高韌性，凈化雜質(zhì)，改變硫化物形態(tài)，凈化焊縫，減小夾雜物的尺寸，細化晶粒，改善焊縫低溫韌性的目的，特向藥芯中加入少量的稀土材料。

另外，在藥芯中加入鈦鐵、低碳錳鐵、鎳粉及鐵粉等金屬材料除了脫氧和向焊縫中滲合金外，還可改善焊接工藝、穩(wěn)定電弧、降低飛濺、提高熔敷效率。藥芯配方見表3。

表3 藥芯配方 %

2.3各合金元素的作用

碳含量的高低直接影響著焊縫金屬低溫韌性，低的碳含量可以降低焊縫金屬的脆性轉(zhuǎn)變溫度，提高抗裂性。在研制過程中，為保障韌性指標，在碳的控制上，主要是從原材料方面進行控制，原材料選擇使用含碳低的材料，如低碳錳鐵等。

錳具有脫氧、脫硫、摻合金的作用，與FeO、S在高溫下發(fā)生反應(yīng)，形成MnO、MnS進入熔渣被除去。加入錳后，在提高焊縫金屬強度的同時改善低溫韌性。

硅是脫氧元素，它與氧的親和力較錳大，在焊接過程中硅先于錳被氧化形成SiO2進入熔渣中，保護錳等元素過渡到焊縫金屬中，從而達到保證焊縫金屬的綜合力學(xué)性能的目的。但硅含量不宜過高，否則將使焊縫金屬強度增加，而降低塑性和韌性。

鎳是提高焊縫金屬低溫韌性的主要元素，具有細化晶粒和減小偏析的作用。

2.4專用藥芯焊絲的試制

采用滿足化學(xué)成分的碳鋼鋼帶，將其縱剪后清洗，軋制成U形，藥芯成分按所設(shè)計的配方配制，配料前對部分材料按工藝要求進行烘干處理，通過加粉裝置在U形槽內(nèi)按13.5%～14.5%的填充率進行填充，然后繼續(xù)軋制使U形槽閉合封口，再經(jīng)過拉絲機拉拔減徑，制備成直徑為1.6mm的焊絲。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1焊接工藝

成品焊絲采用NB-500電焊機進行焊接試驗，工藝參數(shù)為：焊接電流270～280A，焊接電壓28～30V，焊接速度30～35cm/min，干伸長度20～25mm，100% CO2氣體保護，氣體流量25L/min，層間溫度控制在140～150℃之間，其他均按GB/T 10045規(guī)定進行。焊接焊縫成形美觀、脫渣性能優(yōu)良、煙霧輕微且未出現(xiàn)焊縫表面無麻點壓坑現(xiàn)象。

3.2熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能

熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表4、5。

表4 熔敷金屬化學(xué)成分

表5 熔敷金屬力學(xué)性能

3.3熔敷金屬擴散氫含量試驗

按照GB/T 3965-1995 《熔敷金屬中擴散氫測定方法》對此專用焊絲進行熔敷金屬擴散氫含量試驗，試驗結(jié)果平均值為3.69mL/100g。

3.4熔敷金屬顯微組織

圖1是專用藥芯焊絲焊接接頭金相組織，晶界白色組織是先共析鐵素體，沿晶界垂直向晶內(nèi)生長的白色針狀組織也是鐵素體，晶粒有效尺寸明顯減小。

圖1 焊接接頭金相組織

4 結(jié)束語

開發(fā)研制的風電設(shè)備制造專用100% CO2氣體保護藥芯焊絲，經(jīng)批量生產(chǎn)通過相關(guān)企業(yè)的使用測試，具有優(yōu)良的焊接工藝性能，良好的低溫沖擊韌性和低的熔敷金屬的擴散氫含量，適用于風電設(shè)備的焊接。

DevelopmentofCO2GasShieldedFlux-coredWireforWindPowerEquipment

LIN Gang, FAN Jin-zhen, LI Chun-sheng

(JISCOLanzhouChanghongWeldingMaterialCo.,Ltd.,Lanzhou730050,China)

The development of special CO2gas shielded flux-cored wire for wind power equipment was studied to show that the flux-cored wire contains low diffusible hydrogen and boasts excellent low-temperature toughness and welding performance as the wind power equipment required.

wind power equipment, flux-cored wire, weld mental, CO2shielded welding

**林 鋼，男，1967年12月生，高級工程師。甘肅省蘭州市，730000。

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0254-6094(2015)02-0218-03

2014-08-14)