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(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；2.四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000；3.自貢大西洋焊絲制品有限公司，四川 自貢 643000)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，而人類開發(fā)、利用保護(hù)海洋資源的前提和基礎(chǔ)就是海洋工程裝備的開發(fā)和應(yīng)用，由于海洋工程的特殊用途和苛刻的使用環(huán)境，海洋工程用鋼的技術(shù)要求，要比其它鋼種嚴(yán)格的多。主要技術(shù)指標(biāo)有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、易焊接性和性能均勻性。從海洋工程材料到具體裝備的制造過(guò)程都離不開焊接，而海水中富含的多種陰陽(yáng)離子、微生物等會(huì)造成海洋用鋼的腐蝕，因此，海洋用鋼焊接材料的開發(fā)研究一直受到重視[1-6]。海洋工程結(jié)構(gòu)在焊接材料選用上必須滿足海洋工程的特殊要求，具有各種特殊性能，尤其是低溫韌性。我國(guó)焊接材料經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在材料品質(zhì)種類和生產(chǎn)規(guī)模上都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。A-E.Traize[7-8]等研制了海洋工程690MPa、830MPa高強(qiáng)鋼焊接材料，進(jìn)而提供了樁腿焊接解決方案，郭敬杰[9]等研制出了性能優(yōu)良的海洋工程用 2507 型超級(jí)雙相不銹鋼藥芯焊絲，王學(xué)林[10]研究了海洋工程用鋼焊接過(guò)程的物理冶金原理及焊接性能，為工業(yè)生產(chǎn)水平的提高提供了理論基礎(chǔ)。

本研究采用高效鐵粉型藥皮渣系，通過(guò)在堿性渣系的基礎(chǔ)上增加鐵粉，提高焊條過(guò)渡系數(shù)，達(dá)到提高熔敷效率的目的(熔敷效率可達(dá)110%)，設(shè)計(jì)合理的Mn-Ni-Cr-Mo合金體系，開發(fā)了海洋工程專用焊接材料，配套海洋工程裝備的建造，為海洋資源的開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)、高效的焊接材料。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 焊芯材料的選擇

為保證焊縫金屬具有較高的低溫韌性，必須控制焊芯的雜質(zhì)元素含量即限制焊芯中S、P、N、O、H及C的含量。在保證力學(xué)性能的前提下，考慮盤條市場(chǎng)價(jià)格因素，選擇的焊芯成分要求(%)：S≤0.010%、P≤0.015%。

1.2 焊條渣系的選擇及調(diào)整

焊條藥皮渣系選擇成熟CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2型低氫堿性藥皮渣系，并且在此基礎(chǔ)上提高堿度，降低焊材渣系的脫氧性，減少合金元素的燒損。但是增大堿度后容易惡化焊接工藝性能，因而需要考慮配方組成中各因素之間的影響，優(yōu)化配方，從而兼顧全位置操作工藝和保證理化性能。

生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在藥皮、藥粉中不加入含結(jié)晶水的物質(zhì)，前期對(duì)藥粉進(jìn)行預(yù)烘干，提高碳酸鹽與氟化物的含量增強(qiáng)對(duì)焊縫的去氫能力；提高焊條的烘焙溫度和保溫時(shí)間，使藥皮中的水分降到最低，增強(qiáng)藥皮抗潮能力，使熔敷金屬擴(kuò)散氫含量小于4.0mL/100g。

S、P、O、N等雜質(zhì)元素的控制方法一般是加入脫S、P、O、N等物質(zhì)，其余方法是通過(guò)精選雜質(zhì)元素含量低的礦物粉、鐵合金及焊芯來(lái)進(jìn)一步控制雜質(zhì)元素的含量。

1.3 熔敷金屬化學(xué)成份

CHE607RH采用手工電弧焊進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，熔敷金屬化學(xué)成分見表1。

表1 熔敷金屬化學(xué)成份標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)值(%)

1.4 試驗(yàn)方法

研制的海工焊接材料，采用Φ4.0mm焊條，在平、立、仰位置，按不同的焊接參數(shù)(焊接電流I=160～190A)進(jìn)行工藝性能試驗(yàn)。

對(duì)焊接材料CHE607RH進(jìn)行不同熱處理，并根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，根據(jù)GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)行-40℃沖擊試驗(yàn)測(cè)試。

采用手工電弧焊對(duì)焊接材料CHE607RH進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。采用蔡司金相顯微鏡對(duì)熔敷金屬顯微組織觀察分析，根據(jù)GB/T 2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行維氏硬度計(jì)檢測(cè)。

其他試驗(yàn)：根據(jù)公式計(jì)算熔敷金屬碳當(dāng)量及實(shí)際熔敷效率；根據(jù)GB/T 3965-2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》測(cè)量熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

對(duì)焊縫熔敷金屬力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果見表2。由表2可知，熔敷金屬力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 熔敷金屬力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)值

2.2 工藝性能

研制的海工焊接材料，采用Φ4.0mm焊條，在平、立、仰位置按不同的焊接參數(shù)進(jìn)行工藝性能試驗(yàn)，如圖1、圖2。

在焊接電流I=160～190A范圍內(nèi)，焊接電弧穩(wěn)定，焊縫脫渣性好，成形美觀，焊縫光亮，飛濺小。

圖1 平焊工藝圖

圖2 立、仰位置工藝圖

從立、仰位置的工藝來(lái)看，焊接電弧穩(wěn)定，脫渣容易，成形美觀，飛濺小，能夠滿足全位置操作要求。

2.3 金相組織

圖3和圖4分別是CHE607RH焊縫放大100、1000倍顯微組織。

圖3 CHE607RH焊縫放大100倍顯微組織

圖4 CHE607RH焊縫放大1000倍顯微組織

由CHE607RH焊縫100倍顯微組織(圖3)可見，焊縫晶粒呈柱狀晶和等軸晶生長(zhǎng)，焊縫無(wú)氣孔、裂紋、夾雜物等缺陷，晶粒分布均勻。由CHE607RH焊縫1000倍顯微組織(圖4)可見，焊縫組織主要為鐵素體+粒狀珠光體+合金化合物(第二相)，其中合金碳化物彌散分布，粒狀珠光體有聚積團(tuán)存在，該組織強(qiáng)度與硬度適中，韌性好。

2.4 顯微維氏硬度

對(duì)海洋工程用高韌性焊接材料CHE607RH試樣，采用HV1000型顯微維氏硬度計(jì)，對(duì)焊縫組織進(jìn)行了硬度檢測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 CHE607RH焊縫區(qū)維氏硬度值/Hv0.5

從所得的硬度數(shù)據(jù)可知，試樣的焊縫組織硬度值分布較均勻，兩者平均值接近，對(duì)結(jié)構(gòu)件硬度值大小適中。

2.5 其他試驗(yàn)

2.5.1 碳當(dāng)量

根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式：

和熔敷金屬化學(xué)成分可以得出海工高韌性焊接材料的碳當(dāng)量見表4。

表4 焊材碳當(dāng)量

從表4可知，高強(qiáng)級(jí)別的海工焊材碳當(dāng)量比較低，且因熔敷金屬中存在Ni成分，對(duì)裂紋敏感性起到一定的抑制作用，故而焊接前可以不進(jìn)行預(yù)熱，且焊縫金屬不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋。

2.5.2 熔敷效率

(mp為熔敷金屬重量g，mW為焊芯總重量g，mWS為剩余焊芯總重量g)，計(jì)算得出焊條實(shí)際熔敷效率為117%。

2.5.3 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量(熱導(dǎo)法)

按GB/T 3965-2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》中熱導(dǎo)法檢測(cè)熔敷金屬擴(kuò)散氫含量，試驗(yàn)條件：焊條經(jīng)380℃×1h烘焙，室內(nèi)溫度20℃，60%濕度，收集箱溫度23.5℃，大氣壓97.56MPa，測(cè)得焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量為：3.81/3.54/2.51/3.1(平均值3.24mL/100g)。

3 結(jié)論

(1)焊接電弧穩(wěn)定，焊縫脫渣性好，成形美觀，焊縫光亮，飛濺小，能夠滿足全位置操作要求，工藝性能好。

(2)焊縫低倍組織中晶粒呈柱狀晶和等軸晶，焊縫無(wú)氣孔、裂紋、夾雜物等缺陷，晶粒分布均勻。焊縫組織為鐵素體+粒狀珠光體+合金化合物(第二相)。

(3)碳當(dāng)量在0.40～0.45之間，碳當(dāng)量在高強(qiáng)級(jí)別的海工焊材中是較低的，熔敷效率為117%。

(4)熔敷金屬擴(kuò)散氫含量平均值為3.24mL/100g，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。