elding Applications
应用广角
高强钢用金属粉芯型药芯焊丝研制
文/武汉铁锚焊接材料股份有限公司 周海龙 孟庆润
摘 要：本文设计了一种高强高韧性的金属粉芯型药芯焊丝，强度级别在800～1000MPa。通过渣系与合金系设计，达到低渣甚至无渣的效果，并进行力学性能试验、斜Y抗裂性试验及系列冲击试验。结果表明该焊丝性能稳定、工艺优良，并具有良好抗裂性，满足设计要求。关键词：高强钢；金属粉型；药芯焊丝
绪 论
随着我国钢铁材料的迅猛发展，工程结构轻量化战略的实施，低合金高强钢，尤其是800 ~1000MPa级的高强钢正受到越来越多的关注。低合金高强钢以其超高的强度，优良的塑性和韧性广泛应用于汽车、压力容器、电力以及工程机械等领域[1-2]。金属粉芯焊丝兼具实心焊丝与药芯焊丝的优点，熔敷效率高，同时焊缝表面少渣或者无渣、飞溅小、电弧稳定，大大减少后续打磨工序等优点，现已在我国中低级别钢材中得到广泛应用[3]，但800MPa及以上级别金属粉芯型焊材还存在冲击性能低，性能不稳定等问题，因此发展具有自主知识产权的高强钢用金属粉芯焊丝，对我国高强钢的推广应用具有重大意义。
及大量的合金元素和脱氧产物，因此焊缝会产生少量焊渣，该焊丝熔渣的主要成分如表1所示。 由表1可知，焊丝熔渣的主要成分由MnO2、SiO2、AlO2、MgO、CaO及Na2O和K2O组成，该熔渣属中性偏酸性熔渣，Na2O和K2O为NaF、硅酸钠、KF、钛酸钾等Na盐和K盐的氧化产物，作为主要的稳弧剂，起稳弧作用。实验表明，当K/ Na为2：1时电弧最稳定。Al2O3、MgO、CaO熔点较高，可提高熔渣的熔点和粘度，通过调整它们与SiO2之间比例可调整熔渣特性。MnO2能与SiO2 形成硅酸盐，调整两者比例可调整脱渣性。 在少渣的基础上，该金属粉芯焊丝还具有一个突出特点：少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置，其余位置实现完全无渣，焊渣松脆，轻触即脱，防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦，实现对硅渣的有效利用。1.2 合金体系设计
该金属粉型药芯焊丝采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo -Cu-V合金体系，并加入一定量的B。该设计思
表1 熔渣的主要成分及含量(%)
名称含量MnO2~36
SiO2+AlO2+MgO+CaO~49
Na2O+K2O~3
其他~121 渣系与合金体系设计思路
1.1 渣系设计及焊渣分布
金属粉型药芯焊丝相比较普通焊丝，其中一个最大特点就是无渣或者少渣，但是对于高强钢用金属粉型药芯焊丝，为保证焊缝的强度和足够的低温韧性，需要提高焊丝中Si、Mn以
作者简介：周海龙（1987-），男，工程师，从事焊接材料研发，现代焊接设备及工艺研究。
J- 44 现代焊接 2016年第10期 总第166期
W
elding Applications
应用广角
图1 金属粉药芯焊丝角焊缝及熔敷焊缝
表2 熔敷金属化学成分（%）
名称CSiMnSPCrNiMoTiAlCuV含量0.0840.802.140.0130.00100.622.930.710.00690.0720.11/表3 熔敷板力学性能
拉伸试验冲击试验/-50℃
扩散氢
R2
P0.2（N/mm）
Rm（N/mm2）
A（%）Z（%）吸收能量KV2/J（ml/100g）
920
982
17
60
59587052642.1表4 对接接头力学性能拉伸试验
冲击试验/-50℃R2
P0.2（N/mm）
Rm（N/mm2）
A（%）Z（%）吸收能量KV2/J
915
970
16.540
6255605053路是在传统C、Mn、Si合金系的基础上，采用降2 焊缝性能分析
低C含量，多种微量元素合金化来实现高强度和2.1 力学性能
高韧性。
试验钢板采用尺寸为300mm×100mm×20mm 1.2.1 低碳，该级别焊材中碳质量分数通常＜上海三钢SHT900高强钢，屈服强度900MPa，抗0.2%，本焊丝碳含量在0.07%~0.09%范围内，以拉强度990MPa。焊接参数和道间温度直接影响实现良好品的塑性和韧性，避免造成焊接工艺焊缝组织形貌，进而影响焊接接头机械性能。恶化。
综合考虑，选择焊接电流240A，电压28V，焊接1.2.2 主要合金元素Mn、Si、Ni，同时加入一速度300mm/min，焊前预热100℃，道温控制在定量的Cr、Mo、V和B，添加的主要目的是实现150~160℃，角焊缝及熔敷焊缝如图1所示，焊缝高强度、高韧性，同时提高焊缝的淬透性和马化学成分及力学性能如表2~4所示。氏体的回火稳定性，推迟珠光体和贝氏体的转2.2 斜Y裂纹试验
变，使得产生马氏体临界冷却速率降低。 试验按照GB4675.1-89进行，试板规格75mm 1.2.3 辅加元素Al、Mg、Ti等，既可以产生沉×100mm×30mm，装配后坡口角度60°，间隙淀强化，还可以细化晶粒，从而提高韧性。2.0±0.2mm，焊接后放置48h进行表面着色探伤1.2.4 加入微量稀土元素，可以脱硫，净化焊和刨面裂纹检测，试验如图2所示。结果发现无缝，同时改善夹杂物的形态与分布，从而改善论是表面还是断面均未发现有裂纹出现，说明力学性能和工艺性能。
在强拘束试验条件下，该焊丝具有良好的抗冷
裂纹能力。
现代焊接 2016年第10期 总第166期 J- 45
W
elding Applications
应用广角
12001000抗拉强度/MPa8006004002000123440.243.248.645.31000996982952150125冲击功/J冲击功100抗拉强度755025组别
图2 斜Y裂纹试验图3 热输入及道温对力学性能的影响
表5 熔敷金属焊接条件
组别1234
电流（A）
240240240260
电压（V）
28262828
焊接速度/（mm/min）
400300300300
道间温度（℃）
100150150200
线能量/（kJ/mm）
1.011.251.341.46
2.3 不同线能量与道间温度时力学性能 焊缝力学性能受热输入量及道温的影响，为了评估焊材在热输入变化时的稳定性，进行了4组不同焊接条件下熔敷试验，试验规范如表5所示。试验结果表明，当线能量从1.01 kJ/mm 增加到1.46kJ/mm时，抗拉强度在952~1000MPa 之间变化较小，冲击韧性在40.2~57.3J变化（见图3），说明该金属粉芯型药芯焊丝在热输入量发生波动时比较稳定。研究表明，线能量较低时，焊缝组织主要为细针状铁素体组织，随着线能量增大，开始逐渐有贝氏体出现，这也是冲击韧性下降的原因。综合分析焊材性能稳定，推荐使用第3组参数作为焊接参数，性能更优。
冲击磨损部位，如工程机械、核动力装置及航海、航天装备上。
4 结束语
4.1 通过对焊渣的合理设计实现硅渣的利用，使少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置，其余位置实现完全无渣，焊渣松脆，轻触即脱，防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦，实现对硅渣的有效利用。
4.2 采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V合金体系以及微合金化设计，实现该焊丝的高强、高韧性。4.3 本文所设计高强高韧性的金属粉芯型药芯焊丝，强度级别在800~1000MPa，具有良好的力学性能和低温抗裂性能，完全满足该强度级别钢材的配套使用。
3 应用领域
该焊丝系列化后可用于800~1000MPa级高强钢的焊接，如我国已经先后开发出14MnMoNbB、HQ80和HQ80C等抗拉强度800MPa的低合金调质钢，配套该级别金属粉型药芯焊丝，可广泛应用于工程机械、矿山机械的制造中，如推土机、工程起重机、重型汽车和牙轮钻机等[4-5]。此外更高强度级别低合金调质钢，如HQ100焊接时需要高强度、良好的低温冲击韧性和抗裂性能，配套该焊丝主要应用于高强度焊接结构要求承受
参考文献
[1] 王勇.低合金调质高强钢焊接工艺研究进展[J].应用能源技术, 2009,(8): 11~13.
[2] 李扬,刘汉武,杜云,等. 汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向[J]. 材料导报,2011,25(13): 101~104.
[3] 杨祥海.金属粉型药芯焊丝焊接技术[J].应用能源技术, 2009, (8): 11~13.
[4] 罗永峰,王熹宇,张旭红,等. 高强钢在工程结构中的应用进展[J]. 天津大学学报,2015,(B07):134~141.
[5] 许红,李亚江,马群双. 980MPa级高强钢焊接性研究现状[J].现代焊接, 2012,(4):5~7.
J- 46 现代焊接 2016年第10期 总第166期
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容