焊丝钢ER70S_6化学成分的优化

作者简介:徐云龙(1982-),男,江苏沙钢集团有限公司总工办,硕士,从事炼钢质量管理工作。

焊丝钢ER70S 6化学成分的优化徐云龙,王志褔(江苏沙钢集团有限公司总工办,江苏张家港215625)摘 要:介绍了江苏沙钢集团有限公司ER 70S 6焊丝钢盘条的试生产情况,通过采取控制化学成分,添加钛元素等措施,改善了ER 70S 6焊丝钢盘条的综合性能,基本解决了严重影响焊丝焊接质量的问题。

关键词:焊丝钢;成分优化;焊接质量中图分类号:T F 762 文献标识码:B 文章编号:1002 1043(2010)06 0006 04Chemical composition optimization of ER 70S 6welding wire steelXU Yun long,WANG Zhi fu(Chief Eng ineer Office,Jiang su Sha steel Co.,Ltd.,Zhang jiagang 215625,China )Abstract:The present paper introduces the tr ial productio n of ER 70S 6w elding w ire steel in Sha steel.By w ays o f contr olling chemical components and adding Ti the combi natio n pro perties and quality of w elding w ire steel r od are improved and some pro blems severely affecting the w elding quality of w elding w ire solv ed as w ell.Key words:w elding w ire steel;optim ization o f chemical com position;w elding quality 近年来,随着我国气体保护焊技术的快速发展,气体保护焊丝的用量逐年增加。

美国焊接协会牌号ER 70S 6是气体保护焊丝钢中最常见品种,该焊丝在焊接时具有较好的电弧稳定性和较高的焊缝性能,因此广泛应用于压力容器、电力、汽车以及各类机械制造业。

为适应市场需求,江苏沙钢集团有限公司(简称沙钢)于2009年9月份进行了ER 70S 6焊丝钢盘条开发。

但在试制初期,存在盘条成分波动大、氧氮含量高的问题。

据焊丝生产厂家反映,沙钢焊丝钢盘条强度波动大,拉拔性能不一致;制成焊丝后在焊接过程中出现大颗粒飞溅物,造成焊缝区清理困难,而且存在焊缝强度偏低的问题。

针对上述问题,沙钢通过优化钢种化学成分,严格控制有害元素及气体含量,显著提高了ER 70S 6盘条质量,基本解决了影响下游用户使用的焊接质量问题。

1 工艺流程ER 70S 6焊丝钢生产工艺流程为:45t 顶底复吹转炉冶炼 钢包底吹氩搅拌 LF 精炼 140m m 140m m 方坯连铸 高速线材轧机 5.5mm 盘条。

2 化学成分优化ER 70S 6焊丝钢盘条是深加工用钢,盘条在生产过程中要经过多道次拉拔,冷加工变形量大,因此对盘条的冷变形能力提出了相当高的要求。

同时,要求生产出的焊丝焊接过程飞溅少,焊缝质量符合要求,焊缝平滑美观。

美国焊接协会AW SA 5.18!1979∀气体保护焊碳钢焊丝规程#和GB/T 8110!2008∀气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝#规定的化学成分范围大,如果按其组织生产,盘条的碳、硅、锰含量波动较大,会造成盘条拉拔性能不一致,影响下游焊丝厂家生产工艺,而且碳、锰含量高会恶化焊接性能;氮、氧气体元素含量偏高时,会引起焊接飞溅,磷、硫元素会降低焊缝强度。

因此,需要在符合标准的前提下对ER 70S 6焊丝钢盘条的化学成分进行合理的优化,从而制定出符合沙钢实际情况的内控标准。

2.1 碳、锰、硅含量的控制碳是钢中对强度贡献最大的元素,要保证焊∃6∃ 2010年 12月 第26卷第6期炼 钢Steelm akingDec.2010V ol.26 No.6缝强度符合要求,必须在焊丝中添加一定含量的碳元素,但是碳含量过高会降低钢的焊接性能和塑性,使冷加工性能变差。

钢中锰、硅质量分数大于0.8%时,会引起断面收缩率和延伸率降低,使钢的冷加工性能变差,对拉拔不利[1]。

因此,为保证ER70S 6焊丝钢盘条冷加工性能(拉拔性能),碳、锰、硅含量应按下限控制。

2.2 添加微量钛元素钛是强脱氧元素,炼钢过程中加入适量钛可降低盘条氧含量,还可在焊接过程中改善因焊丝氧含量高而产生的飞溅现象。

一些研究表明,焊缝中含有的钛可形成大量弥散分布的细小TiN或TiO2质点,这些质点可以作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核核心,促使焊缝中形成大量细针状铁素体,针状铁素体是焊缝中希望得到的纤维组织,针状铁素体越多、越细小,焊缝的强度越高[2 5]。

为解决该厂焊丝钢盘条存在的氧含量偏高,焊接性能差等问题,在查阅大量文献后,决定将盘条中钛质量分数控制在0.008%~0.025%。

2.3 降低磷、硫含量对绝大多数钢种来说,磷、硫是有害元素,现代钢铁材料的发展趋势是尽量降低钢中磷、硫含量。

磷、硫在钢中是严重偏析元素,磷影响钢的塑性和焊接性能,钢中硫化物夹杂恶化钢材的性能。

根据沙钢实际情况,磷、硫质量分数控制在0.020%以下,在实际生产中尽量降低磷、硫含量。

综合以上分析,在满足AWSA5.18!1979和GB/T8110!2008标准的基础上,根据用户要求,结合沙钢的实际情况,制订了企业内控标准(见表1)。

3 实物质量分析3.1 检验结果2010年5月下旬,沙钢按上述成分组织生产了一批ER70S 6焊丝钢盘条,其化学成分见表2。

表1 ER70S 6焊丝钢盘条化学成分要求要求w B/%C Si M n T i P S标准0.06~0.150.80~1.151.40~1.85-%0.025%0.025内控0.06~0.090.80~0.901.45~1.550.008~0.025%0.020%0.015目标0.070.851.500.012--表2 ER70S 6焊丝钢盘条成品化学成分项目w B/%C Si M n T i P S Ca N O平均值0.0720.8591.4840.0100.0130.00100.0100.004010.00296最小值0.0600.8201.4300.0020.0070.00050.0050.003070.00142最大值0.0900.9001.5500.0230.0190.00130.0160.005430.00426从表2可知,盘条成品成分能达到内控标准要求,碳、硅、锰控制非常好,均按照工艺下限控制。

制定内控标准后,盘条成品氮、氧平均质量分数分别由原来的42.310-6、38.610-6降低到现在的40.110-6和29.610-6,控制水平较好。

3.2 用户使用效果将成分优化后生产的盘条发往用户试用,某用户使用沙钢生产的ER70S 6盘条加工成 0.8 m m焊丝,进行试板焊接及工艺评定,发现沙钢焊丝钢盘条生产的焊丝焊接飞溅量少,焊缝平整,焊缝机械性能合格,完全能满足用户使用要求。

4 钛元素作用机理探讨4.1 减少焊接飞溅1)焊接飞溅冶金因素分析。

在焊接过程中,大部分焊丝熔化金属可以过渡到熔池,有一部分焊丝熔化金属(也包括少量的熔池金属)飞到熔池以外的地方,这种现象称作为焊接飞溅。

焊接飞溅造成焊接材料的损失,恶化操作环境,增加焊接清理工序,严重时对电弧稳定性及焊接过程构成影响。

冶金因素和焊接工艺都可能造成焊接飞溅,下面仅从冶金因素角度分析飞溅产生机理。

CO2气体在电弧高温下可按下式分解:2CO2=2CO+O2(1)∃7∃第6期徐云龙,等:焊丝钢ER70S 6化学成分的优化分解度与温度有关,在焊接过程中的非平衡状态下,电弧气氛中同时含有CO2、CO和O2,在高温下O2进一步分解为氧原子:O2=2O(2)所以CO2气体在高温时有强烈的氧化性。

CO2与液态铁的反应和平衡常数如下:CO2+[Fe]=CO+[FeO](3)lg K=-11576/T+6.855(4)当温度升高时,上述反应的平衡常数增大,反应向右进行,促使Fe氧化。

这表明,用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入,而不能防止金属的氧化。

溶入熔滴中的FeO与焊缝中的碳元素作用产生的CO气体,见式(5),在电弧高温下急剧膨胀,使熔滴爆破而导致金属飞溅,焊缝中的其它合金元素在高温下也同样发生氧化反应,使合金元素烧损与金属飞溅。

FeO+C=Fe+CO(5)2)Ti的脱氧作用。

从上面分析可以看出,要减少冶金因素导致的飞溅,就要减少被焊金属的氧化和从液态金属中排除氧,即在焊缝中添加脱氧元素。

主要措施是在焊丝中加入合适的元素和铁合金,使之在焊接过程中夺取氧。

选择脱氧剂应遵循以下原则:(1)脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大。

焊接铁基合金时, Al、Ti、Si、M n等可作为脱氧剂,在其它条件相同的条件下,元素对氧的亲和力越大,脱氧能力越强。

Al是最强的脱氧剂之一,它可以很容易地使FeO脱氧,但是Al会降低焊缝金属的抗热裂能力。

Al还会在炼钢过程中形成A l2O3夹杂物,使连铸过程浇铸困难,Al2O3大尺寸夹杂物还会造成拉拔断丝。

T i也是强脱氧剂之一,除脱氧外它还可以在钢中起到细化晶粒的作用。

一般情况下T i在钢中加入量较少,生成的氧化物不会对连铸过程和拉拔造成影响。

(2)在满足脱氧要求的前提下,还要考虑脱氧剂的成本。

市场上FeTi30钛铁价格在10000元/t 左右,按钛目标质量分数0.012%、钛收得率为75%计算,每吨钢成本增加5.3元,可以接受。

通过上述分析,利用Ti进行脱氧是完全可行的,且成本低廉。

4.2 提高焊缝机械性能焊缝组织大体上由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和珠光体等组成。

先共析铁素体和侧板条铁素体强度高,但塑性和冲击韧性较低,抗裂性差。

针状铁素体组织是一种热力学非平衡组织,是焊缝金属中常见的组织,也是焊缝金属中希望得到的组织。

它既可增加焊缝强度,又可提高焊缝韧性,并具有优良的抗裂性能。

针状铁素体在奥氏体晶内生成,以非金属夹杂物为核心形核、长大。

焊缝中加入微量的Ti可形成细小且弥散分布的T iN、TiO、Ti2O3粒子,作为形核质点,有利于针状铁素体的形核。

日本学者将氧化物诱导铁素体形核的理论应用于钢铁材料的研究中,在第6届国际钢铁大会上提出了&氧化物冶金∋的概念[6 9],即控制氧化物的组成,使之细小、弥散,并成为异质形核核心,用以控制钢的性能。