960MPa高强钢金属粉芯型药芯焊丝及焊缝金属强韧化机理研究

960MPa高强钢金属粉芯型药芯焊丝及焊缝金属强韧化机理研究低合金高强钢因具有强度高、塑韧性好等优点而广泛的应用在压力容器、桥梁、海洋平台等重要的钢结构构件中。

尤其是近些年来,随着管道运输、矿山机械、工程机械承受的载荷越来越大,对这类钢的需求量越来越多。

其中,Q960钢是在普通低碳钢的基础上,通过加入适量的合金元素,经过调
质处理而得到的高强钢。

但这类钢材因加入的合金元素具有较强的淬硬性,因而焊后易出现冷裂纹、热影响区脆化和软化等问题,尤其是低温冲击韧性达不到要求而限制了其在更大的范围内推广使用。

金属粉芯型药芯焊丝具有低渣或无渣、操作性好、扩散氢含量低、熔敷效率高、飞溅少、烟尘小、焊缝成形好等一系列优点,尤其是粉体配制简单容易,合金元素过渡系数高使其非常适合于低合金高强钢的焊接。

本文从焊缝冶金化处理的角度出发,以改善低合金高强钢焊缝金属低温冲击性能为目标,通过加入锰、钼、铬、镍、钛、硼、铝等合金元素研制了一种与960MPa高强钢相匹配的金属粉芯型药芯焊丝,并对各合金元素的强韧化机理进行了研究。

采用钨极氩弧焊方法进行焊接,通过药粉填充率试验、硬度试验和冲击试验,结合金相组织观察等手段,确定了金属粉芯型药芯焊丝的制备工艺,确定了焊接时所需的工艺参数。

试验用药芯焊丝采用钢带成形法制作,直径为1.6 mm,药粉填充率为16%,焊接时保护气体为纯Ar气体。

在分析焊缝金属中各合金元素作用基础上,确定了Mn、Mo和Cr作为金属粉芯型药芯焊丝的主要合金元素,选择Ni、Nb、Ti、B和Al作为微量合金元素进行调节。

通过对焊缝金属化学成分测量,确定了各合金元素的过渡系数为:Mn
53%⁶0%;Mo25%³0%;Cr 39%⁴2%;Ni
40%⁴8%;Nb 46%⁴9%;Ti 37%⁴1%;B
96%⁹8%;V50%⁶4%;Al 25%³5%。

通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验,结合化学成分分析、金相分析、扫描电镜和透射电镜观察等,分别对Mn、Mo和Cr三种主要合金元素单因素变化对焊接接头强度和焊缝金属冲击功影响规律和作用机理进行了研究和探索,最终确定最佳的加入量为Mn在1.0%¹.5%之间,Mo在1.0%².0%之间,Cr在0.6%¹.2%之间。

采用L₉（3⁴）正交表对Mn、Mo和Cr三种主要合金元素进行正交试验设计,通过拉伸试验、冲击试验等方法从焊接接头强度和焊缝金属冲击功等角度对三种主要合金元素的贡
献效果进行了研究,并确定了焊缝金属最优合金元素成分配比为1.2%Mn、1.5%Mo 和0.9%Cr。

通过试焊和力学性能测试,其抗拉强度为1020 MPa,-60℃冲击功平均值为
55J。

通过硬度试验、拉伸试验和不同温度下冲击试验研究了焊缝金属中微量Ni、Nb、Ti、B和Al元素含量的变化对焊缝金属力学性能的影响,并结合金相分析、扫描电镜分析、透射电镜分析和XRD等检测手段探索了微量合金元素的影响机理。

研究结果表明:（1）随着焊缝金属中Ni元素含量增加,焊缝金属冲击功在各试验温度下均呈现出先增大后降低的趋势,其最佳含Ni量为1.22%,-60℃焊缝冲击功为57.9J,这主要与Ni元素具有降低奥氏体向铁素体转变温度,增加层错能,促进位错交滑移,提高裂纹扩展消耗功有关。

（2）随焊缝金属中Nb元素含量增加,接头抗拉强度增大,各试验温度下焊缝冲击功先增大后降低,最佳Nb元素含量为0.051%。

焊缝金属中Nb元素起到细化晶粒和沉淀强化作用,Nb元素通过对晶粒的拖
曳作用和析出相NbC的钉扎作用实现对焊缝金属晶粒细化的目的。

（3）随焊缝金属中B元素含量增加,焊缝金属冲击功先增大后降低,最佳加入量为0.005%,这与焊缝金属中针状铁素体增多有关。

焊缝金属晶界处自由状态的B元素可抑制先共析铁素体的析出,有利于晶内针状铁素体形核。

但焊缝金属中B元素的加入量受到含N量和Ti元素加入量的影响,经试验确定最佳的B/N比值在0.05⁰.08之间,当Ti元素含量为0.43%时,可通过在焊缝金属晶界中形成Mn₂TiO₄氧化物而有利于针状铁素体形核。

（4）焊缝金属中Al元素具有脱氧脱氮,净化焊缝的作用。

当Al元素含量低时,焊缝金属主要形成Al₂O₃,增加针状铁素体形核质
点而有利于针状铁素体形核;当Al元素含量高时,主要形成AlN,可作为裂纹源,最佳的Al元素含量为0.21%左右。

针对960MPa级别高强钢研制了以Mn、Mo、Cr为主要合金元素,以Ni、Nb、Ti、B、Al等为微量合金元素的金属粉芯型药芯焊丝。

各合金元素优化配比后经钨极氩弧焊接,焊接接头抗拉强度最大值为1016MPa,-60℃焊缝金属冲击功最大值为120J,达到并超过了国外同类产品,填补了我国该类焊材的空白。