低合金耐腐蝕鋼用焊條的研制和選配

尹士科，王移山，田源

(1.中國鋼研科技集團有限公司，北京100081;2.天津中集集裝箱有限公司，天津300461)

1 概述

為了開發我國青海鹽湖中的鉀礦資源，在國家攻關項目中列入了低合金耐腐蝕鋼及其配套焊條的研制內容。由于鹽湖一帶的環境條件惡劣，腐蝕介質中有MgCl2、KCl和NaCl等，故要求采用耐腐蝕性優良的鋼種。國外在鹽田設備上使用的低合金耐腐蝕鋼以法國的APS鋼為代表，故我國也研制了與其成分相近的低合金耐腐蝕鋼，包括Cr2－Al和Cr4－Al兩個成分系列，鋼板的合金成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 試驗用鋼板的合金成分(質量分數，%)

表2 試驗用鋼板的力學性能要求

與鋼板相配套的焊條首先要滿足耐腐蝕性能的要求，在力學性能指標上也要與鋼板相接近，從施工上考慮還必須有良好的抗裂性能和焊接工藝性能。為此，開展了相關試驗工作。

2 焊縫化學成分對腐蝕性能的影響

化學成分的變化主要是改變Cr的含量，也作了Mo含量的稍許改動;另外，又選擇了一種奧氏體焊條，即18%Cr－8%Ni的A102焊條。試驗工作包括掛片腐蝕試驗和電化學腐蝕試驗，掛片腐蝕試驗又分為熔敷金屬掛片試驗和焊接接頭掛片試驗。

2.1 掛片腐蝕試驗

熔敷金屬的腐蝕試片尺寸是3 mm×25 mm×30 mm，腐蝕介質為:MgCl223.3%，KCl 3.3%，NaCl 2.3%，水71.1%。介質溫度35℃，采用動態腐蝕方式，總腐蝕時間796 h。不同熔敷成分的掛片腐蝕試驗結果見表3。焊接接頭的腐蝕試片尺寸是3 mm×30 mm×40 mm，其他腐蝕條件同熔敷金屬的腐蝕試驗，鋼板采用Cr4－Al鋼。不同成分的焊接接頭掛片腐蝕試驗結果見表4。

表3 不同成分的熔敷金屬掛片腐蝕結果

表4 不同成分的焊接接頭掛片腐蝕結果

由表3可以看出，隨著Cr量的增加，腐蝕率下降，抗腐蝕性能有所改善。但Cr含量超過3%以上時腐蝕率不穩定，原因待查。A102焊條的抗腐蝕性能明顯優于其它成分的焊縫。

由表4可以看出，采用Cr含量為0.63%的焊條焊接Cr4－Al系鋼之后，焊縫金屬的耐腐蝕性能明顯低于母材，致使焊縫的腐蝕深度達0.3 mm;采用Cr含量在3%以上的焊條焊接Cr4－Al系鋼時，焊縫金屬的腐蝕情況與母材相接近?？梢?，焊接Cr4－Al鋼時，焊縫中Cr的量不能低于3%。采用Cr含量為18%的A102焊條焊接Cr4－Al系鋼之后，焊縫金屬幾乎不被腐蝕，熱影響區和母材則腐蝕嚴重。其原因一是不銹鋼本身的抗腐蝕性優良，二是不銹鋼焊縫處于陰極，母材為陽極，陽極的腐蝕起到了保護陰極的作用。就掛片的試樣而言，母材所占的比例不大，容易被腐蝕;而在實際的焊接結構中，母材所占的比例是很大的，這時母材腐蝕情況要明顯減輕。

2.2 電化學腐蝕試驗

腐蝕介質與掛片試驗完全相同，采用美國進口的250A型腐蝕測定儀，掃描速度為100 mV/s，電化學腐蝕試驗結果如表5所示。

表5 電化學腐蝕試驗結果

由表5可以看出，隨著Cr含量的增加，腐蝕電位變正，腐蝕電阻增加，腐蝕電流下降，年腐蝕率也減少。另據測定，Cr4－Al系母材的腐蝕電位是－0.700 V，與含3%～5%Cr的熔敷金屬電位相接近。電化學腐蝕試驗也證明，焊縫中鉻的量不能低于3%。總的來看，焊接Cr4－Al鋼時，焊縫中Cr的量不能低于3%，而奧氏體型的A102焊條的抗腐蝕性最優良。

3 化學成分及熱處理對焊縫力學性能的影響

為了滿足焊縫金屬力學性能要求，對Cr含量不同的焊條進行了試驗，也采用A102焊條作了對比試驗。焊條直徑φ3.2 mm，焊接電流120 A，道間溫度120～130℃。各焊條的熔敷金屬的力學性能如表6所示。

由表6可以看出，Cr含量在3% ～4%的焊條，焊態下熔敷金屬的抗拉強度太高，遠高于對母材的強度指標要求(≥500 MPa);由于強度過高，韌性明顯下降，達不到50 J的指標要求;還因為焊縫強度高，進行彎曲試驗時焊縫基本不變形，使變形集中于熱影響區部位，故彎曲至90°左右時沿熔合線附近產生了開裂。為了改善焊縫的力學性能，將Cr含量約4%的焊接試板進行了回火處理，其加熱溫度和保溫時間參照鋼板的回火制度。經過熱處理后，焊縫的強度明顯下降，韌性大幅度提高，塑性也有所改善，這時的焊縫性能與鋼板性能已基本相當。采用A102焊條與Cr4－Al鋼板組合焊接后，焊縫強度不太高，塑、韌性都優良，接頭彎曲達到180°也不裂，滿足了力學性能相匹配的要求。Cr含量≤2%的焊條，雖然表現出了高的韌性水平，但是耐腐蝕性能達不到要求。

表6 熔敷金屬的力學性能

4 化學成分對抗裂性能的影響

采用了“鐵研式”裂紋試驗方法，焊條的烘干條件是350℃ ×1 h，焊條直徑3.2 mm，焊接電流約100 A，環境溫度14℃，不同成分的焊條及預熱溫度對裂紋的影響見表7。

抗裂性試驗結果表明，Cr含量超過3%的焊條抗裂性能是不好的，即使預熱到100℃仍然產生了嚴重的裂紋。要避免產生裂紋，必須采取更為嚴格的工藝措施，如提高預熱溫度、緩慢冷卻及進行后熱等。因為在這么高的Cr含量情況下，空冷后的焊縫組織仍是馬氏體，其抗裂性很差。然而，A102焊條表現出了優良的抗裂紋能力，即使在較低的環境溫度不預熱也可以避免裂紋，有利于保證焊接質量，也給焊接施工提供了方便。A102焊條的焊縫是奧氏體組織，它可以容納大量的擴散氫，既可避免焊縫中出現裂紋，又可減少進入熱影響區的擴散氫量，還能緩解熱影響區的應力，對避免出現熱影響區裂紋起到了有利的作用。針對這幾種成分的焊條進行了多方面的性能試驗后，發現了各有利弊之處，如表8所示。

表7 不同成分的焊條及預熱溫度對裂紋情況的影響

表8 幾種成分焊條的綜合性能對比

由表8可知，Cr＜1.6%的焊條耐腐蝕性不過關;3%＜Cr＜5%的焊條力學性能和抗裂性能差，即使通過回火處理改善了力學性能，在施工上也很難解決裂紋問題;只有A102焊條，從保證抗腐蝕性能、接頭力學性能和方便施工等幾個方面看，具有綜合優勢，因此最終選定A102焊條作為Cr4－Al系低合金耐腐蝕鋼用的配套焊條。為了降低焊條的成本，采用低碳鋼焊芯、通過藥皮過渡合金元素的方式進行合金化，進而開發出了A102T焊條。它不僅滿足了上列各項性能的要求，而且解決了不銹鋼焊條的藥皮發紅、開裂問題，另外，它可以使用較大的焊接電流，提高了焊接生產率。新研制的A102T焊條具有良好的焊接工藝性能，電弧穩定性好，飛濺不大，脫渣容易，適于交、直流兩種電源。根據青海送變電公司的訂貨要求，試生產了一噸多焊條，并已成功地應用于青海省內的輸電線路工程上。試生產焊條的熔敷金屬合金成分和力學性能如表9所示。

表9 試生產焊條的熔敷金屬合金成分和力學性能

5 結論

(1)掛片腐蝕試驗與電化學腐蝕試驗表明，焊接Cr4－Al鋼時，焊縫中Cr的量不能低于3%，而奧氏體型的A102焊條具有最優良的抗腐蝕性。

(2)Cr含量在3% ～4%的焊條，焊態下熔敷金屬的抗拉強度太高，塑、韌性明顯下降，接頭彎曲試驗不合格。A102焊條的焊縫強度不高，塑、韌性優良，彎曲試驗180°合格。

(3)鐵研式裂紋試驗結果表明，Cr含量超過3%的焊條抗裂性能不好，即使預熱到100℃ 仍產生了嚴重裂紋。而A102焊條表現出了優良的抗裂紋能力，不預熱也不產生裂紋。

(4)為了降低焊條的成本，采用低碳鋼焊芯、通過藥皮過渡合金元素，開發出了A102T焊條，已成功地應用到相關的輸電線路工程上。