高效-高韌-低氫埋弧焊劑TMF105的開發

■ 張 智，齊書梅，李 磊，孟憲群

1.概述

埋弧焊作為高效自動化焊接技術，在裝備制造業中應用廣泛，產量已過40萬t，占焊材總量10%～12%。近年來埋弧焊材的發展方向是適應母材的高強、高韌、大板厚以及高效自動化焊接。伊薩公司在2013年和2017年連續兩屆德國焊接展上，都將高堿度的燒結焊劑 OK 10.62作為焊材類的核心產品，技術改進方向從注重焊縫金屬的高韌性、低氫到提高根部焊道的脫渣性。美國林肯公司用于螺旋焊管的SPX80TM焊劑吸潮率極低，可將焊縫金屬擴散氫含量控制在3mL/100g以內。日本神鋼公司著力發展粘接焊劑，在焊劑中采用碳酸鹽降氫技術，使擴散氫[H]≤2mL/100g，在C-Si-Mn系焊縫金屬中運用Ti-B微合金韌化技術，提高材料的低溫韌性，使KV(-60℃)≥160J。關于國產焊劑方面的技術進步鮮有報道，在高端行業領域國產焊劑的相關應用也相對較少，主要依賴進口。因此，高效高強低氫埋弧焊劑的成功開發將打破國外壟斷，實現高端焊材國產化。

2.高效高韌低氫埋弧焊劑的開發

埋弧焊施工中的主要缺陷是多層焊焊縫中的冷裂紋以及焊縫熱裂紋。其他焊接缺陷還包括：焊縫成形不良、氣孔、大熱輸入焊接接頭韌性不穩定等。因此，在正確選擇合金系的基礎上，要嚴格控制原輔料的雜質含量使焊縫金屬潔凈化，同時通過對焊劑堿度的最優調整，實現最佳的強韌性配合。

表1 焊劑化學成分（質量分數） （%）

開發的氟堿性高堿度燒結焊劑TMF105的主要成分如表1所示，焊劑堿度為2.7，產品特點：① 焊道成形美觀，抗氣孔性強，脫渣性良好。②可用于DC+和AC焊接。③可用于單絲和多絲焊接。④可配合不同級別的焊絲，焊接多種高強度結構鋼。

使用焊劑TMF105配合EH14、EM12K埋弧焊絲進行焊接（見附圖），焊接工藝性能良好。測得的熔敷金屬化學成分和力學性能如表2和表3所示，熔敷金屬化學成分滿足要求，力學性能優異，尤其是低溫（-60℃）沖擊值高。

使用焊劑TMF105配合無縫埋弧藥芯焊絲TMF690SF（符合標準：AWS A5.23 F11A8-EC-G）進行焊接。測得的熔敷金屬化學成分和力學性能如表4和表5所示，擴散氫含量為3.80mL/100g，滿足海工自升式平臺齒條鋼焊接對焊材高強、高韌、低氫的要求。

3.高效高韌低氫埋弧焊劑的應用

開發的TMF105焊劑的典型應用是風電塔筒的焊接，塔筒作為海上風電的重要裝備，要承受鹽霧腐蝕、海浪和海冰沖撞、臺風破壞的惡劣環境影響。塔筒結構的安全性至關重要，目前，塔筒材料多采用S355NL，板厚達80mm，要求焊接接頭具有高韌性KV（-50℃）≥47J，這對于埋弧焊材的選擇提出了嚴峻的挑戰，要求滿足高韌性和高抗裂性。國外公司已推出適用于海上風電塔筒的埋弧焊材，國產埋弧焊材尚難以滿足結構要求。

選用TM12K（EM12K）埋弧焊絲配TMF105焊劑進行單絲和雙絲埋弧焊接，試驗母材為S355NL，板厚25mm，試板開V形坡口。焊接參數和試驗結果如表6和表7所示。由試驗結果可以看出，本產品的技術條件完全滿足海上風電塔筒的焊接要求，同時采用雙絲埋弧焊可大大提高焊接效率，產品推向市場將助力我國海上風電產業的發展。

表2 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表3 熔敷金屬力學性能

表4 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表5 熔敷金屬力學性能

表6 焊接參數

表7 對接接頭力學性能

4.結語

開發了一種氟堿性高堿度燒結焊劑TMF105，焊接工藝性能好，焊道成形美觀，抗氣孔性強，脫渣性良好，可用于單絲和多絲焊接，配合不同級別的焊絲，可焊接多種高強度結構鋼。高效高強低氫埋弧焊劑TMF105的成功開發有助于我國擺脫高端焊材產品長期依賴外國的不利局面，實現高端焊材國產化。