LPG船用低溫鋼配套藥芯焊絲的研制

王亞彬，聶建航，張文軍

洛陽雙瑞特種合金材料有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

近年來隨著經濟及工業的全面發展，我國對液化石油氣（LPG）等能源儲備的需求越來越明顯。由于這些能源的生產、儲備、運輸都采用液化方式，相關的儲存設備也在較低溫度下工作，這對LPG儲罐在低溫下的性能提出了較高的要求。國內各大鋼廠致力于LPG船用碳錳低溫鋼板的研發，改善了LPG船用低溫碳素鋼大量依賴日本進口的局面。在配套焊材方面目前我國主要依賴進口日本、韓國的焊材。而進口焊材成本高、生產周期長，在儲罐的建造上有受制于人的風險，因此LPG船用低溫鋼配套焊材的國產化具有重要意義[1]。

建造LPG船用低溫儲罐常用的焊接材料有焊條電弧焊、埋弧焊及氣體保護焊等。焊條電弧焊主要依賴手工焊，焊接效率低。埋弧焊適合的焊接位置較少，全位置焊接尤其是儲罐的縱縫焊接受到限制。而藥芯焊絲作為一種氣體保護焊，其自動化程度較高，焊接效率得到極大提高，且焊接工藝性較好的藥芯焊絲可適用全位置焊接。鑒于以上情況，我公司進行了E81T1-K2C藥芯焊絲的研制。

2 研制路線

2.1 焊絲的渣系設計

根據焊渣的酸堿度，藥芯焊絲可分為堿性（鈣型）藥芯焊絲、中性（鈣鈦型）藥芯焊絲、酸性（鈦型）藥芯焊絲。堿性渣系藥芯焊絲容易得到氧含量低的純凈焊縫，同時去S、P雜質的能力強，焊縫金屬力學性能優異，但焊接工藝性差。中性藥芯焊絲工藝性優于堿性藥芯焊絲，但仍不能滿足該藥芯焊絲全位置焊接的要求。氧化鈦型渣系熔渣流動性好，適合全位置焊接。

2.2 焊絲的工藝性改進

本次研究主要解決焊縫成形不良及焊接飛濺的問題。焊道成形凸起會導致根部熔合差，不能夠實現快速立向上焊，甚至導致焊道下淌。通過調節焊渣成分，減少焊渣中氧化鎂等高熔點物質以及硅酸鹽等低熔點物質，縮小焊渣的熔點區間。

電弧穩定性差、焊接飛濺較大的藥芯焊絲操作性較差，焊接過程中產生的飛濺導致焊接條件惡劣，引起導電嘴堵塞，影響焊接效率。本次研究通過控制原材料粒度、引入新型的穩弧劑以及調整合金及礦物粉的比例，解決了電弧穩定性及飛濺的問題。

2.3 力學性能調整

液化石油氣的主要成分丙烷的液化溫度在-42℃。寶鋼正在研制的用于配套LPG船用EH40鋼板在-60℃以下的沖擊吸收能量值比較穩定，表現出很好的低溫韌性。工程應用中要求LPG船用低溫鋼配套藥芯焊絲在-60℃具有較好的低溫韌性。本次研制從以下幾個方面來優化該焊絲的低溫韌性。

（1）合金系的選擇 該焊絲選擇Mn-Si-Ni作為主要合金系，通過Si、Mn等合金元素的固溶強化作用提高焊縫金屬的抗拉強度。Ni固溶在焊縫金屬中可有效降低組織相變溫度，減小針狀鐵素體尺寸，提高焊縫金屬低溫沖擊韌度。在焊縫金屬中Mn含量較低的情況下，添加適量的Ni可以減少馬奧組元（M-A）的產生。如果Mn含量較高時，增加的Ni反而容易促進M-A組元的產生，為了保證焊縫金屬的強韌性，需選擇合適的Mn含量與Ni含量。

（2）氧含量的控制 根據觀察焊縫的顯微組織，焊縫中的氧以氧化物夾雜的形式存在，焊縫中較多的氧化物夾渣不能夠促進晶粒細化，反而會成為裂紋的起點，從而引起韌性降低[2]。本次研究采用鎂粉及鋁鎂合金共同脫氧。Mg、Al作為前期脫氧劑，脫氧能力較強，通過對配方中鎂粉及鋁鎂合金的合理配比，能夠顯著降低焊縫中的氧含量。

（3）采用鈦-硼系增加韌性 研究表明，Ti可保護B不被氧化，由于B的原子半徑較小，可作為原子狀態偏聚于晶界，從而降低界面能，改善焊縫的低溫韌性[3]。

2.4 熔敷金屬擴散氫的控制

藥芯焊絲藥粉易吸潮的特點導致了高擴散氫。高擴散氫在焊縫中聚集形成冷裂紋、氫氣孔和白點等缺陷，在焊接生產中產生極大危害。本次研究對藥粉的含水量及吸潮性進行嚴格控制，同時對藥粉進行高溫燒結，將擴散氫控制在較低水平。

3 試驗結果及分析

3.1 焊接工藝性

對規格為φ1.2mm的藥芯焊絲進行了立向上焊角焊縫、平焊角焊縫，兩種位置的工藝性試驗。該焊絲的焊接電弧穩定，飛濺較小，角焊縫成形平整，如圖1所示。采用漢諾威分析儀對該藥芯焊絲進行焊接過程中的參數統計（見圖2），得知電弧電壓、焊接電流的波形密集，熔滴短路次數均勻，表明該焊接電弧穩定性較好。

圖1 焊縫成形

圖2 藥芯焊絲電弧電壓、焊接電流波形圖

3.2 力學性能

（1）熔敷金屬力學性能及化學成分 試板裝備及取樣位置按照GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》進行，沖擊試樣尺寸、加工要求及試驗方法按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》進行。焊接設備為松下KRⅡ-500CO2焊機，沖擊性能檢測在ZBC2302-B沖擊試驗機上進行。取熔敷金屬的橫截面做金相試樣，在全譜直讀等離子體發射光譜儀上做化學成分分析。

調整配方中Mn、Ni的配比，同時保證其他元素含量不變，得到的熔敷金屬化學成分及力學性能見表1及表2。第1組中，熔敷金屬的Mn、Ni含量均較高，生成M-A組元，焊縫的強度過高，沖擊下降；第2組的Mn含量較低，導致焊縫脫氧不足，沖擊吸收能量離散性較大。調整合理的熔敷金屬成分，在-60℃的低溫下得到比較優異的力學性能。

表1 熔敷金屬成分（質量分數） （%）

表2 熔敷金屬力學性能

（2）對接接頭力學性能 對接接頭是該藥芯焊絲的焊縫金屬在工程應用中的實際服役狀態，是工程中考核的要點。平對接及立對接的力學性能見表3。

表3 對接接頭力學性能

對該焊絲的平對接及立對接焊縫金屬進行系列溫度沖擊試驗，檢測結果見表4。沖擊溫度下降到-60℃以下時，該焊縫出現了韌脆轉變。

3.3 熔敷金屬的擴散氫

將藥粉中氟化鈉、金紅石、石英、氧化鋁、固體水玻璃等易吸潮的物質進行600℃、700℃、800℃高溫燒結后使用。不同的燒結溫度得到的藥芯焊絲的熔敷金屬擴散氫見表5。經過高溫燒結后得到的藥芯焊絲其熔敷金屬擴散氫有明顯下降。基于節省能耗考慮，選擇600℃作為藥粉的燒結溫度。

表4 對接接頭系列沖擊力學性能

表5 不同燒結溫度的擴散氫

3.4 焊縫金屬的金相組織

圖3為對接接頭的金相組織顯微。圖3a為熔合線處金相組織，左邊是鋼板，右邊是焊縫；圖3b為焊縫中心金相組織，由塊狀鐵素體、針狀鐵素體及少量的粒狀貝氏體組成。

圖3 對接接頭金相組織

4 結束語

經過對工藝性、力學性能及擴散氫的研制，該藥芯焊絲焊接工藝性良好，可滿足全位置焊接；低溫韌性優異，滿足-60℃要求的低溫韌性；且具有較低的擴散氫水平，因此該藥芯焊絲可滿足LPG船用低溫鋼配套焊接使用。