李红卫（1.昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明6500932钢铁研究总院结构材料所，北京10008；3首钢技术研究院，北京100041）埋弧焊焊丝成分设计原则。对所研制的焊丝匹配烧结焊剂进行了熔敷金属的埋弧焊试验，测定了熔敷金属成分、冲击韧度、组织和强度。用扫描电镜分析了断口形貌和夹杂物组成。结果表明，所研制的焊丝在与两种不同的焊剂匹配时都能获得良好的熔敷金属力学性能，尤其是和较高碱度焊剂匹配时Rrn>500MPaReL>600MPaAkv（-20°C）>150熔敷金属组织主要是针状铁素体，少量的先共析铁素体。

　　0序言近40年来微合金钢得到了长足的发展，已广泛应用于石油、天然气管线钢、工程机械、船舶和桥梁。

　　随着结构件的大型化发展，对钢材的韧性提出了更高的要求。由于冶炼和轧制技术的发展，母材基本能满足性能要求，往往焊缝金属的低温韧性成为结构件使用的瓶颈，尤其是船用钢。所以对船用钢来说，在保证强度的前提下，提高焊缝金属的低温韧性是新研制焊丝的重点。过去关于管线钢的高低温韧性的埋弧焊焊丝研究较多，而对船用钢的焊丝研究较少。目前市场上存在的船用钢高低温韧性埋弧焊焊丝有两种情况：一种是低强度级别焊丝，屈服强度通常低于400MPa―种是高强度级别焊丝，低温韧性良好，但是含有高的锰、镍、钼元素，成本高，不适合中国的国情。从长远的发展来看，开发一种屈服强度大于400MPa级，易焊接、低成本、高低温韧性好的船用钢埋弧焊焊丝是必要的1121. 1焊丝的成分设计焊丝成分设计的指导思想是低碳、微合金化和少量稀土元素131.钛和硼作为微合金元素同时加入，钛能增加针状铁素体，减少先共析铁素体，但含硼量低时效果不明显。硼能偏析在晶界与N形成化合物，起固氮作用，提高焊缝韧性，但需在添加Ti的前提下，保证B不被氧化。Ti可与N形成TN颗粒，有效阻止晶粒长大。稀土元素铈的加入是为了细化和球化夹杂物，减少尺寸波动。微量的锆可固定焊缝金属中的N减轻N的有害作用，提高焊缝金属的韧性。加入Ni是为了提高低温韧性，加入少量的Cr是为了提高耐腐蚀性。降低CSP含量改善焊接性、韧性和抗蚀性。熔敷金属的技术指标440MPa550MPa根据上面的设计思想，作者设计了二系焊丝，一系是含Ni和Cr另一系是不含Ni和Cr的，主要是为了比较二系的区别。其中在Ni和Cr系中又设计了不同的含量，焊丝1为中Ni高Cr系；焊丝2为高Ni低Cr系；焊丝3低Ni中Cr系，旨在了解不同的Ni和Cr含量的影响。焊丝4为无Ni无Cr系，因为未加Ni和Cr所以适当提高了Mn和Mo来补偿强度，并加入了少量的Zr 2焊丝熔敷金属试验21试验设备埋弧焊焊接的设备采用美国生产的林肯DC-1000直流自动埋弧焊机；熔敷金属的化学成分采用光谱分析仪；冲击试验在BZ-300自动冲击试验机上按国家标准GB/T2650 -1989进行，冲击能量为300/150拉伸试验在AG-10CKNE（50kN）及UH-F50A（250kN）拉伸试验机上，按照国家标准GB/T2652-1989进行。

　　22试验材料埋弧焊丝采用自行研制的4种不同成分的焊号和2号焊剂。其化学成分见表：1焊接试板采用Q235 23试验方法试板焊接参照国家标准GB12470金钢埋弧焊用焊剂标准进行。先用四种焊丝匹配1号低碱度焊剂试验，再选用其中性能最好的2号和4号焊丝匹配2号较高碱度焊剂试验。焊接工艺参数为：层间温度135 24试验结果熔敷金属的化学成分和力学性能见表23编号11、21、31、41分别代表四种焊丝匹配1号焊剂；22和42分别代表2号和4号焊丝匹配2号焊剂。

　　表1焊剂化学成分（质量分数，）焊剂号含水量碱度表2熔敷金属的化学成分编号表3熔敷金属的力学性能和冲击韧度编号抗拉强度Rm下屈服强度R断后伸长率A（%）断面收缩率Z（%冲击吸收功Aw 3试验结果分析31熔敷金属的组织分析四种焊丝和两种焊剂匹配得到的组织都是针状铁素体（AF），先共析铁素体和极少量的侧板条铁素体。其典型组织见ab是最后焊道柱状晶组织。柱状晶界是先共析铁素体先共析铁素体的宽度在10m以下。且有些地方是不连续的，晶内是针状铁素体组织，针状铁素体的宽度在1~2Mm之间，柱状晶的宽度在150 m以下。c、d是后续焊道对前一焊道的热影响区，称为层间区。

　　由于后续焊道的热影响，柱状晶组织被打碎，先共析铁素体沿奥氏体晶界析出，晶内是针状铁素体和少量的块状铁素体晶粒的大小是不一样的。细小的晶粒是在柱状晶的晶界形成的，大晶粒是在晶内形成的。上述这种组织具有好的低温韧性。观察又发现所有的试验AF的比例都大于80%但不同的焊丝和不同的焊剂匹配时，得到的组织有区别。其中22和42的AF比例达到了90%以上，先共析铁素体也较少，这也说明了为什么22和42获得的冲击韧度是最好的。

　　熔敷金属的针状铁素体和先共析铁素体Fg1Acicularferriteandproeutecbd 32熔敷金属的化学成分表2是熔敷金属的化学成分。在文中试验条件下，含C量较焊丝略有降低，原因是和O反应生成了CO.但总体仍在0 005%~0008%之间。Mn变化不大，和较高碱度焊剂匹配时，Mn会升高，提高了过渡系数。尽管焊丝中的Si不高，但熔敷金属中S撮低达到了0.36%，最高达到了053%，分析认为是焊剂中的一部分SO2被还原进入了熔敷金属，所以焊丝中Si尽量控制低一些。焊丝中的SP都小于80X10-6，而焊缝中S基本不变，P升高，高P焊剂尤为明显，是因为焊剂中的CaO在高温下具有脱S的能九S的过渡系数低，而P不易去除，过渡系数高，所以焊剂中要严格控制P的含量。Ni和Cr出现了不同程度的降低，这是稀释和氧化的双重作用造成的。Mo―般不烧损，它的降低是稀释的结果。TiB、Ce和Zr都是易氧化和化兀素，回收率低。从试验的结果来看，焊剂通过影响化学成分，从而影响韧性。较高碱度的焊剂的熔敷金属锰高硅低，S、P含量也相对较低，因此韧性更高。

　　3合金元素对熔敷金属组织和性能的影响C是对强度贡献最大的元素，为了保证强度要求有一定的碳含量，但是对于焊接来说，过高的碳含量会增大冷裂倾向。所以对于韧性要求高的钢种要求焊丝的C含量低于010%.试验结果表明在一定的碳含量范围内，碳能促进针状铁素体的比例。Mn也是保证强度的重要元素之一。由于降低了焊丝的碳含量，为了保证强度，一定量的锰含量是必要的。从试验的结果发现，韧性最好的22和42的锰含量是最高的，分析认为一定量的锰含量能减少先共析铁素体和侧板条铁素体的析出，促进针状铁素体的生成。锰含量控制在14%左右是最佳的。

　　为了考察NiCrMo对熔敷金属的影响，所以在设计焊丝成分时，有意把NiCrMo控制在不同的水平。从试验的结果可知四种焊丝都取得了良好22和42效果最好，可见高Ni低Cr系，能获得良好的韧性，分析认为Ni减少了先共析铁素体，增加了针状铁素体。所以提高了韧性，一般说来焊态的Cr对韧性是有害的，应尽量控制低一些。4号丝为无Ni无Cr系，但提高了Mn和Mo的含量。同时加入了Zr同样获得了优良的韧性。有关研究表明ZrB能有效抑制晶粒的长大，Mo也能促进针状铁素体的析出，从而提高韧性。

　　4质量分数对强度、塑性和韧性的影响合金元素对熔敷金属强度的影响是十分复杂的，不仅要考虑各个元素对强度的影响，还要考虑各个元素之间的交互作用。在以前的C-Mn-Si钢中，此种交互作用相对来说较为简单，只要考虑C和MnSi的相互作用。随着钢铁材料的进一步发展，微合金化技术广泛应用于高强度低合金钢中。由于各种元素的交互作用，使得对强度影响尤为复杂，具体的机理正在研究中。可以用质量分数来描述合金元素总量，建立它与强度之间的关系。

　　是所研制的四种焊丝熔敷金属的质量分数与熔敷金属的抗拉强度和屈服强度的关系。从中可以看出，抗拉强度和屈服强度两条拟合直线的斜率基本是一致的，而且都是随着质量分数的增加而升高。

　　焊丝质量分数与熔敷金属塑性的关系见从图中可以看出随着质量分数的增加，熔敷金属的断后伸长率A和断面收缩率Z有轻微的减少，但不明显。这表明所设计的焊丝熔敷金属随着质量分数的增加，强度增加但塑性基本上不降低。

　　是质量分数和低温韧性的关系，可以看出在相同的温度条件下，随着质量分数的不同韧性出现了很大的差别。当采用1号焊剂时，质量分数先是升高，大于038%时，又是降低的。当采用2号焊剂时，熔敷金属的质量分数升高，对韧性影响不大，都表现出了良好的韧性。分析认为影响韧性的因素是多方面的，在其它条件相同的情况下，质量分数高则韧性会降低。不同的焊剂下韧性不一样，主要是不同焊剂影响了化学成分、夹杂物含量和分布、以及气体元素的含量。

　　质量分数质置分数，r/v荽眵稃桕免质量分数与冲击吸收功的关系Fg. 35熔敷金属断口分析质量分数（珍）N蛴荽艇K件本运冲击断口扫描图Fg是21号试样在-40°C的断口扫描图。a是典型的准解理断口形貌特征，如河流花样、扇形花样、解理台阶和撕裂棱等；在局部地方能看到存在一些延性脊，这些延性脊是由韧窝组成的，在冲断过程中能延缓裂纹的扩展，提高韧性。b为典型的韧窝特征，韧窝的底部发现了颗粒状质点，这些质点是在焊接过程中形成的各种氧化物、硫化物和碳氮化物，尺寸都较小，一般都是纳米级的。这些颗粒说明了延性韧窝的产生机理为微孔聚集型机理。能谱分析表明这些质点是MnTiAl和Si的氧化物和硫化物，尺寸为250nm左右。观察还发现，在试样11、21、31和41中，21的断口韧窝比例是最高的。-20°C时达到80%其余约60% 60%其余约45%同时也说明了试样21的韧脆转折温度在-40°C以下，其余在-40°C以上。准解理的形貌也是有区别的，其中21断口的准解理中的韧窝脊是最多的，也是最宽的，宽度约10m，其余的小于5m；21断口的解理刻面的尺寸也更小一些，也说明了有效晶粒尺寸小，在裂纹的扩展中能起到阻止的作用，所以韧性好。

　　4结不同的焊剂配合的熔敷金属屈服强度都大于500MPa抗拉强度除1号焊丝外都大于600MPa-40C的韧性都大于50组织为针状铁素体和先共析铁素体，具有良好的韧性。

　　焊丝和较高碱度焊剂匹配时，提高了锰的过渡系数，降低了硅的含量，提高了熔敷金属韧性。

　　断口韧窝产生机理为微孔聚集型，断口韧窝底部存在大量Mn、TiA和Si的氧化物，尺寸为250nm左右，这些夹杂物促进了针状铁素体的形成。