脱氧剂对电焊条熔敷金属力学性能的影响_孔红雨
文章编号:1003-1545(2007)05-0007-04
脱氧剂对电焊条熔敷金属力学性能的影响
孔红雨,周 浩,易传宝
(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039)
摘 要:向焊条药皮中添加不同比例的脱氧剂金属锰和钛铁获得4种电焊条,通过焊条熔敷金属化学成分分析、力学性能试验及金相试验,研究了金属锰、钛铁作为脱氧剂对电焊条熔敷金属力学性能的影响。结果表明,随着药皮中金属锰含量的增加,焊条熔敷金属拉伸强度升高,冲击韧性出现峰值;随着钛铁含量增加,焊条熔敷金属拉伸强度升高,冲击韧性提高。
关键词:脱氧剂;金属锰;钛铁;熔敷金属;力学性能中图分类号:TG422.3 文献标识码:A
电焊条脱氧剂通常加入到焊条药皮中,焊接时随药皮熔化进入熔渣,通过熔渣和熔化金属间(包括熔滴和熔池阶段)进行一系列脱氧反应,从而达到脱氧的目的。一般来讲,只要对氧的亲和力大于
铁对氧的,均可作为脱氧剂使用。对于电焊条来说,由于焊接冶金的特点,还要求脱氧产物稳定且易于上浮进入熔渣,不易形成夹杂。常用的脱氧剂有锰、硅、钛、铝、碳和稀土等,多以铁合金或纯金属粉末形式加入。这些脱氧剂的加入,除因脱氧作用而改善焊缝金属力学性能外,另一重要作用为过渡到焊缝中,对焊缝金属力学性能产生极大影响。本文通过研究金属锰和钛铁在药皮中的作用来研究高强钢焊条焊缝金属力学性能的改善途径,以期为高强钢焊条力学性能改善提供参考依据。
[1]
表2 试验用脱氧剂化学成分(w)
脱氧剂
Mn
Ti
S
P
Si0.01
3.86
C0.04
0.06
金属锰99.80/0.0200.004
钛铁/31.590.0180.035
%
Al/
6.70
试验焊条采用碱性低氢型药皮,通过向焊条药皮中添加不同比例的金属锰、钛铁来获得4种试验焊条,各试验焊条药皮中脱氧剂含量见表3。
1.2 熔敷金属试板焊接
采用所压涂的4种焊条各焊制熔敷金属试板1付,每付试板均焊接7层15道,焊条使用前经450℃烘焙保温3h,随炉冷至100℃待用,焊接参数见表4。焊接试板采用590MPa级12Ni3CrMoV高强度高韧性结构钢,板厚20mm,试板坡口及装配如图1所示。
表3 试验焊条药皮中脱氧剂含量(w)%
焊条编号
1234
金属锰1.05.03.01.0
钛铁8.0
8.09.010.0
1 试验
1.1 电焊条
试验焊条以Rp0.590MPa级碱性高强度高2≥韧性焊条为基础,焊芯采用直径4.0mm的04Ni3MnMoTiA钢丝,其化学成分见表1。焊条药皮中添加的脱氧剂金属锰和钛铁为市售原料,其化学成分见表2。
表1 试验用焊芯化学成分(w)
C0.02
Si0.12
Mn
S
P
Ni
Cr0.22
Mo
Ti
表4 熔敷金属试板焊接参数
道间温度/℃50～80
电流/A165～175
电压/V24～28
速度16～17
线能量14～18
/cm·min-1/kJ·cm-1
%
Cu
1.3 熔敷金属化学成分分析
分别从所焊制的4付熔敷金属试板上取焊缝
金属化学分析试样。
1.360.0050.0152.540.240.0580.12
1.5 熔敷金属金相试验
熔敷金属金相试样沿垂直焊缝轴线方向截取,取样位置如图1a)中所示。试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后通过OLYMPUSGX71型金相显微镜观察。
2 结果
2.1 熔敷金属化学成分
各焊条熔敷金属化学分析结果列于表5。可以看出,除因脱氧剂的加入而影响到Si、Mn、Ti、O元素的含量外,其它合金元素则基本一致。2.2 熔敷金属力学性能
图1 试板坡吸装配方意图
A-试样位置及试板尺寸;B-冲击试样位置;C-拉伸试样位置
4种试验焊条熔敷金属拉伸试验结果见图2,-50℃夏比冲击试验结果见图3。其中药皮中含1%(w,下同)金属锰和8%钛铁的焊条,其熔敷金属屈服强度低于该种焊条的指标要求(屈服强度590～745MPa);药皮中含5%金属锰和8%钛铁的焊条,其熔敷金属屈服强度为该焊条指标要求上限值。图3中冲击功值为3个试样平均值。
%
Mo0.240.240.240.24
Ti
0.0120.0200.0220.016
Cu
0.110.110.110.11
O
0.0400.0310.0320.
028
1.4 熔敷金属力学性能试验
对所焊制的4付熔敷金属试板,参照GB/T5118-1995《低合金钢焊条》分别进行 10mm焊缝金属纵向拉伸试验和-50℃焊缝金属V型缺
口冲击试验,取样部位如图1b),c)所示。
编号
1234
C0.040.050.060.05
Si
0.200.270.330.39
Mn
0.911.791.411.06
S
0.0050.0040.0050.005
P
0.0150.0160.0160.017
表5 熔敷金属化学成分(w)
Ni
2.482.452.452.45
Cr
0.250.240.240.24
2.3 熔敷金属金相组织
熔敷金属金相组织如图4。结果显示,各试
样组织均包含针状铁素体、粒状贝氏体和先共析铁素体,但各自所占比例有所不同。
3 讨论
图2
不同脱氧剂含量对焊缝金属强度的影响
3.1 金属锰的影响
从表5看出,保持焊条药皮中脱氧剂钛铁含量不变,随着药皮中金属锰含量的增加,熔敷金属中锰元素含量也随之增加,其中2号、3号试样锰元素含量已超出该焊条指标要求的上限值(锰含量最大值为1.2%)。同时随着药皮中金属锰含量的增加,焊缝金属中硅、钛含量也有一定程度的增加。
图3 不同脱氧剂含量对焊缝金属韧性的影响
从图2中熔敷金属拉伸试验结果可以看出,
第22卷第5期 孔红雨等:脱氧剂对电焊条熔敷金属力学性能的影响 ·9·
a)1%Mn+8%Fe-
Tib)5%Mn+8%Fe-
Ti
c)3%Mn+9%Fe-
Ti
图4 熔敷金属金相组织
d)1%Mn+10%Fe-Ti
加,焊缝金属中锰元素含量增加,由于锰元素在钢中有较强的固溶强化作用[2],使得焊缝金属强度提高。文献[3]认为,在一定范围内,随锰元素含量增加,焊缝金属中的针状铁素体增加,先共析铁素体减少,组织细化,焊缝金属强度得以提高,这与图4中熔敷金属金相组织观察结果相一致。其中图4b)所代表的2号熔敷金属中锰元素含量为1.79%,组织最细小;而图4a)所代表的1号熔敷金属中锰元素含量为0.91%,相比之下组织最为粗大。由于金属锰的脱氧作用,可使硅元素的过渡系数增加,焊缝金属中硅元素含量增加,由于硅元素在钢中起到固溶强化作用[2],也使焊缝金属强度有一定提高。
图3为不同脱氧剂金属锰含量时焊条熔敷金属低温冲击韧性。结合表5熔敷金属化学成分可以看出,当熔敷金属中锰元素含量为1.06%时其-50℃冲击功值最高,而高于或低于此含量时其冲击功均降低,这与FarrarRA[4]等人的研究结果基本一致。从金相组织上解释为,当熔敷金属中锰元素含量较低时,组织粗化,先共析铁素体增加(图4a)),韧性下降;当锰元素含量增加时,虽使得针状铁素体增加,先共析铁素体减少,组织得到细化(图4b)),但同时由于铁素体相被强化,使得熔敷金属低温韧性降低。3从表5看出,保持焊条药皮中脱氧剂金属锰
含量不变,随着钛铁含量的增加,焊缝金属中钛含量变化不大,这与钛活性极大,焊接时过渡系数极低有关。但钛铁的加入量对其它元素的含量有很大的影响,首先是硅元素,随着钛铁的增加,焊缝金属中的硅含量呈明显的上升趋势;其次由于钛的强烈脱氧作用,使得焊缝金属中的氧含量随钛铁增加得以降低;同时随钛铁的增加,也有利于金属锰向焊缝金属中过渡。
从图2中熔敷金属拉伸试验结果可以得出,保持药皮中金属锰含量不变,随着钛铁含量的增加,熔敷金属强度也逐步升高,但钛铁对焊条熔敷金属强度提升的机理与金属锰有所不同。因钛元素对氧的亲和力要远大于锰和硅元素的,这样就促使焊接过程中锰、硅元素过渡系数增大,焊缝金属中锰、硅元素增加,由本文前面分析可知,焊缝金属强度增加。另外,由于钛在焊缝金属中与碳、氮有较强的亲和力,可以形成碳氮化物而产生细晶强化和沉淀强化[5],使得焊缝金属强度进一步提高。由图4熔敷金属金相组织可以清楚的看出钛铁所产生的上述影响,其中图4d)组织较图4a)有明显的细化。
焊条药皮中钛铁含量对熔敷金属低温冲击韧性的影响可从图3看出,保持脱氧剂金属锰含量,8%时,
·10· 材 料 开 发 与 应 用 2007年10月
冲击韧性有一定提高。其原因可以解释为以下两点:首先,随药皮中钛铁含量增加,由于钛的强脱氧作用,使得焊条熔敷金属中氧元素含量降低,由表5熔敷金属化学成分得知,氧元素含量由0.040%降至0.028%。由于氧元素含量的降低,使得相变核心减少,晶界畸变能低,γ※α转变需在更低的温度下进行,从而减少晶界铁素体及侧板状铁素体,增加针状铁素体[6],使韧性提高。从图4熔敷金属金相组织上可以看出,图4d)与图4a)相比,其粗大先共析铁素体量有显著的降低。其次,药皮中钛铁含量的增加,有助于金属锰的过渡,由前文分析可知,在适当的范围内,随锰元素含量的增加,焊缝金属组织得以细化,有助于低温韧性的提高。
(2)焊条熔敷金属中锰元素含量随焊条药皮中脱氧剂金属锰含量的增加而增加。
(3)适当增加焊条药皮中脱氧剂钛铁含量,焊条熔敷金属拉伸强度增加,低温冲击韧性提高。(4)焊条药皮中采用适当含量的金属锰和钛铁进行联合脱氧,可获得较高的熔敷金属强度和低温冲击韧性。参考文献:
[1] 张子荣,李升鹤.电焊条[M].北京:机械工业出版
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[2] 崔忠圻主编.金属学与热处理[M].北京:机械工业
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propertiesofall-weldmetaldeposits[J].WeldingJournal,1980(3):67～75.
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社,1992.
4 结论
(1)增加焊条药皮中脱氧剂金属锰含量,焊条
熔敷金属拉伸强度增加,低温冲击韧性在熔敷金属锰元素含量为1.1%附近出现峰值,继续增加药皮中金属锰含量,低温冲击韧性则急剧下降。
InfluenceofDeoxidizeronMechanicalPropertyof
DepositedMetalofElectrode
KONGHong-yu,ZHOUHao,YIChuan-bao
(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,China)
Abstract:Manganeseandferrotitaniumwereaddedasdeoxidizersintothecoatofelectrodes.Influenceofthedeoxidizersonmechanicalpropertyofdepositedmetalofelectrodewasinvestigatedthronghanalysisofthecomposition,mechanicalpropertyandmicrostructure.Theresultindicatesthatasthecontentofmanganeseincreases,tensilestrengthsincreasesandimpacttoughnesspeakvalueappeares,asfer-rotitaniumincreases,tensilestrengthsandimpacttoughnessincreases.
Keywords:Deoxidizer;Manganese;Ferrotitanium;Depositedmetal;Mechanicalproperty