Si對Ni-Cr-M o-V高強鋼焊接熔透性的影響

劉貽興

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

Si對Ni-Cr-M o-V高強鋼焊接熔透性的影響

劉貽興

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

Ni-Cr-Mo-V高強鋼中Si的含量對焊接熔透性影響很大。 文章理論研究并試驗研究證實了Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型的影響，從而解決了百萬級核電汽輪機大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的熔透與成型。

影響； 焊接熔透性； Ni-Cr-Mo-V高強鋼； Si

0 引言

鑄造冶金原理中Si的作用： 可以略微降低液相線，提高液態(tài)金屬的流動性和充型性能，起脫氧作用減少合金的氧化吸氣，使鑄件表面更光亮，并減少合金的縮松傾向，使合金整體的鑄造性能得到改善。但是，硅的加入量要嚴格限制在一定范圍內(nèi)，過量的硅容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)硬點缺陷。硅含量高時容易形成低熔點共晶體，增加鑄件出現(xiàn)熱裂的危險。硅含量高時對焊接影響很大，產(chǎn)生低熔點共晶， 出現(xiàn)熱裂紋。［1，2］

焊接冶金原理中Si的作用： 必須嚴格控制Si、Mn含量和Mn/Si比。 硅含量高時對焊接影響很大，產(chǎn)生低熔點共晶，出現(xiàn)熱裂紋。母材中硅含量對焊接熔透性、液態(tài)金屬的流動性影響很大，超低的硅含量造成液態(tài)金屬的流動性差，焊接熔透性和背面成型差。硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的親合力硅比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，降低金屬液相線，增加熔渣和熔化金屬的流動性， 引起噴濺現(xiàn)象， 影響焊縫質(zhì)量。［3］

1 Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性試驗

1.1 熔透性試驗的基本方法

百萬級核電汽輪機大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫對接，采用自動鎢極氬弧焊，焊位為橫向。

1.2 試件

試件由ΦA(chǔ)mm×ΦBmm×200mm兩件圓環(huán)對接裝配組成， 坡口型式為 “U” 型窄間隙深坡口， 如圖1所示。

圖1 焊接試件及坡口型式

1.3 母材組配Ⅰ

母材組配Ⅰ的公稱化學(xué)成分為： 1Ni-2Cr-0.5Mo-V （≤0.05）。 由于采用的熔煉方式不一樣，造成金屬中Si的含量差別大。

a）采用常規(guī)硅脫氧熔煉， Si含量為：0.1%～0.4%， 一般為： 0.24%；

b）采用真空碳脫氧熔煉， Si含量為：0.04%～0.10%， 一般為： 0.05%。

Si含量為5倍關(guān)系。

Ni-Cr-Mo-V高強鋼中Si的含量對焊接熔透性的影響，在試驗初始階段不作為一個問題進行研究。當發(fā)現(xiàn)焊接采用常規(guī)硅脫氧熔煉與真空碳脫氧熔煉Ni-Cr-Mo-V高強鋼， 兩者在熔透性和背面成型上有很大差別時，即在焊接規(guī)范上存在較大差別時，始終找不到原因。經(jīng)過多次失敗之后，才從實踐中發(fā)現(xiàn)了Si的問題。 經(jīng)過理論與實踐的深入分析， 再用試驗證明了Ni-Cr-Mo-V高強鋼中Si的含量對焊接熔透性和背面成型的影響很大。母材組配Ⅰ的試驗結(jié)果見表1。

表1 母材組配Ⅰ的試驗

圖2 母材Si含量0.24%， 99.999%Ar保護的熔透圖

圖3 母材Si含量0.24%， 97.5%Ar+2.5%H2保護的熔透圖

圖4 母材Si含量0.05%， 99.999%Ar保護的熔透圖

1.4 母材組配Ⅱ

母材組配Ⅱ的公稱化學(xué)成分為： 3Ni-1.5Cr-0.5Mo-0.1V。 與母材組配Ⅰ一樣， 采用以下 兩種熔煉方式， 結(jié)果金屬中Si的含量差別大。

a）采用常規(guī)硅脫氧熔煉， Si含量為： 0.1%～0.4%， 一般為： 0.24%；

b）采用真空碳脫氧熔煉， Si含量為： 0.04%～0.10%， 一般為： 0.05%。

圖5 母材Si含量0.05%， 97.5%Ar+2.5%H2保護的熔透圖

Si含量同樣為5倍關(guān)系。

與母材組配Ⅰ比較，母材組配Ⅱ的合金含量高，焊接熔透性和背面成型的難度更大些。

Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型的影響，經(jīng)過反復(fù)試驗，母材組配Ⅱ得到了與母材組配Ⅰ完全相同的結(jié)果。母材組配Ⅱ的試驗結(jié)果見表2。

表2 母材組配Ⅱ的試驗

圖6 母材Si含量0.24%， 99.999%Ar保護的熔透圖

圖7 母材Si含量0.24%， 97.5%Ar+2.5%H2保護的熔透圖

圖8 母材Si含量0.05%， 99.999%Ar保護的熔透圖

圖9 母材Si含量0.05%， 97.5%Ar+2.5%H2保護的熔透圖

1.5 背面成型參數(shù)的界定

上述兩組試驗結(jié)果，焊接熔透性及背面成型都優(yōu)良。從表中數(shù)據(jù)看，與規(guī)范參數(shù)大小密切相關(guān)。怎樣界定背面成型的優(yōu)良？從本試驗研究中得到了答案。

TIG鎢極氬弧自動焊橫焊， 典型的背面成型幾何尺寸參數(shù)見圖10、 圖11。

圖10 焊縫根部背面成型幾何圖

評價焊接熔透性及背面成型優(yōu)良的幾何尺寸見表3。 在試驗研究中， 實測了三個試驗件的背面成型幾何尺寸 （見表4）。

1.6 金相觀察[4]

Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型帶來很大影響， 那么Si含量的差別在金相上的差異 會 怎 樣 ？ 本 試 驗 重 點 研 究 了 Si=0.24% 、 Si= 0.05%兩種焊接接頭的金相觀察。

圖11 典型截面照片

表3 焊接熔透性及背面成型幾何尺寸評價參考值 （mm）

表4 三個試驗件的背面成型幾何尺寸數(shù)據(jù)表

圖12 Si含量0.24%的焊縫區(qū)金相組織

圖13 Si含量0.05%的焊縫區(qū)金相組織

從圖12、 13中看出， 焊縫區(qū)組織均為： 回火貝氏體+有少量塊狀鐵素體組織，無明顯的差別。

2 分析與討論

2.1 重點研究

Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型的影響，重點研究了兩組母材的對比試驗，結(jié)果見表5、 圖14。 研究采用的母材為組配Ⅰ， 試件型式如圖1所示。

表5 母材組配的TIG焊接背面熔透試驗結(jié)果

圖14 熔透性與背面成型內(nèi)窺鏡照片

2.2 分析與討論

Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型的影響本質(zhì)是什么？從焊接冶金原理分析，影響熔透性和背部成型的因素有熱輸入量、電弧穿透力和液態(tài)金屬表面張力。

2.2.1 熱輸入量分析與討論[5，6]

從表5的TIG參數(shù)值可以直接計算出， 雖然是同一種Ni-Cr-Mo-V高強鋼， 只是由于Si含量的差別， 使得焊接熱輸入增加了20%～22%。 電弧長度減短， 明顯的作用就是增加電弧穿透力。 Si含量減少，焊接熔池在結(jié)晶時生成的低熔點物質(zhì)會減少，故而液態(tài)金屬的流動性減小，表面張力增加。建立起下列數(shù)學(xué)模型：

在電弧焊接過程中， 電弧功率 （q0）即電弧在單位時間內(nèi)放出的能量 （W）為：

式中：

U—電弧電壓 （V）；

I—焊接電流 （A）。

由熱源產(chǎn)生的熱量并不是全部被利用，而是有一部分熱量損失于周圍介質(zhì)中，焊件吸收到的熱量要少于熱源所提供的熱量。故電弧有效熱功率 （q）為：

式中：

q—電弧有效熱功率；

η—焊接電弧熱功率有效利用系數(shù)，簡稱為焊接熱功率。

根據(jù)定義，電弧加熱工件的熱效率η是電弧在單位時間內(nèi)輸入到焊件內(nèi)部的有效熱效率q與電弧總功率q0的比值， 即：

式中：

q1—單位時間內(nèi)熔焊接金屬 （處于液態(tài)T=TM時， TM為熔點）所需的熱量 （包括熔化潛熱）；

q2—單位時間內(nèi)使焊縫金屬處于過熱 （T ＞TM）的熱量和向焊縫四周傳導(dǎo)熱量的總和。

式 （4）說明， 進入焊件的有效熱功率q也不是完全用來熔焊接金屬。因此，使焊縫金屬熔化的熱有效利用率ηM定義為單位時間內(nèi)被熔化的母材金屬在TM時 （處于液態(tài)）的熱量與電弧有效熱功率的比值，即：

從焊接熱過程的計算角度來看，焊接熱效率η值的準確選取是提高計算精度的先決條件。在一定條件下η值是常數(shù)，主要取決于焊接方法、 焊接工藝參數(shù)、焊接材料和保護方式等。本研究項目TIG自動焊橫焊的η值選取范圍是0.68～0.85， 取中間值0.80。

該項目把q2近似為0， 那么由式 （5）計算電弧有效熱功率為：

熱源通過焊件上一定的加熱面積把熱量傳給焊件。對于焊接電弧來講，該面積為加熱斑點。設(shè)加熱斑點的半徑為rH， 它的定義是： 電弧傳給焊件的熱量中， 有95%落在以rH為半徑的加熱斑點內(nèi)。一般近似地用高斯曲線來描述加熱斑點上的熱流密度分布。熱流密度公式為：

式中：

q（r）—A點的熱流密度 （W/m2）；

qM—加熱斑點中心的最大熱流密度 （W/m2）；

K—熱能集中系數(shù) （L/m2）；

r—A點距加熱斑點中心的距離 （m）。

高斯曲線下面所覆蓋的全部熱功率為：

式中， q=ηUI是式 （1）、 式 （2）中定義的電弧有效熱功率。 TIG焊接K值由實驗證明一般為3.0～7.0。 本試驗研究項目K取5.0。

2.2.2 電弧穿透力分析與討論

從表5看出， Si=0.05%的高純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接電壓相對減小 （0.2～0.3）V， 實踐證明鎢極尖端與工件表面的距離減小了0.5mm左右， 電弧的穿透力增加了。 圖10中背面成型數(shù)值B增加了， 內(nèi)凹Y、 外凸X也相應(yīng)發(fā)生較小變化。

2.2.3 液態(tài)金屬表面張力分析與討論[3，7]

硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的親合力硅比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，降低金屬液相線，增加熔渣和熔化金屬的流動性。

液態(tài)金屬的表面張力是溫度的函數(shù)，溫度越高表面張力越小，反之則越大。液態(tài)金屬表面張力與流動性的關(guān)系， 當熔池中有較多脫氧劑Si （即母材Si含量高）， 如SiO2、 P2O5、 B2O3、 Na2O等， 加入了表面張力大的氧化物，使得熔池表面張力增加，液態(tài)金屬流動性好。

2.3 Si使 Ni-Cr-Mo-V 高 強 鋼 焊 件 上 某 點 溫 度（Tm）提高的研究與分析[5]

由于試驗測試手段有限，沒有直接測出兩種不同Si含量的Ni-Cr-Mo-V高強鋼的焊接熔池溫度或兩種材料的熔點溫度。 但從已建立的 “典型的焊接溫度場” 理論， 可以計算、 分析兩種不同Si含量的Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊件上某點溫度 （Tm）提高的數(shù)值。

試驗件 （如圖1所示）是厚大焊件多層焊， 它的 “典型的焊接溫度場” 數(shù)學(xué)模型為：

式中：

T0—焊接的初始溫度；

q—電弧有效熱功率；

λ—導(dǎo)熱率；

v—焊接速度；

a—熱擴散率；

R—焊件上某點到熱源中心的距離， R2=x2+y2+z2， x， y， z為該點在動坐標系的坐標值， 熱源沿x方向勻速移動。

在熱源后方各點， R=-x， x＜0， 則由式 （12）得出：

即在x軸上的熱源后方各點溫度與焊接速度無關(guān)。

由式 （13）可以計算出， 本試驗研究項目厚大焊件多層焊焊接熔池的溫度。

設(shè)T0=20℃； Ni-Cr-Mo-V高強鋼的導(dǎo)熱率λ= 32.1W/m·K （＞600℃）； R=2mm （鎢極尖到工件的距離，此數(shù)值為固定設(shè)定值，與電弧電壓的大小有關(guān)）。 計算結(jié)果為：

研究中， 把I3、 U3代入式（14）、（15）， 計算得出， Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔池溫度比Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔池溫度高100℃左右。

3 結(jié)論

（1）Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼與Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼相比， 雖然是同一種Ni-Cr-Mo-V高強鋼， 只是由于Si含量的差別， 使得焊接熱輸入增加了20%～22%。

（2）本項目研究得出， Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔池溫度比Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔池溫度高100℃左右。

（3）在實踐的基礎(chǔ)上， 研究出了Si對Ni-Cr-Mo-V高強鋼焊接熔透性和背部成型的影響， 從而解決了百萬級核電汽輪機大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的熔透與成型。

[1]婁延春.鑄造手冊:第2卷:鑄鋼[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2012

[2]約翰·坎貝爾. 鑄造原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2011

[3]張文鋮.金屬熔焊原理及工藝[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1980

[4]王善元, 等. 焊接金相實用講義[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1982

[5]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊:第2卷:材料的焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001

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[7]蘇應(yīng)龍,吳國蔚,陳桂馨,等.液態(tài)金屬的表面張力對鑄造工程的影響[J].鑄造技術(shù),1986（6）:23-25

Effect of Sion the Weld Penetration of the High-strength SteelNi-Cr-Mo-V

Liu Yixing
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The content of Si has a great effect on the weld penetration of the high-strength steel Ni-Cr-Mo-V.This paper researches and comfirms the effectof Sion the weld penetration and back forming of the high-strength steel Ni-Cr-Mo-V.It can be got a solution in the weld penetration and back forming of convex welds in large component sealed chamber of m illion kilowatts class nuclear steam turbine.

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劉貽興 （1962-）， 男， 高級工程師， 1985 年畢業(yè)于四川省職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 現(xiàn)從事核電汽輪機焊接技術(shù)研發(fā)工作。