E347L-16和E309L-16超低碳不銹鋼電焊條研制*

林 鋼，吳樹雄

(酒鋼集團(tuán) 蘭州長虹焊接材料有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

1 引 言

隨著石油、化工工業(yè)的發(fā)展，耐腐蝕耐熱材料的應(yīng)用越來越廣，不銹鋼焊接材料需求量也在日益增大。例如加氫容器等設(shè)備焊接使用的不銹鋼焊條，要求其熔敷金屬具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，故焊條熔敷金屬在化學(xué)成份設(shè)計(jì)上，除了控制好鉻鎳等元素的含量外，重點(diǎn)要控制好碳的含量。此前基本上都使用進(jìn)口焊條，而進(jìn)口焊條價(jià)格昂貴，且供貨不及時(shí)。為此筆者根據(jù)市場需要，特研制開發(fā)了含碳量低，耐腐蝕性好的E347L-16、E309L-16超低碳不銹鋼電焊條，如圖1所示。

圖1 E347L-16、E309L-16超低碳不銹鋼 焊縫金相組織(500×)

2 焊條的主要技術(shù)指標(biāo)[1-3]

2.1 熔敷金屬化學(xué)成分

熔敷金屬化學(xué)成分如表1所列。

表1 熔敷金屬化學(xué)成分 /wt%

注：表中單值均為最大值。

2.2 熔敷金屬力學(xué)性能

熔敷金屬力學(xué)性能如表2所列。

表2 熔敷金屬力學(xué)性能

2.3 耐腐蝕性能

E347L-16熔敷金屬耐腐蝕性能經(jīng)650 ℃×2 h敏化處理后通過硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)。

2.4 其它性能

其它性能均符合國標(biāo)GB/T983-1995《不銹鋼焊條》的規(guī)定。

3 配方設(shè)計(jì)

3.1 渣系的選擇

與碳鋼焊芯相比，不銹鋼焊芯導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)和電阻率比低碳鋼的大，在焊接過程中，焊條容易發(fā)紅，藥皮易開裂脫落，不能繼續(xù)焊接，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，造成很大的浪費(fèi)。為避免上述問題發(fā)生，我們在選擇了能改變?nèi)鄣芜^渡形態(tài)、提高焊條熔化系數(shù)、減少焊條熔化時(shí)間，有利于降低焊條藥皮發(fā)紅開裂的TiO2-SiO2-Al2O3鈦酸型渣系。試驗(yàn)焊條配方如表3所列。配方中加入一定量的硅鋁酸鹽是為了造渣、細(xì)化熔滴提高焊條的熔化系數(shù)，減少飛濺，改善焊接工藝性能。金紅石有利于穩(wěn)定電弧和造渣，碳酸鹽造渣造氣，但其含量不宜過高，過高會(huì)使熔滴粗化，改變?nèi)鄣蔚倪^渡形態(tài)，使熔滴呈短路過渡形式向焊縫過渡。氟化物利于消除氣孔。加入鐵合金主要是脫氧和過渡合金元素，其它材料主要是解決壓涂性能。

表3 E347L-16試驗(yàn)焊條配方

3.2 碳的控制

為提高不銹鋼焊縫的耐腐蝕性能，首先要降低焊縫金屬中碳含量，控制碳含量C≤0.040%是超低碳焊條的關(guān)鍵。為保證這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)進(jìn)行如下方面的措施及試驗(yàn)：

(1) 原材料中焊芯采用符合國標(biāo)的要求H03Cr21Ni10、H03Cr24Ni13焊芯，其碳含量均小于0.030%，且對鋼絲表面的油污進(jìn)行清洗處理，將可能向焊縫滲碳的因素降至最低。

(2) 在配方設(shè)計(jì)中，緊緊圍繞降碳這一目標(biāo)，對配方中的鐵合金嚴(yán)格控制，采用的鐵合金均為碳含量極低的材料，使通過鐵合金中滲碳的途徑基本上被控制，滲碳程度降到極低限度。

(3) 從礦石及化學(xué)反應(yīng)方面著手。礦石中的碳酸鹽類，在焊條施焊過程中，碳酸鹽分解，部分碳被還原過渡到熔敷金屬中。因而對碳酸鹽進(jìn)行處理，消除碳酸鹽中碳酸根，這樣從材料本身就消除碳這一因素，但利用去除碳酸根后的材料制做的焊條，焊接時(shí)，飛濺增大，脫渣不良，焊接工藝不良。因而，在保證焊接工藝的前題下，盡可能降低藥皮中的碳酸鹽含量，這也對改善熔滴過渡形態(tài)有利。所以，在焊條藥皮中加入兩性氧化物Cr2O3，該氧化物在高溫時(shí)可以抑制碳、硅的還原反應(yīng)方程如式(1)、(2)所示，同時(shí)還可以調(diào)整熔渣的酸堿度，彌補(bǔ)降低碳酸鹽后熔渣堿度不足的情況，解決了藥皮中因硅鋁酸鹽含量多而向焊縫金屬滲硅傾向大的問題。

(Cr2O3)+3[C]=2[Cr]+3CO

(1)

2(Cr2O3)+3[Si]=4[Cr]+3(SiO2)

(2)

4 研制結(jié)果及分析

4.1 焊接工藝性能[4]

4.1.1脫渣性

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于藥粉中含有大量的高價(jià)氧化物，所以在焊接過程中，脫渣相對來說比較困難，經(jīng)分析認(rèn)為，在鈦酸型渣系，堿度低的情況下，硅鋁酸鹽中的Al2O3是高價(jià)氧化物，使熔渣的表面張力降低，而且這些高價(jià)氧化物即所謂的尖晶石型化合物，它們與FeO晶格相似，使熔渣與焊縫金屬表面形成牢固的結(jié)合導(dǎo)致脫渣困難，特別是熔敷金屬含有鈮時(shí)，這種現(xiàn)象更為突出，因而除了將配方中各材料加入量調(diào)整為最佳比例外，在焊條配方中加入一種新材料焊縫脫渣劑，該材料對改善坡口內(nèi)的脫渣性能極佳。表4中列出了E309L-16、E347L-16試驗(yàn)焊條配方在其它材料組分不變的情況下，加入焊縫脫渣劑材料與不加入焊縫脫渣劑材料后的脫渣率試驗(yàn)結(jié)果。脫渣性試驗(yàn)方法是采用原機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8423-96《電焊條焊接工藝性能評定方法》中焊縫脫渣性試驗(yàn)方法，脫渣率為：

脫渣率=[焊道總長(mm)-未脫渣焊道總長(mm)]/焊道 總長(mm)×100%

表4 試驗(yàn)焊條脫渣率 /%

從表中結(jié)果可看出，所研制的焊條脫渣性優(yōu)良。

4.1.2電弧穩(wěn)定性

TiO2、K2O、Na2O等均可提高電弧的穩(wěn)定性，因該配方中含有大量的金紅石、含鉀、鈉的硅鋁酸鹽等物質(zhì)，故而該系列焊條的電弧穩(wěn)定性較為優(yōu)良。

4.1.3其它焊接工藝性能

焊接工藝性能如表5所列。

表5 焊接工藝性能

4.2 焊條熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

研制的E309L-16、E347L-16焊條與進(jìn)口同型號同規(guī)格焊條，在相同的焊接規(guī)范條件下，熔敷金屬化學(xué)成份如表6所列，力學(xué)性能如表7所列。

表6 熔敷金屬化學(xué)成分 /wt%

表7 熔敷金屬力學(xué)性能

4.3 熔敷金屬耐腐蝕性能

對E347L-16焊條熔敷金屬經(jīng)650 ℃×2 h敏化處理后，按GB/4334.5《不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)，結(jié)果均通過了硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)。

4.4 熔敷金屬金相組織

把焊縫金屬試樣磨制成金相試樣，然后用王水溶液對試樣進(jìn)行腐蝕。將腐蝕好的試樣表面用酒精清洗干凈并吹干，使用MPF3金相顯微鏡對焊縫試樣組織形態(tài)進(jìn)行觀察。兩種焊條焊縫組織金相特征是奧氏體加鐵素體組織。

5 結(jié) 論

(1) 研制的E347L-16、E309L-16電焊條，其脫渣性、電弧穩(wěn)定性等焊接工藝性能優(yōu)良。

(2) 焊條的熔敷金屬化學(xué)成份(特別是碳含量)、力學(xué)性能、耐腐蝕性能均符合GB/T983標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 所研制的焊條各項(xiàng)性能達(dá)到進(jìn)口同類焊條水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周振豐,張文鋮.金屬熔焊原理及工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[2] 陳劍虹，吳樹雄，羅崇墉.等.不銹鋼焊條工藝性能研究及新型高效不銹鋼焊條研制[C].第三屆全國焊接年會(huì)，北京：1979.

[3] 廖立乾.焊條的設(shè)計(jì)、制造與使用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[4] 張清輝,吳憲平,洪 波. 焊接材料研制理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2002.