金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C的研制

張少健 呂奎清 楊宗全

1. 概述

金屬粉芯藥芯焊絲具有生產(chǎn)成本低、焊接效率高、飛濺小、焊接接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，與實(shí)芯焊絲相比具有更高的熔敷速率，與普通藥芯焊絲相比減少了熔渣清理工作，縮短焊接周期，加快生產(chǎn)進(jìn)度，降低了生產(chǎn)成本，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、管道、汽車等鋼結(jié)構(gòu)的焊接。近年來(lái)成為國(guó)際上焊材發(fā)展的新趨勢(shì)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)金屬粉芯藥芯焊絲的重視程度尚不夠，因此開(kāi)發(fā)此類金屬粉芯藥芯焊絲十分必要。

2. 研制思路

（1）渣系、保護(hù)氣體 普通的鈦型、堿型、鈦-堿型氣體保護(hù)藥芯焊絲均不能確保藥芯焊絲滿足該強(qiáng)度下擴(kuò)散氫含量（不經(jīng)過(guò)表面處理水銀法或色譜法≤4mL/100g）的要求。由于金屬粉芯藥芯焊絲與普通藥芯焊絲相比具有熔渣少、抗裂性好、熔敷效率高等特點(diǎn)；與實(shí)芯焊絲相比具有飛濺小、成形美觀、成分調(diào)整方便等特點(diǎn)，因此采用金屬粉芯渣系。

當(dāng)采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，因填充粉料幾乎全部為金屬粉，熔滴主要以大顆粒形式過(guò)渡，增加了焊接過(guò)程中的飛濺、惡化焊縫成形，同時(shí)增加焊后清理工作。而采用金屬粉芯渣系，配合80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù)，能夠使該焊絲焊接過(guò)程中主要以細(xì)顆粒射流過(guò)渡，熔合良好，熔敷效率高，熔渣集聚易于清理，主要適用于平焊及平角焊。使用短路過(guò)渡或脈沖電弧方式時(shí)，也可以使用在其他位置。

（2）藥芯組分及含量 采用C-Si-Mn合金系進(jìn)行聯(lián)合脫氧，減少焊縫中氧含量，同時(shí)輔以一定的Ti、B細(xì)化晶粒。因焊絲配方中合金成分含量較高，在造渣組分中加入穩(wěn)弧劑，以滿足焊接操作工藝性能要求。其余部分全部為鐵粉，提高焊接熔敷率。通過(guò)合理控制各種組分的比例，實(shí)現(xiàn)微合金化，使該金屬粉芯藥芯焊絲具有優(yōu)良的工藝性能和力學(xué)性能。

藥芯組分含量及其影響：Mn是焊縫中重要的脫氧、脫硫、去雜質(zhì)、改善塑性和抗裂性的元素，隨著錳含量增加，焊縫中針狀鐵素體數(shù)量增加，同時(shí)抑制部分先共析鐵素體的生成，細(xì)化焊縫微觀組織，提高低溫沖擊韌性，錳含量太低或太高都將影響焊縫強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，最佳為1.2%～1.7%；在此錳含量的前提下，wC＜0.12%時(shí)可增加焊縫中針狀鐵素體的比例，細(xì)化熔滴，增大電弧挺度；Si是重要的脫氧劑，可降低焊縫含氧量，提高低溫沖擊韌性，調(diào)節(jié)鐵液流動(dòng)性，硅含量太低或太高都將影響焊縫強(qiáng)度、鐵液流動(dòng)性及低溫沖擊韌性等，最佳為0.2%～0.8%；微量的Ti、B可以改善焊縫金屬低溫韌性；適當(dāng)?shù)姆€(wěn)弧劑可以提高電弧穩(wěn)定性，減少飛濺，穩(wěn)弧劑含量太低或太高都將影響電弧穩(wěn)定性、合金過(guò)渡及焊縫成形；焊絲藥芯組分和碳鋼外皮中的S、P、N等雜質(zhì)元素有增加焊縫裂紋、降低焊縫低溫沖擊韌性傾向，必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。藥芯組分及碳鋼外皮中S、P等雜質(zhì)元素在滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的情況下，盡可能控制到最低。

綜合考慮上述各因素，經(jīng)系列試驗(yàn)并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定出熔敷金屬的化學(xué)成分（見(jiàn)表1）。

（3）相關(guān)過(guò)程的控制 原材料選擇原則：成分穩(wěn)定、純度高、粒度均勻。嚴(yán)格控制硫磷雜質(zhì)的含量，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的粉料分別進(jìn)行烘焙，降低焊絲中擴(kuò)散氫含量。

藥芯組分中可以適當(dāng)增加穩(wěn)弧劑和造渣劑，提高電弧穩(wěn)定性和脫渣性。

制作焊絲使用鋼帶的規(guī)格為1.0mm×10mm，焊絲填充率為15.5%～16.0%，焊絲直徑為1.2mm。

3.試驗(yàn)檢測(cè)

（1）焊接工藝性能 首先，焊接電弧形態(tài)分析。對(duì)研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C采用80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù)平焊位置焊接，焊接參數(shù)如表2所示，圖1是熔滴一個(gè)過(guò)渡周期的電弧形態(tài)，燃弧時(shí)弧根擴(kuò)展，熔滴的軸向性增強(qiáng)，易于獲得軸向噴射過(guò)渡方式，此時(shí)電弧穩(wěn)定性好，呈明顯的細(xì)顆粒射流過(guò)渡。

其次，焊縫成形分析。圖2是平焊及平角焊焊縫的外觀，由圖可見(jiàn)焊縫成形美觀，焊道飽滿，飛濺小，熔渣少且集聚于焊道中間，易于脫渣、便于清理工作。

最后，熔敷率和熔敷速率。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊接效率主要體現(xiàn)在焊接材料的熔敷率和熔敷速率。為了檢測(cè)YCJMX50C焊絲的熔敷率和熔敷速率，本次試驗(yàn)采用80%Ar+20%CO2富氬氣體保護(hù)，270A/30V焊接參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，YCJMX50C與實(shí)芯焊絲WH50—6、神鋼同類型金屬粉芯焊絲MX—A100熔敷率相當(dāng)，與高速平角焊藥芯焊絲YCJMX50相比有較高的熔敷率；YCJMX50C與實(shí)芯焊絲WH50—6相比有較高的熔敷速率，與高速平角焊藥芯焊絲YCJMX50、MX—A100相比熔敷速率稍低，但差距不大。因此YCJMX50C在富氬氣體保護(hù)下具有較高的熔敷率和熔敷速率，可有效提高焊接生產(chǎn)效率，降低焊接成本。

由上三點(diǎn)可以說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的焊絲具有優(yōu)良的焊接工藝性能。

（2）力學(xué)性能 采用80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)，采用DH36鋼板（300mm×150mm ×20mm），在平焊位置焊接，焊接參數(shù)如表2所示，力學(xué)性能如表4、表5所示。由表可以看出：金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C抗拉強(qiáng)度556MPa，屈服強(qiáng)度485MPa，具有較大的斷后伸長(zhǎng)率28%，在-30℃具有較高的低溫沖擊吸收能量131J，滿足了AWS5.18標(biāo)準(zhǔn)中E70C—6M的相關(guān)要求。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊接參數(shù)

圖1 電弧形態(tài)（230A/28V）

圖2 平焊及平角焊焊縫外觀（230A/28V）

表3 4種焊絲熔敷率和熔敷速率的對(duì)比

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

（3）化學(xué)成分 焊縫金屬主要化學(xué)成分如表6所示。從表6可以看出，S、P元素含量較低，說(shuō)明原材料和冶金過(guò)程控制的比較合理，有效去除了有害雜質(zhì)，提高了焊縫低溫韌性。

（4）焊縫金屬顯微組織 焊縫金屬微觀組織決定焊縫金屬的韌性，焊縫金屬縱截面微觀組織如圖3所示。通過(guò)對(duì)焊縫金屬試樣顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn)：試樣組織中均勻分布大量細(xì)小的鐵素體和少量珠光體，由于細(xì)小的鐵素體的存在，會(huì)使熔敷金屬?gòu)?qiáng)度、韌性有所提高，對(duì)焊縫的力學(xué)性能有利。

（5）剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn) 采用80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)，在280A/30V，根部間距5mm參數(shù)下進(jìn)行背部剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)，試驗(yàn)焊縫在焊后在室溫下放置24h后，進(jìn)行清洗、著色、清洗和顯影，從圖4可以看出，試驗(yàn)焊縫表面未出現(xiàn)明顯紅色滲透劑，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的焊絲具有良好的抗裂紋能力。

（6）T形接頭角焊縫 在室溫下進(jìn)行T形接頭角焊縫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：①折斷試驗(yàn)：未發(fā)現(xiàn)任何宏觀缺陷，合格。②硬度試驗(yàn)：焊縫、熱影響區(qū)、母材和熔合線經(jīng)檢測(cè)，最高硬度均小于HV410。

（7）焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫含量 采用水銀法檢測(cè)擴(kuò)散氫含量，檢測(cè)時(shí)采用的參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可看出，試驗(yàn)結(jié)果均小于4.0mL/100g，達(dá)到超低氫水平，因此所研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C具有良好的耐吸潮和抗裂性能。

4. 結(jié)語(yǔ)

所研制的金屬粉芯藥芯焊絲YCJMX50C經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，力學(xué)性能穩(wěn)定，滿足AWS5.18標(biāo)準(zhǔn)中E70C—6M的技術(shù)要求，具有良好的綜合性能。

采用金屬粉芯渣系，配合80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)，主要適用于平焊及平角焊。

表5 對(duì)接接頭力學(xué)性能

表6 焊縫金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖3 焊縫微觀組織

圖4 剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)

表7 焊接參數(shù)及擴(kuò)散氫含量

焊絲具有良好的焊接工藝適應(yīng)性，主要以細(xì)顆粒射流過(guò)渡為主，熔渣少且集聚易于清理。

焊縫金屬在-30℃具有較高的低溫沖擊韌性。焊絲熔敷金屬擴(kuò)散氫能夠達(dá)到超低氫要求，并具有良好的抗裂紋性能。焊縫微觀組織形貌為大量細(xì)小的鐵素體和少量的珠光體組織。

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