尹士科，王移山，田源

(1.中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京100081;2.天津中集集裝箱有限公司，天津300461)

1 概述

為了開發(fā)我國青海鹽湖中的鉀礦資源，在國家攻關(guān)項(xiàng)目中列入了低合金耐腐蝕鋼及其配套焊條的研制內(nèi)容。由于鹽湖一帶的環(huán)境條件惡劣，腐蝕介質(zhì)中有MgCl2、KCl和NaCl等，故要求采用耐腐蝕性優(yōu)良的鋼種。國外在鹽田設(shè)備上使用的低合金耐腐蝕鋼以法國的APS鋼為代表，故我國也研制了與其成分相近的低合金耐腐蝕鋼，包括Cr2－Al和Cr4－Al兩個成分系列，鋼板的合金成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)用鋼板的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 試驗(yàn)用鋼板的力學(xué)性能要求

與鋼板相配套的焊條首先要滿足耐腐蝕性能的要求，在力學(xué)性能指標(biāo)上也要與鋼板相接近，從施工上考慮還必須有良好的抗裂性能和焊接工藝性能。為此，開展了相關(guān)試驗(yàn)工作。

2 焊縫化學(xué)成分對腐蝕性能的影響

化學(xué)成分的變化主要是改變Cr的含量，也作了Mo含量的稍許改動;另外，又選擇了一種奧氏體焊條，即18%Cr－8%Ni的A102焊條。試驗(yàn)工作包括掛片腐蝕試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，掛片腐蝕試驗(yàn)又分為熔敷金屬掛片試驗(yàn)和焊接接頭掛片試驗(yàn)。

2.1 掛片腐蝕試驗(yàn)

熔敷金屬的腐蝕試片尺寸是3 mm×25 mm×30 mm，腐蝕介質(zhì)為:MgCl223.3%，KCl 3.3%，NaCl 2.3%，水71.1%。介質(zhì)溫度35℃，采用動態(tài)腐蝕方式，總腐蝕時(shí)間796 h。不同熔敷成分的掛片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表3。焊接接頭的腐蝕試片尺寸是3 mm×30 mm×40 mm，其他腐蝕條件同熔敷金屬的腐蝕試驗(yàn)，鋼板采用Cr4－Al鋼。不同成分的焊接接頭掛片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 不同成分的熔敷金屬掛片腐蝕結(jié)果

表4 不同成分的焊接接頭掛片腐蝕結(jié)果

由表3可以看出，隨著Cr量的增加，腐蝕率下降，抗腐蝕性能有所改善。但Cr含量超過3%以上時(shí)腐蝕率不穩(wěn)定，原因待查。A102焊條的抗腐蝕性能明顯優(yōu)于其它成分的焊縫。

由表4可以看出，采用Cr含量為0.63%的焊條焊接Cr4－Al系鋼之后，焊縫金屬的耐腐蝕性能明顯低于母材，致使焊縫的腐蝕深度達(dá)0.3 mm;采用Cr含量在3%以上的焊條焊接Cr4－Al系鋼時(shí)，焊縫金屬的腐蝕情況與母材相接近。可見，焊接Cr4－Al鋼時(shí)，焊縫中Cr的量不能低于3%。采用Cr含量為18%的A102焊條焊接Cr4－Al系鋼之后，焊縫金屬幾乎不被腐蝕，熱影響區(qū)和母材則腐蝕嚴(yán)重。其原因一是不銹鋼本身的抗腐蝕性優(yōu)良，二是不銹鋼焊縫處于陰極，母材為陽極，陽極的腐蝕起到了保護(hù)陰極的作用。就掛片的試樣而言，母材所占的比例不大，容易被腐蝕;而在實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)中，母材所占的比例是很大的，這時(shí)母材腐蝕情況要明顯減輕。

2.2 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

腐蝕介質(zhì)與掛片試驗(yàn)完全相同，采用美國進(jìn)口的250A型腐蝕測定儀，掃描速度為100 mV/s，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，隨著Cr含量的增加，腐蝕電位變正，腐蝕電阻增加，腐蝕電流下降，年腐蝕率也減少。另據(jù)測定，Cr4－Al系母材的腐蝕電位是－0.700 V，與含3%～5%Cr的熔敷金屬電位相接近。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)也證明，焊縫中鉻的量不能低于3%?？偟膩砜矗附覥r4－Al鋼時(shí)，焊縫中Cr的量不能低于3%，而奧氏體型的A102焊條的抗腐蝕性最優(yōu)良。

3 化學(xué)成分及熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響

為了滿足焊縫金屬力學(xué)性能要求，對Cr含量不同的焊條進(jìn)行了試驗(yàn)，也采用A102焊條作了對比試驗(yàn)。焊條直徑φ3.2 mm，焊接電流120 A，道間溫度120～130℃。各焊條的熔敷金屬的力學(xué)性能如表6所示。

由表6可以看出，Cr含量在3% ～4%的焊條，焊態(tài)下熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度太高，遠(yuǎn)高于對母材的強(qiáng)度指標(biāo)要求(≥500 MPa);由于強(qiáng)度過高，韌性明顯下降，達(dá)不到50 J的指標(biāo)要求;還因?yàn)楹缚p強(qiáng)度高，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)焊縫基本不變形，使變形集中于熱影響區(qū)部位，故彎曲至90°左右時(shí)沿熔合線附近產(chǎn)生了開裂。為了改善焊縫的力學(xué)性能，將Cr含量約4%的焊接試板進(jìn)行了回火處理，其加熱溫度和保溫時(shí)間參照鋼板的回火制度。經(jīng)過熱處理后，焊縫的強(qiáng)度明顯下降，韌性大幅度提高，塑性也有所改善，這時(shí)的焊縫性能與鋼板性能已基本相當(dāng)。采用A102焊條與Cr4－Al鋼板組合焊接后，焊縫強(qiáng)度不太高，塑、韌性都優(yōu)良，接頭彎曲達(dá)到180°也不裂，滿足了力學(xué)性能相匹配的要求。Cr含量≤2%的焊條，雖然表現(xiàn)出了高的韌性水平，但是耐腐蝕性能達(dá)不到要求。

表6 熔敷金屬的力學(xué)性能

4 化學(xué)成分對抗裂性能的影響

采用了“鐵研式”裂紋試驗(yàn)方法，焊條的烘干條件是350℃ ×1 h，焊條直徑3.2 mm，焊接電流約100 A，環(huán)境溫度14℃，不同成分的焊條及預(yù)熱溫度對裂紋的影響見表7。

抗裂性試驗(yàn)結(jié)果表明，Cr含量超過3%的焊條抗裂性能是不好的，即使預(yù)熱到100℃仍然產(chǎn)生了嚴(yán)重的裂紋。要避免產(chǎn)生裂紋，必須采取更為嚴(yán)格的工藝措施，如提高預(yù)熱溫度、緩慢冷卻及進(jìn)行后熱等。因?yàn)樵谶@么高的Cr含量情況下，空冷后的焊縫組織仍是馬氏體，其抗裂性很差。然而，A102焊條表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗裂紋能力，即使在較低的環(huán)境溫度不預(yù)熱也可以避免裂紋，有利于保證焊接質(zhì)量，也給焊接施工提供了方便。A102焊條的焊縫是奧氏體組織，它可以容納大量的擴(kuò)散氫，既可避免焊縫中出現(xiàn)裂紋，又可減少進(jìn)入熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫量，還能緩解熱影響區(qū)的應(yīng)力，對避免出現(xiàn)熱影響區(qū)裂紋起到了有利的作用。針對這幾種成分的焊條進(jìn)行了多方面的性能試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)了各有利弊之處，如表8所示。

表7 不同成分的焊條及預(yù)熱溫度對裂紋情況的影響

表8 幾種成分焊條的綜合性能對比

由表8可知，Cr＜1.6%的焊條耐腐蝕性不過關(guān);3%＜Cr＜5%的焊條力學(xué)性能和抗裂性能差，即使通過回火處理改善了力學(xué)性能，在施工上也很難解決裂紋問題;只有A102焊條，從保證抗腐蝕性能、接頭力學(xué)性能和方便施工等幾個方面看，具有綜合優(yōu)勢，因此最終選定A102焊條作為Cr4－Al系低合金耐腐蝕鋼用的配套焊條。為了降低焊條的成本，采用低碳鋼焊芯、通過藥皮過渡合金元素的方式進(jìn)行合金化，進(jìn)而開發(fā)出了A102T焊條。它不僅滿足了上列各項(xiàng)性能的要求，而且解決了不銹鋼焊條的藥皮發(fā)紅、開裂問題，另外，它可以使用較大的焊接電流，提高了焊接生產(chǎn)率。新研制的A102T焊條具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，飛濺不大，脫渣容易，適于交、直流兩種電源。根據(jù)青海送變電公司的訂貨要求，試生產(chǎn)了一噸多焊條，并已成功地應(yīng)用于青海省內(nèi)的輸電線路工程上。試生產(chǎn)焊條的熔敷金屬合金成分和力學(xué)性能如表9所示。

表9 試生產(chǎn)焊條的熔敷金屬合金成分和力學(xué)性能

5 結(jié)論

(1)掛片腐蝕試驗(yàn)與電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明，焊接Cr4－Al鋼時(shí)，焊縫中Cr的量不能低于3%，而奧氏體型的A102焊條具有最優(yōu)良的抗腐蝕性。

(2)Cr含量在3% ～4%的焊條，焊態(tài)下熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度太高，塑、韌性明顯下降，接頭彎曲試驗(yàn)不合格。A102焊條的焊縫強(qiáng)度不高，塑、韌性優(yōu)良，彎曲試驗(yàn)180°合格。

(3)鐵研式裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，Cr含量超過3%的焊條抗裂性能不好，即使預(yù)熱到100℃ 仍產(chǎn)生了嚴(yán)重裂紋。而A102焊條表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗裂紋能力，不預(yù)熱也不產(chǎn)生裂紋。

(4)為了降低焊條的成本，采用低碳鋼焊芯、通過藥皮過渡合金元素，開發(fā)出了A102T焊條，已成功地應(yīng)用到相關(guān)的輸電線路工程上。