CaCO3含量對自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的影響

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(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

超低碳貝氏體鋼具有高的強(qiáng)度、良好的韌性和焊接性，被廣泛應(yīng)用于石油天然氣管線、船舶、海洋設(shè)施等工程結(jié)構(gòu)中，但是與之相匹配的高品質(zhì)焊接材料卻較為匱乏[1-2]。自保護(hù)藥芯焊絲具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形美觀，以及可以在不加保護(hù)氣體條件下直接焊接等優(yōu)點(diǎn)，在超低碳貝氏體鋼的焊接中具有良好的應(yīng)用前景[3-4]。脫渣性、飛濺及焊縫成形性是超低碳貝氏體鋼焊接工藝重要的性能指標(biāo)，脫渣性的好壞將直接影響焊縫質(zhì)量、焊接生產(chǎn)效率及焊接勞動強(qiáng)度，但目前國內(nèi)外對自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的理論研究[5-8]還不夠深入，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面不夠周全。

自保護(hù)藥芯焊絲的脫渣問題一直受到研究人員的高度關(guān)注。栗卓新等[9]研究了氧化物對脫渣性的影響，發(fā)現(xiàn)影響脫渣性的主要因素是決定熔渣線膨脹系數(shù)和相變應(yīng)力的白條狀和白團(tuán)狀方鎂石，以及決定熔渣縱向拘束力的白球狀和小塊狀方鎂石。易江龍等[10]也研究了氧化物對脫渣性的影響，結(jié)果表明：以CaO為主的熔渣的顯微組織較細(xì)小，無方向性，脫渣性較差；TiO2含量高的熔渣趨向于形成棒束狀及樹枝狀結(jié)晶組織，且組織呈一定的方向性，脫渣性較好；熔渣中的Al2O3和MgO易形成鎂鋁尖晶石相，脫渣性能最佳。WANG等[11]研究發(fā)現(xiàn)，渣系的組成和溫度對MgO顆粒的溶解速率有很大的影響，在初始階段，溶解速率與時(shí)間呈良好的線性關(guān)系。

CaO是堿性熔渣中重要的堿性氧化物，通常以CaCO3的形式加入到焊材中。CaCO3不存在熔化相，在電弧焊接時(shí)由固相直接分解形成CaO和CO2氣體，既可以提高熔渣堿度、凈化焊縫，還能夠?qū)缚p起到一定的氣體保護(hù)作用[5,12]，CaO還會影響到熔渣脫渣性[10]。但目前，CaCO3含量這單一因素對自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的影響尚缺乏研究。

自保護(hù)藥芯焊絲不僅僅利用簡單的機(jī)械隔離空氣的方法來保護(hù)焊縫金屬，更主要的是通過在藥芯中加入造渣、造氣、脫氧、脫氮的礦物粉來保證焊縫金屬的組織、力學(xué)性能及成形性。自保護(hù)藥芯焊絲的藥芯可以分為酸性渣系、堿性渣系和中性渣系等3類。酸性渣系的焊接工藝性能好，焊縫成形美觀，但是焊縫金屬的韌性差，堿性渣系則相反[9,12]。超低碳貝氏體鋼焊接對焊縫的力學(xué)性能要求較高，因此作者選用了堿性渣系進(jìn)行研究；此外，考慮到自保護(hù)藥芯焊絲特殊的保護(hù)機(jī)制，進(jìn)一步選擇了以BaF2為主，同時(shí)添加CaCO3、鋁鎂合金、TiO2和SiO2的低堿性渣系[13-14]。在該渣系基礎(chǔ)上，改變CaCO3含量得到了4組自保護(hù)藥芯焊絲焊接，研究了焊后熔渣的微觀結(jié)構(gòu)及物相組成，揭示了CaCO3對自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的影響機(jī)制和影響規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用自保護(hù)藥芯焊絲的藥芯組成為BaF2-CaCO3-TiO2-SiO2-鋁鎂合金，CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，3%，5%，7%。焊絲經(jīng)礦物粉配制、造粒、燒結(jié)、捻粉、加入合金粉混合、烘干、成型、拉拔等工序制備得到。焊接母材為超低碳貝氏體X80管線鋼板，由寶雞石油鋼管廠提供，尺寸為200 mm×150 mm×15.3 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 超低碳貝氏體X80管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of ultra-low carbon bainite X80 pipeline steel (mass) %

采用Panasonic縱縫自動焊機(jī)進(jìn)行自保護(hù)藥芯焊絲焊接，單面焊雙面成型，采用單面V型坡口，坡口角度60°，鈍邊高2 mm，鈍邊間隙2 mm，具體的焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接前用丙酮清洗母材試樣以去除表面油污，使表面露出金屬光澤。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

1.2 試驗(yàn)方法

采用通用的落球錘擊試驗(yàn)方法[9]評定藥芯焊絲的脫渣性。在焊接結(jié)束，接頭放置1 min時(shí)即開始進(jìn)行錘擊，鋼球質(zhì)量為3 000 g，以初速度為0的自由落體狀態(tài)錘向接頭焊縫中心處的背面，試驗(yàn)架高度500 mm，隨后用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量焊渣的長度，計(jì)算脫渣率，做3次試驗(yàn)取平均值。脫渣率計(jì)算公式為

(1)

式中：D為脫渣率；l為焊道總長度，mm；l0為脫渣長度，mm；l1為嚴(yán)重黏渣長度(渣表面脫落，仍有薄渣層，不露出焊道金屬表面)，mm；l2為輕微黏渣長度(焊道側(cè)面有黏渣，露出焊道金屬或渣表面脫落，斷續(xù)露出焊道金屬)，mm。

將經(jīng)落球錘擊后由焊縫表面脫落的熔渣裝進(jìn)試樣帶中，采用JSM-6700F型掃描電鏡(SEM)觀察熔渣形貌，將熔渣與焊縫表面的接觸面定義為熔渣的內(nèi)表面，熔渣與焊縫表面的垂直面或者熔渣斷面定義為橫截面。采用EDAX GENESIS EDS型能譜儀(EDS)分析熔渣微區(qū)的化學(xué)成分。用XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)對熔渣進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔渣的微觀形貌和化學(xué)成分

由圖1可以看出：用含1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)CaCO3的藥芯焊絲焊接后，熔渣內(nèi)表面微觀形貌大部分呈大塊狀，少量呈棒狀和顆粒狀，這些棒狀、顆粒狀渣零散分布且較疏松，而橫截面則呈大塊巖石狀形貌，與內(nèi)表面不同的是，熔渣橫截面較密實(shí)；當(dāng)CaCO3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增加到3%時(shí)，熔渣內(nèi)表面的塊狀形貌消失，主要呈棒束狀，內(nèi)表面還存在少量的黑色氧化物，橫截面仍然呈巖石狀形貌，內(nèi)部較密實(shí)，同時(shí)存在少量的樹枝晶狀形貌；當(dāng)CaCO3含量為5%時(shí)，熔渣內(nèi)表面的塊狀和棒束狀形貌消失，出現(xiàn)了明顯的樹枝晶狀形貌，樹枝晶狀形貌比較密集，同時(shí)內(nèi)表面還存在一定含量的黑色玻璃態(tài)渣，橫截面上的樹枝晶狀形貌更加清晰，部分已經(jīng)長出二次枝晶，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較疏松；當(dāng)CaCO3含量為7%時(shí)，熔渣內(nèi)表面上的樹枝晶狀形貌消失，內(nèi)表面覆蓋著一層致密的玻璃態(tài)氧化物，出現(xiàn)了裂紋和較多的孔洞，橫截面呈疏松的顆粒狀形貌，說明其內(nèi)部結(jié)合力很低。綜上可知，隨著焊絲中CaCO3含量的增加，熔渣內(nèi)表面的形貌由最初的大塊狀，變?yōu)榘羰鵂?，再轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻臉渲?，最后變?yōu)闃O疏松的顆粒狀。金屬結(jié)晶理論認(rèn)為物相凝固結(jié)晶時(shí)，晶粒粗大所引起的內(nèi)應(yīng)力比晶粒細(xì)小的大，且物相的方向性越強(qiáng)，內(nèi)應(yīng)力越大[15]。因此，由微觀形貌推斷，熔渣的內(nèi)應(yīng)力隨著藥芯中CaCO3含量的增加而減小。

圖1 不同CaCO3含量藥芯焊絲焊接后熔渣的內(nèi)表面和橫截面SEM形貌Fig.1 SEM micrographs showing internal surface (a, c, e, g) and cross section (b, d, f, h) of slags after welding with flux-cored wires containing different CaCO3 content

由表3可以看出：當(dāng)CaCO3含量為1%時(shí)所得熔渣橫截面上的塊狀渣和CaCO3含量為5%時(shí)所得熔渣橫截面上的樹枝晶狀渣的成分相近，都由氧、氟、鋁、鎂、硅、鈣、鈦、鋇等元素組成；當(dāng)CaCO3含量為1%時(shí)所得熔渣的塊狀渣中氧、氟、鋁、鎂、硅、鋇含量均較高，鈣和鈦含量較低，而CaCO3含量為5%時(shí)樹枝晶狀渣的氧、鈦、鋇的含量很高，氟、鋁、鎂、硅、鈣的含量較低，說明樹枝晶狀渣主要是由熔渣中的氧、鈦、鋇化合物結(jié)晶而成的。

表3 添加1%，5%CaCO3藥芯焊絲焊接所得熔渣不同位置(見圖1)的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 EDS results at different positions (shown in Fig.1) of slags after welding with flux-cored wires containing 1% and 5% CaCO3 (mass) %

2.2 熔渣的物相組成

由圖2可以看出：不同CaCO3含量藥芯焊絲焊接所得熔渣中均含有BaO和TiO2的復(fù)合氧化物(BaTiO3)和尖晶石型化合物(MgMn2O4或MnAl2O4)；當(dāng)CaCO3含量為1%，3%時(shí)，熔渣中還含有BaMg3Al2Si2O10F2復(fù)合氟氧化物，而當(dāng)CaCO3含量為5%，7%時(shí)，熔渣中的BaMg3Al2Si2O10F2復(fù)合氟氧化物消失，出現(xiàn)了Ca2SiO4結(jié)晶相。在焊接過程中，藥芯中的TiO2與BaF2反應(yīng)產(chǎn)生的BaO與TiO2結(jié)合生成BaTiO3；BaTiO3為強(qiáng)酸性氧化物，生成溫度為1 618 ℃，在焊后冷卻過程中會發(fā)生由六方晶系向立方鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，再向四方晶系的轉(zhuǎn)變，這種結(jié)構(gòu)的變化會產(chǎn)生收縮效應(yīng)，導(dǎo)致渣殼脫落。在焊接高溫作用下，TiO2可以使熔渣黏度減小、流動性變好，結(jié)晶速率變快，從而形成有利于脫渣的短渣；而尖晶石型化合物的形成則是焊縫表面產(chǎn)生黏渣的主要原因[16]。

結(jié)合表1中位置A的化學(xué)成分分析結(jié)果，可以推斷出BaMg3Al2Si2O10F2是塊狀渣的主要結(jié)晶相。隨著CaCO3含量的增加，BaMg3Al2Si2O10F2的形成被抑制，一方面導(dǎo)致熔渣變?yōu)椴ＡB(tài)，即長渣，從而降低了熔渣的內(nèi)應(yīng)力，另一方面導(dǎo)致鎂和鋁的尖晶石型化合物大量形成，從而增大了熔渣與焊縫之間的結(jié)合力。

圖2 不同CaCO3含量藥芯焊絲焊接后所得熔渣的XRD譜Fig.2 XRD patterns of slags after welding with flux-cored wires containing different content of CaCO3

2.3 焊絲脫渣性

當(dāng)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，3%，5%，7%時(shí)，焊絲的脫渣率分別為94%，91%，65%，57%，脫渣性能下降。

脫渣率是由熔渣的內(nèi)應(yīng)力和熔渣與焊縫之間的結(jié)合力共同決定的。結(jié)合XRD結(jié)果分析可知，隨著CaCO3含量的增加，熔渣的內(nèi)應(yīng)力減弱，熔渣與焊縫之間的結(jié)合力增強(qiáng)，因此藥芯焊絲的脫渣性變差。

3 結(jié) 論

(1) 隨著焊絲藥芯中CaCO3含量的增加，熔渣內(nèi)表面的微觀形貌由最初的大塊狀，變?yōu)榘羰鵂?，再轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻臉渲睿詈笞優(yōu)闃O疏松的顆粒狀。

(2) 不同CaCO3含量藥芯焊絲焊接所得熔渣中均含有BaO和TiO2的復(fù)合氧化物(BaTiO3)和尖晶石型化合物(MgMn2O4或MnAl2O4)；當(dāng)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%時(shí)，熔渣中還含有BaMg3Al2Si2O10F2復(fù)合氟氧化物，隨著焊絲藥芯中CaCO3含量的增加，熔渣中形成大量的Ca2SiO4，BaMg3Al2Si2O10F2復(fù)合氟氧化物消失。

(3) 當(dāng)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，3%，5%，7%時(shí)，焊絲脫渣率分別為94%，91%，65%，57%，即隨著焊絲藥芯中CaCO3含量的增加，焊接超低碳貝氏體鋼后的脫渣性下降。