高效-高韌-低氫埋弧焊劑TMF105的開發(fā)

■ 張 智，齊書梅，李 磊，孟憲群

1.概述

埋弧焊作為高效自動(dòng)化焊接技術(shù)，在裝備制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量已過40萬t，占焊材總量10%～12%。近年來埋弧焊材的發(fā)展方向是適應(yīng)母材的高強(qiáng)、高韌、大板厚以及高效自動(dòng)化焊接。伊薩公司在2013年和2017年連續(xù)兩屆德國焊接展上，都將高堿度的燒結(jié)焊劑 OK 10.62作為焊材類的核心產(chǎn)品，技術(shù)改進(jìn)方向從注重焊縫金屬的高韌性、低氫到提高根部焊道的脫渣性。美國林肯公司用于螺旋焊管的SPX80TM焊劑吸潮率極低，可將焊縫金屬擴(kuò)散氫含量控制在3mL/100g以內(nèi)。日本神鋼公司著力發(fā)展粘接焊劑，在焊劑中采用碳酸鹽降氫技術(shù)，使擴(kuò)散氫[H]≤2mL/100g，在C-Si-Mn系焊縫金屬中運(yùn)用Ti-B微合金韌化技術(shù)，提高材料的低溫韌性，使KV(-60℃)≥160J。關(guān)于國產(chǎn)焊劑方面的技術(shù)進(jìn)步鮮有報(bào)道，在高端行業(yè)領(lǐng)域國產(chǎn)焊劑的相關(guān)應(yīng)用也相對(duì)較少，主要依賴進(jìn)口。因此，高效高強(qiáng)低氫埋弧焊劑的成功開發(fā)將打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)高端焊材國產(chǎn)化。

2.高效高韌低氫埋弧焊劑的開發(fā)

埋弧焊施工中的主要缺陷是多層焊焊縫中的冷裂紋以及焊縫熱裂紋。其他焊接缺陷還包括：焊縫成形不良、氣孔、大熱輸入焊接接頭韌性不穩(wěn)定等。因此，在正確選擇合金系的基礎(chǔ)上，要嚴(yán)格控制原輔料的雜質(zhì)含量使焊縫金屬潔凈化，同時(shí)通過對(duì)焊劑堿度的最優(yōu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳的強(qiáng)韌性配合。

表1 焊劑化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

開發(fā)的氟堿性高堿度燒結(jié)焊劑TMF105的主要成分如表1所示，焊劑堿度為2.7，產(chǎn)品特點(diǎn)：① 焊道成形美觀，抗氣孔性強(qiáng)，脫渣性良好。②可用于DC+和AC焊接。③可用于單絲和多絲焊接。④可配合不同級(jí)別的焊絲，焊接多種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

使用焊劑TMF105配合EH14、EM12K埋弧焊絲進(jìn)行焊接（見附圖），焊接工藝性能良好。測(cè)得的熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2和表3所示，熔敷金屬化學(xué)成分滿足要求，力學(xué)性能優(yōu)異，尤其是低溫（-60℃）沖擊值高。

使用焊劑TMF105配合無縫埋弧藥芯焊絲TMF690SF（符合標(biāo)準(zhǔn)：AWS A5.23 F11A8-EC-G）進(jìn)行焊接。測(cè)得的熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能如表4和表5所示，擴(kuò)散氫含量為3.80mL/100g，滿足海工自升式平臺(tái)齒條鋼焊接對(duì)焊材高強(qiáng)、高韌、低氫的要求。

3.高效高韌低氫埋弧焊劑的應(yīng)用

開發(fā)的TMF105焊劑的典型應(yīng)用是風(fēng)電塔筒的焊接，塔筒作為海上風(fēng)電的重要裝備，要承受鹽霧腐蝕、海浪和海冰沖撞、臺(tái)風(fēng)破壞的惡劣環(huán)境影響。塔筒結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，目前，塔筒材料多采用S355NL，板厚達(dá)80mm，要求焊接接頭具有高韌性KV（-50℃）≥47J，這對(duì)于埋弧焊材的選擇提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，要求滿足高韌性和高抗裂性。國外公司已推出適用于海上風(fēng)電塔筒的埋弧焊材，國產(chǎn)埋弧焊材尚難以滿足結(jié)構(gòu)要求。

選用TM12K（EM12K）埋弧焊絲配TMF105焊劑進(jìn)行單絲和雙絲埋弧焊接，試驗(yàn)?zāi)覆臑镾355NL，板厚25mm，試板開V形坡口。焊接參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本產(chǎn)品的技術(shù)條件完全滿足海上風(fēng)電塔筒的焊接要求，同時(shí)采用雙絲埋弧焊可大大提高焊接效率，產(chǎn)品推向市場(chǎng)將助力我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

表2 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 熔敷金屬力學(xué)性能

表4 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 熔敷金屬力學(xué)性能

表6 焊接參數(shù)

表7 對(duì)接接頭力學(xué)性能

4.結(jié)語

開發(fā)了一種氟堿性高堿度燒結(jié)焊劑TMF105，焊接工藝性能好，焊道成形美觀，抗氣孔性強(qiáng)，脫渣性良好，可用于單絲和多絲焊接，配合不同級(jí)別的焊絲，可焊接多種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。高效高強(qiáng)低氫埋弧焊劑TMF105的成功開發(fā)有助于我國擺脫高端焊材產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴外國的不利局面，實(shí)現(xiàn)高端焊材國產(chǎn)化。