MnO对碳钢药芯焊丝性能影响研究_寇伟祥.pdf

2023 年 2 月材料开发与应用文章编号:10031545(2023)01001706MnO 对碳钢药芯焊丝性能影响研究寇伟祥1，张明洋1，韩欢庆1，2(1 天津三英焊业股份有限公司，天津 301700;2 安泰科技股份有限公司，北京 100081)摘要:以 T492T11C1A 型药芯焊丝为例，通过对熔渣组分、熔敷金相组织、熔敷金属化学成分、扩散氢含量、力学性能的试验对比与分析，研究了 MnO 在配方中不同加入量对焊缝组织及熔敷金属力学性能的影响。结果表明，随着 MnO 的加入量增多，熔敷金属中 Mn 与 O 含量未呈现明显变化;熔敷金属的拉伸试验伸长率和低温冲击吸收功先升高后降低，在 MnO 质量分数为 05%时获得了较好的焊缝微观组织和力学性能;熔敷金属扩散氢含量有降低趋势。关键词:药芯焊丝;MnO;力学性能中图分类号:TG422.3文献标识码:AStudy on Effect of MnO on Properties of Carbon SteelFlux Cored WireKOU Weixiang1，ZHANG Mingyang1，HAN Huanqing1，2(1 Tianjin Sainteagle Welding Co，Ltd，Tianjin 100081，China;2 Advanced Technology and Materials Co，Ltd，Beijing 301700，China)Abstract:Taking T492T11C1A flux cored wire as an example，the influences of different additions of MnO in the formula onthe weld structure and the mechanical properties of the deposited metal is studied by comparing and analyzing the slag composi-tion，metallographic structure and chemical composition of the deposited metal，diffusion hydrogen content and mechanical prop-erties The results show that with the increase of MnO addition，the contents of Mn and O in the deposited metal do not show sig-nificant changes The elongation and lowtemperature impact absorption work of the deposited metal increase first and then de-crease Better weld microstructure and mechanical properties are obtained when the mass fraction of MnO is 05%The diffusionhydrogen content of the deposited metal tends to decreaseKeywords:flux cored wire;MnO;mechanical property收稿日期:20220829作者简介:寇伟祥，男，1984 年生，主要从事药芯焊丝研制。引用格式:寇伟祥，张明洋，韩欢庆 MnO 对碳钢药芯焊丝性能影响研究 J 材料开发与应用，2023，38(1):1722KOU W X，ZHANG M Y，HAN H Q Study on effect of MnO on properties of carbon steel flux cored wire J De-velopment and Application of Materials，2023，38(1):1722随着药芯焊丝在造船、桥梁及钢构领域使用量的增加，对药芯焊丝的质量需求也随之提高，尤其是在药芯焊丝中消费量最大的 T492T1 1C1A 型药芯焊丝(执行 GB/T 100452018 标准)，该种焊丝为金红石型渣系，具有焊接工艺性好、成型美观、焊接效率高等特点。为了获得良好的焊接质量与力学性能，药芯焊丝常常在焊丝填充物中添加碱金属元素、稀土元素、氟化物和含硅锰的组分等，用以加强脱氧来获得更洁净的焊缝，其中常用的锰组分有锰单质、含锰合金及锰的氧化物等。近年来对锰的氧化物 MnO2在药芯焊丝中添加后的研究较多。张占伟等1 发现 MnO2可提高熔敷金属含氧量，降低残留 Al 含量，得到以71DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.010材料开发与应用2023 年 2 月Al2O3为主的圆形夹杂，增加异质形核核心，促进针状铁素体形成，细化组织，提高冲击韧性;川本裕晃等2 发现酸性渣系中一定比例的 MnO2可以促进 MnO2Mn+O2，Si+O2SiO2等反应，抑制含Si 的低熔点化合物的形成，降低热裂纹敏感性;曹全金3、杨刚4 与 HUANG 等5 采用 MnO2作为表面活性剂，以增加熔深、促进熔滴过渡、减小飞溅、改善表面成形、减小焊件角变形和降低热裂纹敏感性。但对于 MnO 在药芯焊丝中使用的研究较少。郑秀芹等6 和栗卓新等7 采用 SiO2和 MnO 结合成复合物 MnOSiO2形成熔渣以提高冲击韧性;王恒等89 采用 MnO 作为碱性氧化物提高熔渣碱度以降低焊缝金属气孔敏感性和热裂纹敏感性;一般认为 MnO 在熔渣中占比过大会增大黏度，影响脱渣。MnO 作为低价态 Mn 氧化物，仍保留与氧结合的能力，能够配合先期脱氧的碱金属进行后期脱氧，而对于这一作用鲜见研究。本试验研究了T492T11C1A 药芯中 MnO 质量分数变化对熔渣中氧化物、熔敷金属夹杂物、熔敷金属基础化学成分、O 与 N 含量、扩散氢含量、力学性能等的影响，并对其原因进行了分析。1试验材料及设备11试验材料试验用母材为 Q235B，规格 150 mm300 mm20 mm。通过调整药芯中 MnO 的含量，自制了 4种碳钢药芯焊丝，药芯组分如表 1 所示。焊丝外皮采用普通低碳钢带制作，钢带规格 10 mm14mm，化学成分如表 2 所示。焊丝药芯填充率为(1305)%，焊丝直径为 12 mm。表 1试验焊丝药芯主要成分Table 1Main composition of the test wire flux core(w)%序号TiO2SiO2Al2O3NaFMgFeK/NaAlMnO13004500545104510500540余量256007320023004500545104510500540余量256007320533004500545104510500540余量256007321043004500545104510500540余量2560073215表 2钢带化学成分Table 2Chemical composition of steel strip(w)%CMnSiSPCrNiAl001500550103002800300300500500512试验设备及方法焊接使用松下 K500 焊机。用 XF1800型荧光分析仪分析渣壳化学成分。用 OLYMPUSGX51 金相显微镜分析金相组织。用 JSM7800F扫描电 镜 分 析 焊 缝 夹 杂 物 组 成 及 分 布。用MAXX 型直读光谱仪分析熔覆金属化学成分，其中氧、氮含量用 TC500 型氧氮分析仪进行检测。力学性能试验分别在 WAW600 型拉伸试验机和 JB300B 型冲击试验机上进行。用 G4 DH I型扩散氢分析仪采用热导法测量焊缝金属中扩散氢含量。焊接 工 艺 参 数 如 表 3 所 示，按 照 GB/T2577412010 标准进行试板制备与试样加工。表 3熔敷金属焊接工艺参数Table 3Welding process parameters of deposited metal焊接电流 I/A电弧电压 U/V焊接速度/(mmin1)焊接极性层间温度 t/焊接层数干伸长度 L/mm2202802832036DCEP150156152581第 38 卷第 1 期寇伟祥，等:MnO 对碳钢药芯焊丝性能影响研究选取焊接接头制成拉伸试样。按 GB/T100452018 非合金钢及细晶粒钢钢药芯焊丝标准规定进行焊缝金属拉伸性能试验。垂直于焊接方向，选取焊缝金属制成冲击试样。按 GB/T100452018 规定进行20、40 和60 冲击性能试验。冲击试样尺寸为 10 mm10 mm55mm，V 型缺口，深度 2 mm。瞬间摆锤速度为 5m/s，每组取 5 个试样，记其平均值。按 GB/T39652012 熔敷金属中扩散氢测定方法 规定，采用热导法测量焊缝金属中扩散氢含量。试样尺寸为 80 mm25 mm10 mm。环境温度 20，相对湿度 39%。每种焊丝焊缝金属试样的扩散氢含量取 4 次检测结果，记其平均值。2试验结果与分析21渣壳成分检验结果与分析对焊缝表面渣壳进行取样、研磨、烘干和荧光分析，其成分结果如表 4 所示。表 4渣壳成分检验结果Table 4Test results of slag shell composition(w)%序号K2OCaONa2OMgO氧化锰SiO2TiO2Zr2O3Al2O3Fe2O3107703516370814339805561029451475207603315673414701000554303045049730770351406881551101855230294604404077027140702162410605453030458391表 4 结果显示，随着 MnO 加入量增加，渣壳中氧化锰和 SiO2含量逐渐增加。经过分析，氧化锰含量的增加是由于加入的 MnO 主要进入熔渣，而 SiO2含量的增加是由于 MnO 在熔渣中可以发生 MnO+SiO2MnOSiO2反应，其中 MnO熔点 1 270，SiO2熔点 1 723，生成产物MnOSiO2复合物熔点 1 291。MnO 的加入量增多可以促进反应向右进行，破坏 SiO 离子键，避免酸性渣中的 SiO2与 O2结合生成复杂的 SiO 阴离子，降低熔渣黏度，促进 SiO2形成 MnOSiO2复合物进入熔渣。22焊缝金属金相及夹杂物分析金相显微镜下焊缝金属中夹杂物形貌及分布如图 1 所示。焊缝组织主要由先共析铁素体和针状铁素体等组成，焊道上部经过多层多道焊热循环后组织细密以针状铁素体为主，焊道下部则组织相对粗大以先共析铁素体为主。随着MnO 在药芯焊丝中加入量增加，焊缝中大尺寸夹杂物先减少后增多。当 MnO 质量分数为 05%时，在同倍数的金相显微镜下观察，夹杂物较少，焊缝组织比较洁净且均匀细致。当 MnO 质量分数增至 15%，大尺寸夹杂物明显增多，组织均匀性也变差。在 4 个不同 MnO 加入量的焊缝金属组织中取典型形貌与尺寸的夹杂物进行扫描电镜分析，均符合以下特征:大尺寸夹杂物主要是复合硅酸盐，小尺寸夹杂物主要是 Ti 与 Mn 等的氧化物。取多道焊焊道间的典型形貌与尺寸的夹杂物，分析成分结果如图 2 所示。91材料开发与应用2023 年 2 月图 1焊缝金属中夹杂物形貌及分布Fig 1Topography and distribution of inclusions in weld metal图 2焊道间典型形貌夹杂物的尺寸及成分检验结果Fig 2Test results of the size and composition of typical morphological inclusions between weld beads由图 2(a)可见大尺寸夹杂物主要是硅酸