绪论
随着我国钢铁材料的迅猛发展，工程结构轻量化战略的实施，低合金高强钢，尤其是800～1000 MPa级的高强钢正受到越来越多的关注。低合金高强钢以其超高的强度，优良的塑性和韧性广泛应用于汽车、压力容器、电力以及工程机械等领域[1-2]。金属粉芯焊丝兼具实心焊丝与药芯焊丝的优点，熔敷效率高，同时焊缝表面少渣或者无渣、飞溅小、电弧稳定，大大减少后续打磨工序等优点，现已在我国中低级别钢材中得到广泛应用[3]，但800MPa及以上级别金属粉芯型焊材还存在冲击性能低，性能不稳定等问题，因此发展具有自主知识产权的高强钢用金属粉芯焊丝，对我国高强钢的推广应用具有重大意义。
1 渣系与合金体系设计思路
1.1 渣系设计及焊渣分布
金属粉型药芯焊丝相比较普通焊丝，其中一个******特点就是无渣或者少渣，但是对于高强钢用金属粉型药芯焊丝，为保证焊缝的强度和足够的低温韧性，需要提高焊丝中Si、Mn以及大量的合金元素和脱氧产物，因此焊缝会产生少量焊渣，该焊丝熔渣的主要成分如表1所示。
由表1可知焊丝熔渣的主要成分由MnO2、SiO2、AlO2、MgO、CaO及Na2O和K2O组成，该熔渣属中性偏酸性熔渣，Na2O和K2O 为NaF、硅酸钠、KF、钛酸钾等Na盐和k盐的氧化产物，作为主要的稳弧剂，起稳弧作用。实验表明，当K/Na为2:1时电弧最稳定。Al2O3、MgO、CaO熔点较高，可提高熔渣的熔点和粘度，通过调整它们与SiO2之间比例可调整熔渣特性。MnO2能与SiO2形成硅酸盐，调整两者比例可调整脱渣性。
表1 熔渣的主要成分及含量(%)
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名称
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MnO2
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SiO2+AlO2+MgO+CaO
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Na2O+K2O
|
其他
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含量
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～36
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～49
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～3
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～12
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在少渣的基础上，该金属粉芯焊丝还具有一个突出特点：少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置，其余位置实现完全无渣，焊渣松脆，轻触即脱，防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦，实现对硅渣的有效利用。
1.2 合金体系设计
该金属粉型药芯焊丝采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V合金体系，并加入一定量的B。该设计思路是在传统C、Mn、Si合金系的基础上，采用降低C含量，多种微量元素合金化来实现高强度和高韧性。
1.2.1低碳，该级别焊材中碳质量分数通常＜0.2%，本焊丝碳含量在0.07%～0.09%范围内，以实现良好品的塑性和韧性，避免造成焊接工艺恶化。
1.2.2主要合金元素Mn、Si、Ni，同时加入一定量的Cr、Mo、V和B，添加的主要目的是实现高强度、高韧性，同时提高焊缝的淬透性和马氏体的回火稳定性，推迟珠光体和贝氏体的转变，使得产生马氏体临界冷却速率降低。
1.2.3辅加元素Al、Mg、Ti等，既可以产生沉淀强化，还可以细化晶粒，从而提高韧性。
1.2.4加入微量稀土元素，可以脱硫，净化焊缝，同时改善夹杂物的形态与分布，从而改善力学性能和工艺性能。
2 焊缝性能分析
2.1 力学性能
试验钢板采用尺寸为300mm×100mm×20mm上海三钢SHT900高强钢，屈服强度900MPa，抗拉强度990MPa。焊接参数和道间温度直接影响焊缝组织形貌，进而影响焊接接头机械性能。综合考虑，选择焊接电流240A，电压28V，焊接速度300mm/min，焊前预热100℃，道温控制在150～160℃，角焊缝及熔敷焊缝如图1所示，焊缝化学成分及力学性能如表2～4所示。
图1 金属粉药芯焊丝角焊缝及熔敷焊缝
表2 熔敷金属化学成分(%)
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名称
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C
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Si
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Mn
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S
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P
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Cr
|
Ni
|
Mo
|
Ti
|
Al
|
Cu
|
V
|
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含量
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0.084
|
0.80
|
2.14
|
0.013
|
0.0010
|
0.62
|
2.93
|
0.71
|
0.0069
|
0.072
|
0.11
|
/
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表3 熔敷板力学性能
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拉伸试验
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冲击试验/-50℃
|
扩散氢（ml/100g）
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RP0.2(N/mm2)
|
Rm(N/mm2)
|
A(%)
|
Z(%)
|
吸收能量KV2/ J
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2.1
|
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920
|
982
|
17
|
60
|
59
|
58
|
70
|
52
|
64
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表4 对接接头力学性能
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拉伸试验
|
冲击试验/-50℃
|
|
RP0.2(N/mm2)
|
Rm(N/mm2)
|
A(%)
|
Z(%)
|
吸收能量KV2 /J
|
|
915
|
970
|
16.5
|
40
|
62
|
55
|
60
|
50
|
53
|
2.2 斜Y裂纹试验
试验按照GB4675.1-89进行，试板规格75mm×100mm×30mm，装配后坡口角度60°，间隙2.0±0.2mm，焊接后放置48h进行表面着色探伤和刨面裂纹检测，试验如图2所示。结果发现无论是表面还是断面均未发现有裂纹出现，说明在强拘束试验条件下，该焊丝具有良好的抗冷裂纹能力。
图2 斜Y裂纹试验
2.3 不同线能量与道间温度时力学性能
焊缝力学性能受热输入量及道温的影响，为了评估焊材在热输入变化时的稳定性，进行了4组不同焊接条件下熔敷试验，试验规范如表5所示。试验结果表明，当线能量从1.01 kJ/mm增加到1.46kJ/mm时，抗拉强度在952～1000MPa之间变化较小，冲击韧性在40.2～57.3J变化（见图3），说明该金属粉芯型药芯焊丝在热输入量发生波动时比较稳定。研究表明，线能量较低时，焊缝组织主要为细针状铁素体组织，随着线能量增大，开始逐渐有贝氏体出现，这也是冲击韧性下降的原因。综合分析焊材性能稳定，推荐使用第3组参数作为焊接参数，性能更优。
表5熔敷金属焊接条件
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组别
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电流
/A
|
电压
/V
|
焊接速度
/(mm/min)
|
道间温度
/℃
|
线能量/(kJ/mm)
|
|
1
|
240
|
28
|
400
|
100
|
1.01
|
|
2
|
240
|
26
|
300
|
150
|
1.25
|
|
3
|
240
|
28
|
300
|
150
|
1.34
|
|
4
|
260
|
28
|
300
|
200
|
1.46
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图3 热输入及道温对力学性能的影响
3应用领域
该焊丝系列化后可用于800～1000MPa级高强钢的焊接，如我国已经先后开发出14MnMoNbB、HQ80和HQ80C等抗拉强度800MPa的低合金调质钢，配套该级别金属粉型药芯焊丝，可广泛应用于工程机械、矿山机械的制造中，如推土机、工程起重机、重型汽车和牙轮钻机等[4-5]。此外更高强度级别低合金调质钢，如HQ100焊接时需要高强度、良好的低温冲击韧性和抗裂性能，配套该焊丝主要应用于高强度焊接结构要求承受冲击磨损部位，如工程机械、核动力装置及航海、航天装备上。
4 结论
4.1通过对焊渣的合理设计实现硅渣的利用，使少量硅渣呈片状集中分布在焊缝中央位置，其余位置实现完全无渣，焊渣松脆，轻触即脱，防止因焊渣分布在焊趾位置带来的清理麻烦，实现对硅渣的有效利用。
4.2采用Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V合金体系以及微合金化设计，实现该焊丝的高强、高韧性。
4.3本文所设计高强高韧性的金属粉芯型药芯焊丝，强度级别在800～1000MPa，具有良好的力学性能和低温抗裂性能，完全满足该强度级别钢材的配套使用。
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