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1、Cr-Mo-V钢焊条中Si对焊缝性能和工艺性的影响（二重集团（德阳）重型装备股份有限公司）刘应虎 叶小松 管红亮 郑 强摘要：为了改善采用焊条电弧焊工艺焊接2.25Cr-1Mo-0.25V钢的熔敷金属的低温冲击性能，特别是-30低温冲击性能，以及熔敷金属的步冷回火脆性，同时能够更好地掌握和了解该类焊条的操作特性。文中以CMA-106HD焊条为例，在焊接过程中采用了不同的操作方式对不同批号的焊接材料进行了试验和分析，同时采用该类焊条对不同厚度的该类铬钼钒钢试板进行了焊接工艺评定，通过采用对焊缝熔敷金属进行化学成分分析,以及对焊缝金属进行步冷试验等手段，研究了焊缝金属中Si含量的变化对焊缝的低温冲
2、击的影响，同时以此来分析焊条的工艺性。结果表明，对于不同含Si量的焊条，可以采用不同的焊接参数和操作技巧在一定的程度上来控制熔敷金属中的含Si量，从提高焊缝金属的综合性能。关键词：焊条电弧焊(SMAW) 回火脆性 综合性能 控制作者简介：刘应虎 (1974)，男，四川人，高级工程师，工程硕士，主要从事焊接试验和焊接工艺评定工作。Effection of the Si Element of in Cr-Mo-V Electrodeson Operational Characters and on Properties of Weld Deposited（CHINA ERZHONG GROUP（D
3、EYANG）HEAVY INDUSTRIES CO. LTD.）Liu Yinghu Ye Xiaosong Guan Hongliang Zhen QiangKey words: Shield Metal Arc Welding (SMAW) Temper-brittleness Integrated Properties ControlAbstracts: The aim was to improve the impact results of -30 low temperature and to amend the temper brittleness characters of ste
4、p cooling of the deposited metal, in which the Cr-Mo-V steel was welded by SMAW, and to deeply master the operational technology of this kind of electrodes. In the papers, the CMA-106HD electrodes were the particular welding materials in this experiment. In the welding process, different operational
5、 ways had been used for many lots of welding electrodes and vary plates of Cr-Mo-V steel had been produced by using this kind of electrodes for Welding Procedure Qualification. It had been instituted that the Si contents of the welding deposited metal affected the low temperature impacts and induced
6、 to explain whether the electrodes operational characters is nice by analyzing chemical components of the welding center and by doing step cooling test for deposited metal. The results showed that the contents of Si element would be controlled in some degree by adjusting the welding parameter and by
7、 different operational ways, in order to get the better integrated properties of welding deposited metal.0. 前言在我公司含钒钢容器产品的生产制造过程中，其主体材料涉及的焊接方法主要有焊条电弧焊（SMAW）和埋弧自动焊（SAW）。在对于焊条电弧焊，我公司选用了牌号为CMA-106HD的低合金钢焊条，在该类焊条的焊接评定试验和焊接生产过程中发现其熔敷金属Si的含量的不同，将在一定程度上反映出该焊条在焊接过程中的外观成形的变化,同时发现其对冲击韧性以及步冷试验结果的影响较为明显。本文针对同一牌
8、号不同含Si量的焊条进行了评定和试验，分析了不同批次的CMA-106HD焊条，当熔敷金属中Si含量不同时，其对应的焊缝性能和工艺性能的变化；同时根据生产过程中出现的有关现象，对该类焊条的焊接提出了较为合理的工艺参数控制以及在操作过程中需要注意的有关事项和要领，其相关理论可以为同类Cr-Mo-V钢焊条的应用和制造提供部分参考，涉及的操作要领可以为同类焊接材料的焊接提供一定的帮助。1. 含V钢焊条中Si对性能的影响硅对焊缝金属组织和性能的影响主要表现在具有较强的强化作用，在一定程度上降低了焊缝金属的冲击韧性使焊缝金属的脆性增大，如果熔池中的含硅量较高将阻止氢的析出导致焊缝金属形成气孔13 因而需要
9、合理地控制焊缝金属中的含硅量。在生产2.25Cr-1Mo-0.25V钢为主体材料的加氢容器时，从产品的技术规程中不难发现其通常要求的回火脆性系数涉及X系数和J系数，其中一般要求J = ( Si +Mn) ( P + Sn)104 100 (目标值80，式中元素以其百分含量代入)，X = (10P + 5Sb + 4Sn +As)10- 2 15ppm (目标值12，式中元素以其ppm含量代入)，通常J系数用来阐述母材的回火脆性指标，X系数用来阐述焊缝回火脆性指标，尽管其针对的方向不同，但是从中可以分析到Si元素和P元素含量与回火脆性有一定的关系。另外根据资料4，焊缝金属中影响脆化的主要元素是S
10、b、P、Sn、As，其脆化敏感性的影响顺序是PSnAsSb。而焊缝金属中的合金元素如Si、Mn本身不会引起脆化，但会促进P的脆化作用，Si含量在Cr-Mo-V钢中降低的同时，回火脆化量成直线减少，因此为降低回火脆化，需要采取低Si化焊接材料，同时P元素含量也需要控制适当。在对CMA-106HD焊条进行焊接工艺评定试验和入库检验时发现，在其它元素变化范围非常小的情况下，当熔敷金属中Si的含量由高变低时，其焊缝中心-30的冲击韧性有一定的改善，而且其回火脆性有较大的改观。表1为四个典型的不同批号的CMA-106HD焊条的熔敷金属的化学成分，从中可以看到，除了Si元素含量的变化较为明显外，其它元素变
11、化范围非常小，这点也得到了厂家有关资料的证实。表1中涉及的熔敷金属的焊接过程的控制和焊接规范参数均相似，其焊条直径为4.0mm，电流170 A -175 A，电压22V-24V，并且取样位置均在焊缝中心进行。表1 相同的规范下不同批号的CMA-106HD熔敷金属成分（wt%）Table 1. The chemical composition of the different lots of CMA-106HD welding deposited under the same condition焊条批号CMnSiPSCrMoNiVAsSnSbNb1#510A0.070.940.260.0070.
12、0022.541.010.0300.310.0030.0010.0020.0222#511A0.070.970.270.0090.0022.551.020.0300.320.0020.0010.0010.0203#513S0.070.930.210.0070.0022.371.010.0300.270.0060.0020.0020.0144#514S0.090.950.220.0060.0022.451.020.0310.300.0040.0020.0020.013在分析中发现，当熔敷金属中Si的含量从0.27到调整到0.21时,其熔敷金属-30的冲击韧性有明显变化和改善，其冲击值从125J上
13、升到150J，3#试验对应的-30冲击值由于出现了一个低值，而导致冲击功仅为123.7J，但从趋势上可以看到其冲击值应优于1#和2#焊条。当熔敷金属中Si的含量范围在0.20%-0.21%之间时，其步冷曲线有非常大的改善，其步冷前后曲线的变化趋势较为一致，使得VTr54的值非常小，此时VTr5414，如图3和图4所示，图3为编号为3#焊条熔敷金属的步冷曲线图，图4为编号为4#焊条熔敷金属的步冷曲线图；当焊缝熔敷金属Si含量范围提升到0.26-0.27之间时，其步冷前后曲线之间的距离相对较大，VTr541013；如图1和图2所示，图1为编号为1#焊条熔敷金属的步冷曲线图，图2为编号2#焊条熔敷金
14、属的步冷曲线图。在试验过程中，其热处理过程均采用相同的规范，其焊接接头经最小焊后热处理（Min.PWHT）以及经最小焊后热处理加步冷处理后进行取样试验，最小热处理规范为；试验编号：2G30-31-30冲击值：128.7J试验编号：2G34-35-30冲击值：121.7JVTr54=-64; VTr54=-53; VTr54+3(VTr54-VTr54)= -31;VTr54 = -58; VTr54= -47;VTr54+3(VTr54-VTr54)= -25;图1 编号为1#焊条的焊缝步冷曲线图Fig.1 The welding deposited step-coolingcurve of
15、the No. 1 electrodes图2 编号为2#焊条的焊缝步冷曲线图Fig.2 The welding deposited step-coolingcurve of the No. 2 electrodes试验编号：8G143-144-30冲击值：123.7试验编号：12G96-97-30冲击值：157.3VTr54=-63; VTr54=-59;VTr54+3(VTr54-VTr54)=-51;VTr54=-65; VTr54=-64; VTr54+3(VTr54-VTr54)=-62;图3 编号为3#焊条的焊缝步冷曲线图Fig.3 The welding deposited ste
16、p-coolingcurve of the No. 3 electrodes图4 编号为4#焊条的焊缝步冷曲线图Fig.4 The welding deposited step-coolingcurve of the No.4 electrodes从试验中可以发现，焊缝中Si含量的变化可能引起步冷前后曲线的变化，一般Si含量越低，其步冷前后两条线越容易重合，当然这需要保证其它元素的相对稳定而且焊接材料的综合性能较好的条件下；这一点可以从SAW的焊接材料试验中得到一些证实8，从ASME -2（2004版）附录26中表26-400.1中可以看到对于不同的焊接方法，如SAW和SMAW,其对焊缝化学成
17、分的要求除了Si以外其它的化学的要求是相同的，见表2所示；在进行埋弧自动（SAW）焊接方法的试验时，发现在其它元素变化范围不大的情况下，其步冷曲线和-30冲击功也将随着Si元素的变化而发生明显的波动，而且变化规律与SMAW焊接方法中焊缝金属的变化规律类似，同时在试验中发现当Si含量较低时容易出现曲线倒转的情况。表2 ASME标准中SMAW和SAW焊接方法焊接2.25Cr-1Mo-0.25V钢对焊缝化学成分的要求Table 2. Composition requirements for 2.25Cr-1Mo-0.25V welding by SAMW and SAW in ASME code焊接
18、方法CMnSiCrMoPSVNbSMAW0.05-0.150.50-1.300.20-0.502.00-2.600.90-1.200.015 max.0.015 max.0.20-0.400.01-0.04SAW0.05-0.150.50-1.300.05-0.352.00-2.600.90-1.200.015 max0.015 max0.20-0.400.01-0.042. 加V钢焊条中Si对焊缝成型的影响CMA-106HD耐热钢低氢型焊条，其属于碱性焊条。在焊接过程中发现，药皮中含Si量高的焊条，如1#焊条和2#焊条，其焊接熔池的流动性较好，其渣的粘度较小，焊接时飞溅较小，焊缝表面成型美观
19、，相反，当采用Si含量较低的焊条时，发现其焊接过程中熔池的粘度较大，焊接时熔渣不容易逸出，熔池中熔渣不断涌向焊接方向而影响焊接操作人员对熔池的观察，同时其焊接过程中出现飞溅比含Si量高的焊条要多一些，焊缝表面成型也较前者差一些，如3#焊条和4#焊条；其原因可能是在碱性焊条中存在一定量的高熔点碱性氧化物如CaO，同时为了满足焊条的工艺性，在焊条药皮中需要将加入一定含量的SiO2，或者有相似作用的Si化合物。资料表明5,在焊条电弧焊的熔池中，当SiO2与CaO满足CaO/SiO2=1.87时，形成正硅酸盐(CaO)2.SiO2，此时渣中的Si-O离子主要以小尺寸SiO44-形式存在，熔池渣的粘度较
20、小。由于3#焊条和4#焊条中的Si含量过低，其熔池渣系中可能存在一定量的CaO，这些CaO以未熔化的固体颗粒出现，从而增大了渣的流动阻力，使粘度升高，而导致焊接过程中不时出现瞬间爆弧的现象，这也是焊条飞溅增大的原因之一。当焊条药皮中加入一定量的SiO2时，此时CaO与SiO2非常容易形成低熔点硅酸盐（如CaO. SiO2，熔点1540）6，使熔渣粘度下降，从而焊条的工艺性得到了一定的改善，此时焊条在焊接过程中表现出飞溅小、焊缝成型光滑，如1#焊条和2#焊条，但是熔池渣中存在大量的Si的化合物会导致焊缝金属中Si的含量增加，而导致焊缝力学性能受到一定的影响。3. 焊接参数对Si影响；在手工电弧焊
21、的条件下由于焊条药皮及焊芯都将经历一个超高温的过程，熔滴平均温度达21002200 ，熔池温度达16002000，在这样的高温条件下，熔池将发生一系列高温冶金反应，其焊条药皮碱度的组成成分如硅铁、锰铁以及渣中FeO 都将影响熔敷金属中的含硅量7。但是在某一种焊条生产工序完成时，其中的各种成分就相对比较稳定了，这时只可能通过焊接参数来实现熔敷金属中Si含量的微弱调整。在焊条使用的过程中，分析焊接工艺参数与Si还原反应的关系，可以发现熔敷金属中的含Si量随着电压的增加和电流的减少而增加。增加焊接电流，降低熔滴过渡频率增加，氧化反应的时间变短，Si的氧化损失减少，熔池中Si的含量也相应减少；反之，增
22、加电弧电压，氧化反应的时间增长，Si的损失率增加，熔池中含Si量也相应增大5。因此对于采用常规参数和常规的操作方法获得的熔敷金属，当发现其熔敷金属中Si的含量较高时，如1#焊条和2#焊条，此时可以采用偏大的焊接电流和偏低的焊接电压。例如，电流可以调整为180 A -190A,操作中应注意控制电弧长度，易采用短电弧进行焊接，通过操作人员有意识的压制电弧来实现低的焊接电压，这样可以减少Si的氧化时间，使药皮中少量的Si氧化到熔敷金属中，从而在一定程度上提高焊缝的冲击韧性，同时由于渣系反应中Si的含量较高，其焊缝的外观成型非常美观，及时使用短的电弧进行焊接也不容易出现大的飞溅，在坡口的焊接过程中可以
23、减少坡口边缘的停留时间，因为大的电流可以使坡口边缘较好的熔合，不容易形成咬边。相反，当发现采用常规参数和常规的操作方法获得的熔敷金属中的Si的含量较低时，如3#焊条和4#焊条，此时可以采用偏小的焊接电流和偏高的焊接电压，焊接电流可以调整为155-160A,因为电流过大可能会导致焊逢成型差的现象出现，在操作过程中可以使焊条角度适当变化，以便于推动较为粘的熔池，使熔池不易过多地涌到焊接方向的前端，同时在焊接工件坡口两边时，需要增加停留时间，以使坡口边缘较好地熔合，通常Si含量较低时，其焊条的工艺性相对要差一些，焊缝外观成型效果要弱一些。在试验中发现当Si含量过低时，该焊条的工艺性通常不能较好地满足
24、焊接的要求，当然这与其它元素的匹配还有一定的关系。4. 关于Si含量的讨论；在ASME标准中，可以发现不同的焊接工艺，其焊缝熔敷金属中对Si含量的控制是不同的。而对于相同的母材，笔者认为是否可以这样理解：只要焊条的工艺性能够满足要求，SMAW方法中对Si含量的要求不应该进行下限值的限制，可以调整为0.05-0.50%；Si元素含量为0.05-0.50%为ASME标准中采用SAW工艺焊接时对熔敷金属的要求；这样，在使用2.25Cr-1Mo-V钢的系列焊条时，可以不必过多考虑熔敷金属对Si的下限值的要求，而ASME标准中要求Si含量应大于0.20%。在实际的生产过程中，当某批焊条药皮中含Si量较低
25、时，只要综合性能够满足要求，在产品的焊接过程中也就不需要通过一些特殊手段来控制Si含量必须大于0.20%的有关要求。5. 结论；（1） 在采用CMA-106H焊条焊接工件时，在其它成分相对稳定的情况下，当熔敷金属中Si的含量较低时，其-30冲击韧性值较高，其Si含量的范围在0.20-0.22%时的焊条的步冷数据较Si含量的范围在0.26-0.27%的焊条的步冷数据要优越一些，但工艺性要差一些；（2） 通过对不同批号和不同厂家提供的2.25Cr-1Mo-0.25V钢的焊条的试验，笔者认为在不影响焊条综合性能的前提下，其熔敷金属中Si的含量可以低于ASME标准中对该类焊条的熔敷金属对Si的要求值0
26、.20%；（3） 焊接参数对熔敷金属中Si的含量有一定的影响，对于不同批号的焊条可以采用不同的焊接工艺参数来调节熔敷金属中Si的含量，从而在一定程度上改善熔敷金属的性能，特别是对步冷特性的改善；参考文献【1】 Evans G .M. Effects of silicon on the microstructure and properties of C-Mn all weld metal deposits J. Metal Construction 1986(7), P438, P444；【2】 Hannerz N.E. The influence of silicon on the mech
27、anical properties and the weldability of mild and high tensile structural steelsC. IIW Doc.-11 P69- P80;【3】 . .帕豪德涅著. 焊缝中的气体M. 北京:机械工业出版社 1977 P256；【4】 张幼德Cr-Mo钢的焊接性和回火脆性分析化工设备与管道 2002.5;【5】 张文钺主编焊接冶金学（基本原理）P12，P29 天津大学 1997年10 机械工业出版社出版； 【6】 董若瑾编冶金原理北京 机械工业出版社，1980；【7】 熊征 陈德斌 桂赤斌碱性焊条中硅的过渡行为研究海军工程大学 武汉;【8】 2004 ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Division-2, Mandatory Vappendix 26；第 5 页 共 5 页
