沙钢高品质焊丝钢研发现状及重点产品
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摘要：首先介绍了沙钢焊丝钢生产的技术装备和工艺路线；然后介绍了焊丝钢新品的研发流程，并简要介绍了提高焊丝钢工艺性能的低飞溅控制技术、高纯净焊丝钢的双渣冶炼技术、以及基于表面质量控制的热轧技术；最后介绍了部分新品焊丝钢的最新进展。
关键词：焊丝钢；埋弧焊丝；气体保护焊丝；海工钢焊丝；大热输入焊丝
中图分类号：TG422
0 沙钢焊丝钢生产概况
装备方面，采用“100吨电炉/180吨转炉炼钢LF精炼真空处理小方坯连铸高线控轧斯泰尔摩缓冷”流程工艺路线，具备年产300万吨的多品种、多规格焊丝钢盘条的生产能力。技术方面，形成了“双渣脱磷”，“预脱硫”等高纯净钢生产技术、基于盘条表面氧化皮控制的加热和轧制技术、降低焊丝产品焊接飞溅的冶炼和轧制技术、用于提高盘条拉拔性能的组织控制的控冷技术等。
借助上述装备和技术优势，使得普通级别焊丝钢的表面质量和拉拔性能等多项指标较以前有显著提高；2012年各类焊丝钢新品产销均创历史新高，如气体保护焊丝钢盘条销售35万吨，埋弧焊丝钢盘条销售5万吨。在新品研发方面，形成了“实验室研发-现场生产-用户试用反馈”三位一体的新品研发体系。通过客户交流和市场调研摸清用户需求，通过实验室分析设计和工艺制定中试方案，根据反馈结果制定现场冶炼轧制工艺，再通过现场跟踪和用户使用跟踪查清产品性能，并通过用户反馈优化成分设计和生产工艺。截至目前，通过不懈努力，沙钢在焊丝钢产品开发方面取得了一系列重大成果。近年来成功研发管线钢配套埋弧焊丝、高强钢配套气体保护焊丝、船舶海工钢配套焊丝及大热输入专用焊丝等系列产品。为进一步满足用户和市场需求，主要瞄准不锈钢和高温合金等领域用特钢的高合金焊丝钢冶炼生产平台正在建设中，预计10月份可投入生产。
1 沙钢焊丝钢研发流程
图1为基于“实验室研究-现场生产-用户试用反馈”的焊丝钢研发流程，主要包括三个阶段：实验室研究、现场生产、用户使用反馈；三个阶段相互反馈，共同影响焊丝钢产品的研发效率和生产质量。对于普通级别焊丝钢，可采用“100吨电炉LFVD保护浇铸方坯”或“180吨转炉LFRH保护浇铸方坯”冶炼技术；但是针对纯净钢，在上述路线基础上，通过应用双渣除磷技术、合金包芯线除硫技术等可确保钢水P≤0.06‰，O， S和N≤0.03‰ [1]。
盘条表面质量控制方面：通过优化加热制度，减小Fe2SiO4层厚度的作用，有效减小氧化皮嵌入量；优化轧制工艺后提高吐丝温度，改善冷却水质量，增大除鳞水压，有效解决盘条表面红锈问题[2]。
提高拉拔性能方面：通过研究材料的CCT行为，采用Stelmor控冷设备缓冷轧后盘条，使盘条拉拔之前无需回火也不会造成拉拔断丝问题。
降低气体保护焊丝焊接飞溅方面：通过优化精炼渣成分，提高夹杂物吸附能力，延长软搅拌时间，促进大型夹杂物上浮，加强连铸氩气保护，防止增氮和二次氧化等措施，有效控制了Ca，S等杂质元素造成的焊接飞溅问题。
因此，通过这套“三位一体”的焊丝钢研发体系，不仅缩短研发生产流程，拓展焊丝钢品种，而且能有效地控制焊丝钢生产的各项质量指标。
2 沙钢高端焊丝钢新品研发
2.1 管线钢配套埋弧焊丝
2.1.1 X80/90/100配套埋弧焊丝
近年来，天然气、石油工业飞速发展，采用大直径、高压力提升单管输送能力是管道大型化发展的趋势。这就要求输送管线具有很高的强度和良好的低温韧性。于去年开工建设的我国“西气东输”工程中的“三线”用钢选用X80，淘汰了 “二线”中采用部分X70[3]；而在规划中的“四线”和“五线”工程中将采用新一代管线钢X90/100 [4-6]，这就需要配套的埋弧焊丝。
采用Mn-Ni-Mo-Cr合金设计，并通过合金元素控制焊缝淬性、相变温度、晶粒度、晶粒形态等进而控制显微组织；通过合金元素强化焊缝金属基体组织，以达到高强度和低温冲击韧性的搭配。
图2为采用新研制焊丝、采用四丝双面埋弧焊接后得到的焊管的典型焊缝微观组织。
从图2中可见，焊缝组织主要由针状铁素体、沿奥氏体晶界结晶的板条状贝氏体以及少量粒状贝氏体组成，其中的针状铁素体晶态大小不等，彼此咬合、互相交错分布，板条贝氏体的排列较为规则，但被不规则的针状铁素体和粒状贝氏体挤压分割，使其板条束较为细小，这也是焊缝具有较高强度，同时具有较好韧性的原因[7， 8]。
对X80/90/100配套埋弧焊丝的焊缝金属进行拉伸和冲击测试，力学性能结果如表1所示。由表1可知，X80/90/100配套焊丝经焊管试验的焊缝强度能够满足美国石油学会标准API—5L分别对各级别管线钢强度的要求，三种级别焊丝的焊缝金属-20 ℃冲击吸收能量分别在180 J， 150 J和120 J以上，满足API—5L对X80/90/100管线钢的低温韧度要求。
2.1.2 弯管管线钢配套焊丝
管道建设中需要直管（直缝管和螺旋管）和弯管相配合以完成连接部分，弯管是在直管的基础上经在线中频加热、热弯曲变形、淬火、高温回火等工序完成[9]。由于没有专门配套焊丝，弯管厂商普遍采用直管用焊丝，但常出现焊接金属低温冲击不合格，影响产品性能。
经研究发现，直缝管经加热、热弯曲变形后，焊缝组织易出现粒状贝氏体，而随后的淬火、回火未能有效地降低这种脆性组织的含量。弯管管线钢配套焊丝利用Mn， Ni和Mo等脆性矢量较小的元素，降低奥氏体γ铁素体α相变温度，使先共析铁素体、侧板条铁素体、珠光体和贝氏体转变温度区分离，在较宽的温度范围内获得针状铁素体，同时控制贝氏体的转变温度范围，因此可以有效控制弯管制作过程中的脆性组织含量，从而提高韧性。
图3示出了采用新开发焊丝制成的埋弧直缝管、以及热煨弯管的典型焊缝组织。弯管中保留了大部分韧性较好的铁素体，只有少量的脆性贝氏体组织。
原焊丝与弯管配套焊丝焊管试验的焊缝低温冲击韧性结果如表2所示。相比原焊丝，配套焊丝提高了直缝管的低温冲击韧性，并且使弯管焊缝-20 ℃冲击吸收能量由原焊丝的最低31 J提高到最低131 J，也说明采用新焊丝能有效控制脆性组织的转变，同时配套焊丝的-40 ℃焊缝冲击吸收能量也远优于标准要求。
2.1.3 低温管线钢配套焊丝
在中国境内建设的油气输送管道对钢管的冲击性能是满足-10 ℃或-20 ℃冲击吸收能量要求的；但在俄罗斯或北极圈附近建造的管道则会有-40 ℃冲击吸收能量要求，以确保钢管在严寒冻土地带的安全性能[10]。X80级别的管线钢K65（俄罗斯牌号）在俄罗斯的需求量大[11]，目前每年约出口5万吨K65管线钢，但以往由于没有配套焊丝，而只能采用原国内X80焊管所用焊丝，生产的焊管其焊缝金属的夏比冲击性能不能满足要求。
在系统调查焊缝化学成分、母材钢板化学成分和焊接工艺对焊缝组织和低温冲击韧性影响规律基础上，对原有焊丝成分进行了重新设计；通过优化Ni， Mo， Ti， B元素比例，以及C， Mn， Si和O含量比例控制，实现了焊缝金属低温冲击韧性提高。用户制管试验结果见表3，采用配套焊丝焊制的K65管线钢的焊缝-40 ℃冲击吸收能量单值最低180 J，均值196 J，远超标准要求，且韧脆转变温度低于-60 ℃，能够确保管道的安全。
2.2 高强高韧气体保护焊丝钢
2.2.1 船舶和海工钢配套气体保护焊丝
随着船舶和海工行业的迅猛发展，含有Ni， Cr和Mo等合金元素的高强低温钢得到了广泛应用；该类钢需要同时满足高强度、高韧性、抗层状撕裂及耐腐蚀性能。该类钢通常采用进口药芯气体保护焊丝进行焊接加工，不但价格昂贵，而且供货周期长，制约了行业的发展。因此，开发适用于海工钢焊接的实心气体保护焊丝，取代长期依赖的药芯焊丝，是国内海工钢配套焊接材料的发展趋势[12，13]。
在原有低级别海工钢配套焊丝钢盘条ER55/62-G基础上，系统研究了Ni， Cr和Mo等合金元素对焊缝金属的强度和低温冲击韧性的影响，研发了配套国内高强度海工钢EQ56/70的气体保护焊丝钢盘条ER69/76-G，该产品兼顾焊丝的制作加工性能（拉拔性能、酸洗时氧化皮脱落容易程度、盘条表面质量）以及焊接工艺性能（飞溅大小、焊缝成形质量、焊缝的耐腐蚀性能）。
采用新焊丝ER69/76-G进行海工钢板焊接试验，焊缝组织对比原焊丝如图4所示。
由图4可知，新焊丝的焊缝组织中晶界铁素体尺寸和数量相比明显减少，并未出现如ER55/62-G中的侧板条铁素体和魏氏体组织，也说明了调整后的合金元素对焊缝组织的细化作用[14]。
新焊丝的焊缝力学性能如表4所示，采用ER69/76-G焊制的焊缝强度能满足海工钢EQ56/70的标准要求，-20 ℃的低温冲击吸收能量大于80 J，反应了良好的低温韧性。
2.2.2 Cr-Mo系耐热钢配套焊丝
低合金Cr-Mo系耐热钢广泛应用于炼油化工、煤化工、化肥等石油化工行业设备的制造，常见的Cr-Mo系低合金耐热钢品种有1.25Cr0.5Mo， 2.25Cr1Mo和2.25Cr1MoV，国内已有一些企业具有该类钢板生产能力，但与之配套的焊丝却长期依赖于日本神钢、德国伯乐蒂森、法国SAF等少数国外品牌[15]。
近年来，国内已有厂家尝试开发了一些Cr-Mo系耐热钢配套焊丝；但产品普遍存在以下问题：其一是焊丝成分、力学性能不稳定；其二是焊丝钢盘条强度过高不易拉拔制丝。针对以上问题，沙钢进行了该类焊丝钢研制。由于此类设备服役温度高达500 ℃，为了保证焊缝的耐高温性能和抗回火脆性，配套焊丝严格控制成分，特别是P， Sb， Sn和As等杂质元素含量。同时，通过CCT行为研究确定盘条轧制及冷却过程的各个参数，包括吐丝温度、Stelmor缓冷速度和集卷温度等，使其具有较高的抗拉强度和断后伸长率，从而保证盘条在制丝过程中容易拉拔且不易断丝。
批量生产供货的盘条及加工成焊丝后，通过焊接得到的熔敷金属组织如图5所示。轧制盘条铁素体和贝氏体含量较多，少量珠光体，没有出现如原盘条中的马氏体，从而降低了强度。熔敷金属以密集的晶内针状铁素体为主，能保证较好的强韧度。
采用配套焊丝焊接Cr-Mo系耐热钢板，焊接接头经焊后热处理690 ℃×2 h后的焊缝性能如表5所示，在保证足够强度的基础上，焊缝的-25 ℃冲击吸收能量均值可达196 J，远超标准要求。
2.3 大热输入量焊接专用焊丝
为了提高结构建造效率，多丝埋弧焊、气电立焊和电渣焊等大热输入量焊接方法逐渐在建筑、造船和桥梁等大型钢结构领域得到应用。可抵抗大热输入焊接钢板的研发已得到了钢铁生产企业的重视[16-19]，但鲜有相关配套焊接工艺和材料（焊丝）的研发报道。沙钢在成功开发可抵抗大热输入量焊接的船板钢EH36/40-W150和建筑桥梁钢Q390/420DW[20，21]的基础上，还进行了配套焊接工艺和材料的研发。
2.3.1 电渣焊配套焊丝
电渣焊是一种垂直高效的焊接方法，其焊接热输入量可达300～800 kJ/cm，常用于建筑、桥梁结构的大长度立焊缝焊接以提高焊接效率[22，23]。与气体保护焊接方法相比较，电渣焊有以下特点：①熔池尺寸大；②熔池停留时间长；③焊缝稀释率大。这使得电渣焊接头冷却速度慢，焊缝和热影响区的组织容易粗化，进而使冲击韧性恶化。为克服上述缺点，电渣焊需专用焊丝以确保焊缝金属的冲击性能满足要求[24]。
通过分析电渣焊焊缝和热影响区冲击性能恶化的原因，调查组织与性能的关系，在系列试验和试生产的基础上，沙钢成功研发了电渣焊配套焊丝SG-S1（φ1.6 mm）。该焊丝严格控制微合金元素含量及适当的杂质元素含量，利用Mg，Ca等微合金元素生成细小、弥散、高熔点氧化物质点，Ti，B等微合金元素形成氮化物或硫化物，这些质点均对晶界具有钉扎作用，抑制焊缝晶界铁素体长大，同时又不影响晶内铁素体的形核能力，从而改善焊缝金属的强度和韧性；同时，焊缝金属在高温作用下向热影响区扩散Ti，B元素，由此生成的TiN，BN同样可以细化粗晶区晶粒，促进晶内铁素体的生成，从而改善强度和韧度[25]。
采用该焊丝进行电渣焊试验，板厚60 mm，热输入量为535 kJ/cm，焊接接头宏观金相及微观组织如图6所示，可见厚板通过电渣焊焊接一次成形质量较好，焊缝组织和热影响区晶粒尺寸控制较好，晶内分布密集的针状铁素体，能够保证良好的低温韧度。不同位置的低温冲击吸收能量结果如图7所示，虽然焊缝韧性相比热影响区略差，但均满足标准要求。
2.3.2 FCB埋弧焊用焊丝
单面焊双面成形工艺可一次获得双面成形焊缝，避免了因焊接背面焊缝所需的钢板翻身、清根与焊接工作，大大提高了焊接效率和自动化水平，埋弧焊焊剂铜衬垫（FCB）单面焊双面成形工艺在造船领域被广泛应用[26，27]。随着造船工业的技术发展，FCB法焊接已经在平面分段流水线作业中得到了广泛应用，但是仍存在焊接接头冲击韧性不稳定现象，尤其是在焊接热影响区的低温韧性恶化[28，29]。
采用夹杂物控制技术、并利用结晶钢生产平台技术、先进的控制轧制和控制冷却技术，开发出了高焊接性能的系列船板钢，实现了厚度规格在36 mm以下的钢板可单道次焊透，且焊接热影响区的-20 ℃冲击吸收能量稳定在200 J以上，焊缝金属的-20 ℃冲击吸收能量在100 J左右。
为进一步提高焊缝金属和焊接接头的整体力学性能，通过系统研究不同焊接输入量下化学元素Ti， B和Mg等元素对焊缝、热影响区组织的细化机制，开发了适用于船板钢FCB焊接的专用焊丝。
新焊丝充分考虑船厂常用焊剂中的元素向焊缝的过渡，严格控制Ni， Mo和Ti等合金元素含量，在原有埋弧焊丝基础上调整B， Si和Ca等含量，以增强焊缝及热影响区强韧匹配。
采用该焊丝对36 mm厚的DH36钢板进行的FCB三丝埋弧焊试验，不同位置的低温冲击试验结果见图8，各位置的低温冲击吸收能量相比标准要求均有较大的富余量。
3 结束语
作为国内领先的棒线材生产研发基地，沙钢具备焊丝钢生产的装备和技术优势，在装备方面有电炉和转炉流程生产工艺技术方案；在技术方面，形成了“双渣脱磷”和“预脱硫”等纯净钢生产技术、基于盘条表面氧化皮控制的加热和轧制技术、降低焊丝产品焊接飞溅的冶炼和轧制技术、用于提高盘条拉拔性能的组织控制的控冷技术等。
借助上述装备和技术优势，形成了“实验室研发—现场生产—用户试用反馈”三位一体的新品研发体系。在常规产品基础上，研发了X80/90/100管线用系列埋弧焊丝钢、550～960 MPa高强韧系列气体保护焊丝钢、Cr-Mo耐热焊丝钢及大热输入用焊丝钢等多个重点领域新品焊丝钢。并可根据用户需求，从焊接冶金、材料学以及冶炼轧制技术等多角度综合开展新品研制，从而为用户提供“钢材+焊材+焊接工艺”综合解决方案。
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张宇简介： 1978年出生，工学博士，主要从事高品质钢铁材料、焊丝用钢及配套焊接技术和材料的开发；已申请发明专利15项，发表学术论文35篇；。