CN100430177C - 抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条 - Google Patents
抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条 Download PDFInfo
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Abstract
抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条，其成分质量百分比为：大理石36-42；萤石16-22；钛铁合金9-12；中碳锰铁4-6硅铁1-3；合成云母1-3；微硅粉1-3；铁粉12-18；金属铬1-2；铜粉0.5-1镍粉1-2；金属钼0.3-0.8；钛白粉2-5。本发明的电焊条所得熔敷金属及焊接接头具有良好的耐大气腐蚀性能，同时具有良好的综合性能，尤其是-40℃的低温冲击韧性很好；其所得熔敷金属的综合性能为：屈服强度：≥500MPa；抗拉强度：≥600MPa；伸长率：≥20%；(-40℃条件下)的Akv≥60J。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及高强度、高韧性耐候焊条。
背景技术
目前市场上还没有发现屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，-40℃时CVN冲击韧性Akv≥60J的高强高韧耐候焊条。
耐候钢焊条有：Cu-P、Cr-Cu、Ni-Cu、W-Cu、Cr-Ni-Cu合金系。Cu-P系焊条因含P高，韧性和焊接性较差，应用较少；Cr-Cu、Ni-Cu、W-Cu合金系不能很好的与抗拉强度600MPa的高强耐候钢Q500NQR1和Q550NQR1相配套。
但目前没有抗拉强度600MPa的的耐候钢焊条。本发明专利采用的Cr-Ni-Mo-Cu合金系。因此可以选择J606RH作为参照焊条。
普通强度级别的耐候钢焊条专利有一个：高效铁粉耐候钢焊条，它为W-Cu合金系。
与高强度耐候钢匹配的焊条强度要求较高，且因对耐大气腐蚀性能有较高要求，因此设计焊条要求熔敷金属中含有多量的Ni、Cr、Cu，其中的Cr、Cu恶化焊接性，低温冲击韧性不好，AKV(-40℃)不易达到钢材使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条，以解决抗拉强度600MPa的高强耐候钢Q500NQR1和Q550NQR1的配套手工焊条问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条，其成分质量百分比为：
大理石36-42；萤石16-22；钛铁合金9-12；中碳锰铁4-6；硅铁451-3；合成云母40目1-3；微硅粉1-3；铁粉12-18；金属铬1-2；铜粉0.5-1；镍粉1-2；金属钼0.3-0.8；钛白粉2-5。
决定焊条性能的因素，主要在于焊条的配方设计。通过精确调整CaCO3-CaF2-SiO2渣系，在渣系中加入适量的铁合金，合理设计焊条配方。研制的焊条具有优良的耐大气腐蚀性能和良好的全位置焊接工艺性能，力学性能完全满足使用要求，具有良好抗裂性能及良好的塑性和韧性，AKV(-40℃)一般大于100J。
根据焊条熔敷金属的力学性能要求，对其冲击韧性和塑性的要求高，并考虑现场施工便利，低合金高强度钢渣系定为低氢钾型。焊条渣系以CaCO3-CaF2-SiO2为主。
考虑焊缝金属所需耐大气腐蚀性能，以Cu为主，配合加入Cr、Ni、Mo等提高耐大气腐蚀性能。Cu能有效提高焊缝耐大气腐蚀性能，但对焊缝韧性不利，经试验焊缝中Cu含量在0.20～0.40％之间时，焊缝满足要求。
根据焊缝力学性能，初步确定合金体系。考虑焊缝强度要求较高，选用C-Mn-Si-Cr-Ni-Mo合金体系进行强化，为提高焊缝韧性，应促使焊缝金属形成较多针状铁素体，并控制杂质元素含量，如S、P、H、O、N等。
C、Mn、Si是最常用的焊缝金属强化元素。C高，焊缝有较大的裂纹倾向，焊缝金属C含量应严格控制在0.10％以内。在涂料中Mn、Si加入量在(3-7)∶1时，有很好的脱氧作用，Mn是奥氏体化元素，同时Mn还有脱硫的作用，适当提高含Mn量，可在提高强度的同时，改善焊缝金属韧性，焊缝金属Mn含量应控制在0.8-1.6％。在低合金高强度钢中，在保证脱氧的情况下，尽可能降低Si含量，对焊缝金属韧性有利，Si含量小于0.3％为宜。
Cr可提高焊缝金属强度及耐腐蚀性能，是铁素体化元素，但在含量较少时，改善焊缝金属韧性，考虑其对焊缝强度、耐大气腐蚀性能的影响，控制Cr含量在0.4-0.8％以内。Ni是奥氏体化元素，可提高焊缝金属韧性及耐腐蚀性能。焊缝中加入少量Mo不仅提高焊缝强度，同时改善焊缝金属韧性，并可减少回火脆性，但Mo含量过高，会使焊缝金属韧性下降，Mo含量控制在0.15-0.35％以内。
焊缝金属中含有一定量的Ti，可脱氧、脱氮，并可细化晶粒，对改善改善焊缝金属塑性、韧性有利。
低氢型焊条中大理石(主要成分CaCO3)和萤石(主要成分CaF2)的总加入量在50-70％之间。大理石在焊接过程中，既是造气剂、又是造渣剂，但同时使焊缝增氧；萤石是造渣剂，但同时也有稀渣的作用，萤石熔点低，可降低药皮熔点，有明显去氢作用，并可改善脱渣性。一般大理石与萤石的配比在1.5-2.5之间，调整其配比，以使焊条具有较好工艺性能。
药皮加入少量合成云母(硅酸盐)和微硅粉(主要成分为SiO2)用于造渣。合成云母可改善碱性渣的物理性能，还可改善焊条油压的压涂性能。加入少量钛白粉(主要成分TiO2)，可改善焊接工艺性能。
药皮加入适量钛铁合金、锰铁、硅铁联合脱氧。钛铁合金是主要的脱氧剂，并可改善焊条的工艺性能，适量加入，不仅可改善焊缝成形，使焊波平整并具有光泽度，也可提高焊缝力学性能。锰铁可脱氧、脱硫，硅铁可脱氧，都可提高焊缝强度，并可加快焊接反应速度，但过量的锰铁、硅铁影响焊缝成形。
在造渣方面精确地调整CaO-CaF2-SiO2渣系关系；在铁合金联合脱氧方面进行反复试验，得出钛铁合金、锰铁、硅铁三者用量关系。得到满意的焊接工艺性能。
在药皮中加入适量铁粉，提高实际焊条效率及电弧稳定性和再引弧性能。
铁粉，金属铬，铜粉，镍粉，金属钼是保证焊缝金属具有良好的耐大气腐蚀性能以及力学性能。通过调整配方，达到脱氮、去氢，控制氧含量目的，并严格控制原材料中S、P及结晶水含量，促使焊缝形成较多针状铁素体，从而使焊缝满足耐大气体腐蚀性能、强度、冲击韧性、塑性等要求。
本发明盘条、焊丝与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的电焊条所得熔敷金属及焊接接头具有良好的耐大气腐蚀性能，同时具有良好的综合性能，尤其是-40℃的低温冲击韧性很好。
2.本发明的电焊条所得熔敷金属的综合性能为：屈服强度：≥500MPa；抗拉强度：≥600MPa；伸长率：≥20％；(-40℃条件下)的Akv≥60J。
具体实施方式
药皮配方实施例见表1，焊芯为H08A；表2所示为焊条熔敷金属的化学成分。
表1 实施焊条药皮配方例 质量百分比
| 实施例 | 大理石 | 萤石 | 钛铁合金 | 中碳锰铁 | 45％硅铁 | 合成云母40目 | 微硅粉 | 铁粉 | 金属铬 | 铜粉 | 镍粉 | 金属钼 | 钛白粉 |
| 1 | 39 | 16 | 11 | 5 | 2 | 3 | 3 | 9 | 1.6 | 1.0 | 1.7 | 0.5 | 2.0 |
| 2 | 40 | 18 | 10 | 4 | 1 | 3 | 2 | 11 | 1.0 | 0.7 | 2 | 0.5 | 4 |
| 3 | 41 | 19 | 9 | 4 | 1 | 2 | 1 | 10 | 2.0 | 0.6 | 1.3 | 0.6 | 3 |
| 4 | 42 | 17 | 9 | 5 | 3 | 1 | 2 | 10 | 2.0 | 0.8 | 1 | 0.8 | 5 |
| 5 | 36 | 22 | 12 | 6 | 2 | 2 | 1 | 12 | 1.3 | 0.5 | 1.8 | 0.3 | 4 |
| 6 | 38.7 | 17 | 11 | 5 | 2 | 3 | 3 | 14 | 1.3 | 0.8 | 1.8 | 0.4 | 2.0 |
| 7 | 40 | 18 | 10 | 4.5 | 1.5 | 3 | 2.5 | 14 | 1.2 | 0.6 | 2 | 0.4 | 2.3 |
| 8 | 41 | 19 | 9 | 4 | 1 | 2 | 1 | 16 | 1.5 | 0.5 | 1.6 | 0.6 | 2.8 |
表2 实施焊条熔敷金属的化学成分(质量百分比)
| 实施例 | C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | Cu |
| 1 | 0.077 | 0.98 | 0.18 | 0.005 | 0.010 | 0.48 | 0.68 | 0.18 | 0.33 |
| 2 | 0.077 | 0.89 | 0.15 | 0.006 | 0.014 | 0.43 | 0.77 | 0.18 | 0.25 |
| 3 | 0.064 | 0.80 | 0.12 | 0.005 | 0.012 | 0.50 | 0.58 | 0.20 | 0.23 |
| 4 | 0.082 | 1.05 | 0.16 | 0.006 | 0.012 | 0.50 | 0.50 | 0.26 | 0.28 |
| 5 | 0.060 | 1.15 | 0.10 | 0.006 | 0.010 | 0.45 | 0.70 | 0.12 | 0.18 |
| 6 | 0.077 | 0.98 | 0.18 | 0.005 | 0.010 | 0.48 | 0.68 | 0.18 | 0.33 |
| 7 | 0.077 | 0.89 | 0.15 | 0.006 | 0.014 | 0.43 | 0.77 | 0.18 | 0.25 |
| 8 | 0.064 | 0.80 | 0.12 | 0.005 | 0.012 | 0.50 | 0.58 | 0.20 | 0.23 |
其中，硅铁选用45％、65％和75％硅铁，夏天制作焊条时用水玻璃混合时，易发泡，45％硅铁效果较好。
合成云母选用20目、40目、60目、100目的合成云母，其中，40目合成云母与60目、100目的相比，颗粒比较粗大，结合力大，在冬天焊条表皮不易起裂，40目的合成云母试验效果较好。
表3所示为本发明实施例焊条及其对比焊条熔敷金属的力学性能，从中可以看出，本发明的焊条熔敷金属的性能均能达到高强度、高延伸率和高的低温冲击韧性。
表3 实施焊条熔敷金属的力学性能
| 实施例 | 抗拉强度σb(MPa) | 屈服强度σs(Mpa) | 伸长率δ5(％) | V型冲击吸收功A<sub>KV</sub>(J)(-40℃) |
| 1 | 645 | 560 | 26 | 98 |
| 2 | 650 | 565 | 24 | 109 |
| 3 | 630 | 545 | 24 | 90 |
| 4 | 660 | 565 | 23 | 88 |
| 5 | 615 | 525 | 28 | 120 |
| 6 | 644 | 559 | 26 | 98 |
| 7 | 648 | 566 | 24 | 109 |
| 8 | 630 | 545 | 24 | 90 |
| 对比例J606RH | ≥610 | ≥490 | ≥17 | ≥47 |
耐候性试验采用的是室内加速腐蚀试验(周期浸润腐蚀试验)，均与具有高耐候性的母材Q500NQR1相比，试验结果见表4。
表4 实施焊条熔敷金属的腐蚀性能
| 实施例 | 腐蚀失重量g/m<sup>2</sup> | 相对腐蚀率 |
| 1 | 72.5 | 0.7％ |
| 2 | 73.0 | 1.1％ |
| 3 | 71.8 | 0.3％ |
| 4 | 72.8 | 1.1％ |
| 5 | 73.1 | 1.5％ |
| 对比例Q500NQR1 | 72.0 | / |
注：相对腐蚀率＝|母材失重量-熔敷金属失重量|/母材失重量；数值越小，说明耐候性相当。
表4所示为实施例焊条熔敷金属的腐蚀性能，实施例焊条的相对腐蚀率远远小于10％，因此，表4说明焊条熔敷金属的耐大气腐蚀能力与母材相当。
Claims (3)
1.抗拉强度600MPa的高韧性耐候焊条，其成分质量百分比为：
大理石 36-42
萤石 16-22
钛铁合金 9-12
中碳锰铁 4-6
硅铁 1-3
合成云母 1-3
微硅粉 1-3
铁粉 12-18
金属铬 1-2
铜粉 0.5-1
镍粉 1-2
金属钼 0.3-0.8
钛白粉 2-5。
2.如权利要求1所述的高韧性耐候焊条，其特征是，硅铁为45％硅铁。
3.如权利要求1所述的高韧性耐候焊条，其特征是，合成云母为40目合成云母。
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