CN101277781B - 用不锈钢基焊接金属形成的用于焊接镀有锌基合金的钢板的焊接接头 - Google Patents

用不锈钢基焊接金属形成的用于焊接镀有锌基合金的钢板的焊接接头 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种焊接接头和用于所述不锈钢基焊接金属组合物。所述组合物和由其制成的焊接接头适用于镀有锌基合金的钢板的焊接。该焊接部分具有优异的耐腐蚀性和抗液体金属脆化裂纹性能。当用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板时，可通过抑制不锈钢基焊接金属的液体金属脆化裂纹来获得上述性能。该焊接接头包含一种由不锈钢成分构成的焊接金属形成的焊接部分，所述焊接金属为(以质量百分数表示)：C：0.01-0.1；Si：0.1-1；Mn：0.5-2.5；Ni：5-11；Cr：17-25；其余为铁和残留杂质，上述数据要满足以下的三个表达式；-0.81×Cr当量+23.2≤Ni当量≤0.95×Cr当量-8.1 (1)Ni当量＝Ni+30×C+0.5×Mn+30×N (2)Cr当量＝Cr+Mo+1.5×Si (3)。

Description

用不锈钢基焊接金属形成的用于焊接镀有锌基合金的钢板的焊接接头
本申请要求分别于2005年9月28日和2006年5月16日在日本提交的日本申请No.JP 2005-282712和JP 2006-136897的优先权。这些申请的全部内容在此以引用的方式并入本申请中。
技术领域
本发明的一个方面涉及镀有锌基合金的钢板的焊接接头。该焊接接头由不锈钢基焊接金属形成，可以用于建筑材料或汽车材料中。所述焊接接头在焊接部分具有优异的耐腐蚀性和抗液体金属脆化(LME)裂纹性能。
背景技术
镀有锌基合金的钢板由于其作为结构件优良的耐腐蚀性，广泛地用作建筑材料和汽车材料。传统上，为了提高耐腐蚀性，非镀层钢构件焊接以后，将焊接件浸入锌基合金浴中。这将锌基合金涂施于钢构件和焊接部分的表面，从而确保整个焊接结构的耐腐蚀性。但由于涂镀是在焊接工艺之后进行的，因而生产率低。由于需要附加的设备(例如镀槽)，这种方法还引起制造成本增加。鉴于此，为了以高生产率制造具有优良耐腐蚀性的结构件，采用了将镀锌的钢板焊接，以形成焊接结构的方法。
JP2000-64061公开了一种镀有锌基合金的钢板，其中涂镀锌基合金(比如Zn-Al-Mg-Si基合金)。与传统的镀锌钢板相比，所述Zn-Al-Mg-Si基合金镀层的耐腐蚀性提高。
然而，在通过焊接镀有锌基合金的钢板制造结构件的情况中，由于焊接金属部分的镀层部分蒸发，耐腐蚀性能劣化。鉴于此，传统上是先用碳钢焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板，然后通过刷涂或喷涂涂覆焊接部分。在结构件的制造中，这种附加的涂敷工艺降低了生产率。
对于要求优良耐腐蚀性能的不锈钢结构的焊接，常使用不锈钢焊接材料在不锈钢之间或不锈钢与碳钢之间的接头处形成耐腐蚀性能优良的焊接金属。但是，如果用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板，会由于液体金属脆化而产生裂纹。这是因为在焊接镀有锌基合金的钢板时，由于镀层熔化，在具有不锈钢组分的焊接部分形成液体金属脆化裂纹。
一般认为液体金属脆化裂纹的主要原因是锌基合金镀层成分在钢板上仍呈熔融状态。当焊接金属部分受到由热收缩引起的拉伸应力时，所述熔融锌基合金镀层可以破坏晶粒界面。这就是脆性的起因。因此，当用不锈钢焊接材料焊接镀锌钢板时，一般须预先除去锌基镀层。
当焊接不同材料(比如不锈钢板和镀锌钢板)时，也会发生类似于液体金属脆化裂纹的现象。因此，用不锈钢基焊接材料来焊接镀锌钢板或焊接镀锌钢和不锈钢的尝试很少。
JP09-267177A公开了一种耐腐蚀性优良的钢门的制造方法。在这种方法中，使用Ni含量相对较高的焊丝将均为约2mm厚的不锈钢板和镀锌钢板对接焊接。选用这样的镍含量是为了保证不锈钢基组分的焊接金属的Ni当量高于预定值，从而分散奥氏体，并抑制延性差的马氏体的形成。这可以防止焊接后由弯曲引起的裂纹。
在JP09-267177A的公开中，没有提到不锈钢板和镀锌钢板对接焊接后通常会即刻产生的液体金属脆化裂纹(锌脆性裂纹)。在JP09-267177A的公开中，在钢板的厚度为2mm，且焊接部分的结合力弱的条件下，将锌镀层的熔点高的热浸镀锌钢板焊接。这可能是不锈钢板和镀锌钢板对接焊接时没有发生液体金属脆化裂纹(锌脆性裂纹)的原因。
但是，在板厚为3mm或更大，且焊接部分的结合力与填角焊缝(filletweld)中一样大的条件下，如果把没有经过合金化处理的镀有锌基合金的钢板用JP09-267177A中提到的方法对接焊接，会产生类似于液体金属脆化裂纹的现象。
当钢板厚度为3mm或更大且结合力较高时，类似于液体金属脆化裂纹的现象较容易发生的原因是，随着钢板厚度的增加和/或结合力增大，由焊接金属的热收缩引起的拉伸应力也增大了。这导致在表面仍呈熔融态的锌基合金镀层组分容易在焊接金属的晶粒界面破坏。
当不锈钢板对接焊接时，焊接后会发生延迟裂纹。JP2001-9589A公开了一种焊接高铬含量不锈钢，防止焊接后产生延时裂纹的方法。
基于上述事实可以理解，当用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板时，要制造在焊接部分具有优异耐腐蚀性的焊接结构的方法是很困难的。
发明概述
本发明的目的是提供用不锈钢基焊接材料形成的焊接接头。该不锈钢基焊接材料特别适用于焊接镀有锌基合金的钢板，并且焊接部分的耐腐蚀性和抗液体金属脆化裂纹性能优异。当焊接镀有锌基合金的钢板时，可通过抑制不锈钢基焊接金属的液体金属脆化裂纹来实现上述发明。
本发明人坚持不懈地对用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板的焊接部分的耐腐蚀性的提高进行了研究。本发明人还坚持不懈地对增强抑制由焊接不锈钢金属基组分和锌基合金镀层引起的液体金属脆化裂纹进行了研究。
本研究的结果发现，不锈钢基焊接金属的液体金属脆化裂纹的产生依赖于凝固的机理和结构。可以根据Ni当量和Cr当量来调整组分成分，从而抑制焊接金属中马氏体的形成，并促进铁素体形成，来抑制液体金属裂纹。
本发明的成功基于上述信息，下面描述本发明的要点。
本发明的一个方面涉及不锈钢基焊接材料组合物和由其形成的焊接接头。所述焊接接头用于镀有锌基合金的钢板，所述钢板的焊接部分的耐腐蚀性和抗液体金属脆化裂纹性能优异。所述焊接接头包含不锈钢基组分制成的焊接金属的焊接部分，以质量百分数(％)计，所述焊接金属包含下列成分：
C：0.01-0.1；
Si：0.1-1；
Mn：0.5-2.5；
Ni：5-11；及
Cr：17-25，
其余为铁和残留杂质。
其中满足以下表达式(1)、(2)和(3)：
-0.81×Cr当量+23.2≤Ni当量≤0.95×Cr当量-8.1     (1)
Ni当量＝Ni+30×C+0.5×Mn+30×N                   (2)
Cr当量＝Cr+Mo+1.5×Si                            (3)
其中Ni、C、Mn、N、Cr、Mo和Si各表示以质量百分数计的不锈钢基焊接金属中含有的各组成元素的含量。。
在本发明的另一个方面，以质量百分数计，上述不锈钢基焊接金属还包含：
Mo：0.5-2；和
N：0.05-0.15。
在本发明的另一个方面，不锈钢基焊接金属的成分用实心焊丝或药芯焊丝来调整，其中所述实心焊丝或药芯焊丝包含以下金属组分，以占总焊丝的质量百分数计：
C：0.01-0.05；
Si：0.1-1；
Mn：0.5-3；
Ni：7-12；
Cr：24-30，及
Mo：不小于2或N：0.17中的至少一种，
其余为铁或残留杂质。
在本发明的另一个方面，所述药芯焊丝含有下列物质作为熔渣组分，以占总焊丝的质量百分数计：
TiO2：0.5-2.5；
SiO2：1.5-3.5；及
ZrO2：0.5-2.5，
其中熔渣组分的总量在6.5-9.5的范围内。
在本发明的另一个方面，锌基合金镀层包含以下成分，以质量百分数计，
Al：2-19；
Mg：1-10；及
Si：0.01-2，
其余为锌和残留杂质。
在本发明的另一个方面，在用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板的情况中，可以抑制具有不锈钢基焊接组分的焊接金属的液体金属脆化裂纹。这提供了耐腐蚀性优异的焊接接头，其具有无裂纹缺陷的焊接金属。因此，在建筑和/或汽车工业中，通过将本发明的用于镀有锌基合金的钢板的焊接接头应用于焊接件，可以提高建筑物和/或汽车的耐用性和/或安全性。
附图说明
图1的图显示了板上珠焊焊接测试件(bead-on-plate welding test piece)的实例。
图2的图显示了液体金属脆化裂纹的形貌。
图3的图表显示了根据Cr当量和Ni当量，使用板上珠焊焊接测试对液体金属脆化裂纹的评价。
图4显示了角焊接头测试试样。
发明详述
下面说明本发明的细节。
根据常规理论，如果用不锈钢基焊丝焊接镀有锌基合金的钢板，由于焊接金属具有不锈钢基成分，脆性裂纹敏感性增大。因此可以预测，由热浸锌基合金镀层引起的焊接金属的液体金属脆化裂纹变得更严重。因此，至今没有人尝试用不锈钢焊丝来电弧焊接镀有锌基合金的钢板。
本发明人坚持不懈地对用不锈钢基焊接材料焊接镀有锌基合金的钢板的焊接部分的耐腐蚀性的提高进行了研究。本发明人还坚持不懈地对增强抑制由焊接不锈钢金属基组分和锌基合金镀层引起的液体金属脆化裂纹进行了研究。本研究结果发现，不锈钢基组分的焊接金属的液体金属脆化裂纹的产生取决于凝固的形貌和结构。根据Ni当量和Cr当量调整组分的成分可以抑制液体金属脆化裂纹。这抑制了焊接金属中马氏体的形成，并加速铁素体形成。
“镀有锌基合金的钢板”是包括镀锌钢板和其它镀覆钢板的统称，例如镀有Zn-Al基合金的钢板、镀有Zn-Al-Mg基合金的钢板和镀有Zn-Al-Mg-Si基合金的钢板，它们可以通过向锌镀层中加入Al、Mg、Si来制成，从而提高耐腐蚀性。
为了研究导致具有不锈钢基组分的焊接金属中液体金属脆化裂纹的原因，本发明人用不同组分成分的不锈钢基焊丝焊接镀有锌基合金的钢板。本发明人研究了焊接部分上形成的焊接材料的组分的组成和液体金属脆化裂纹的形貌之间的关系。
根据本发明，不锈钢基焊接材料包含：C：0.04％、Si：0.2％、Mn：2.1％、Ni：5-12％、Cr：16-36％、Mo：0-3％。镀有锌基合金的钢板包含SS400基钢板及其上的合金镀层，所述SS400基钢板(6mm厚)含有C：0.08％、Si：0.02％、Mn：1.2％，其上的合金镀层含有：Zn：85.8％；Al：3％；Mg：0.2％：Si。焊接采用二氧化碳电弧焊，焊接电流为100-150A，电弧电压为18-20V，焊接速度为40cm/分钟板上珠焊(bead on plate)，如图1所示。
板上珠焊焊接指的是，将焊珠2(welding bead)置于钢板1的表面上，这是在不用真实接头的情况下最基本的评价可焊性能的方法。对于通常的焊接接头，焊接部分受到的结合力取决于接头的形状。例如，与完全焊透时进行的对接接头相比，部分焊透时进行的角接焊接接头在焊接部分周围的区域(基片的未熔区)中的结合力较大。因此，一般认为角接焊接时更容易产生裂纹。为了评价在较接近高结合力角接焊的条件下的裂纹情况，使用了相对较厚(6mm)的基片(板)来进行板上焊珠焊接。这是因为，由于沿焊接线方向上的热收缩，基片上产生了结合应力，因而厚的钢板上会产生较大的结合力。
图2显示了液体金属脆化裂纹的形貌。
如图2所示，钢板1表面上形成的焊珠2的液体金属脆化裂纹3沿近乎垂直于焊珠线(welding bead line)的方向，由焊珠线的边缘开始生长。焊接后一般引起两个方向的热收缩，即，沿焊接线的方向的收缩(纵向收缩)，和沿与焊接线垂直的方向的收缩(横向收缩)。对于具有不锈钢基组分的焊接材料中的液体金属脆化裂纹，裂纹似乎是由纵向收缩和焊接部分周围的区域(基片的未熔区)与收缩相反的结合力引起的。
可焊接性的评价还使用市售的309型焊接金属。在该评价中，镀有锌基合金的钢板试样有裂纹，除去镀层的试样没有裂纹。因此，所述评价是评价液体金属脆化裂纹的适当方法。
图3的图表显示了根据Cr当量和Ni当量，使用板上珠焊(bead-on-platewelding)测试进行液体金属脆化裂纹的评价。
焊接金属的液体金属脆化裂纹用染色探伤法(color-check method)(液体渗透检测方法)验证。“×”表示在焊接材料上可看到裂纹的情况，“○”表示在焊接材料上看不到裂纹的情况。
对于控制不锈钢基焊接材料的结构的合金元素，通常分为两类：即铁素体相形成元素(例如Cr、Si和Mo)；及奥氏体相形成元素(例如Ni、C、N和Mn)。
考虑到各种元素对形成铁素体相或奥氏体相的贡献率，计算由下面的表达式(2)定义的Ni当量和由下面表达式(3)定义的Cr当量。根据Delong平衡图，用当量数据作为指标，研究焊接金属的Ni当量和Cr当量与焊接金属的结构之间的关系，并研究Ni当量和Cr当量与液体金属脆化裂纹之间的关系。
在Ni当量≤-0.81×Cr当量+23.2的情况中(图3中的区域III：Ni当量低、Cr当量低)，在焊接金属中形成大量马氏体，硬度增大，延性减小。这导致焊接金属中产生裂纹。
在Ni当量＞0.95×Cr当量-8.1的情况中(图3中的区域II：Ni当量高、Cr当量低)，马氏体的形成得到抑制，焊接金属的延性得以保持。但是，由于Cr当量低，焊接金属中铁素体的量减少；而由于Ni当量高，奥氏体晶粒长大形成大量的粗奥氏体。因而，熔融的锌镀层容易破坏粗奥氏体晶粒界面，从而形成液体金属脆化裂纹。
根据JP09-267177A，当不锈钢和镀层钢的对接接头受到弯曲时，图3中的区域II应当是正常形成的焊接部分中不出现裂纹的区域。但是，本发明人对用不锈钢基焊丝焊接的镀有锌基合金的钢板的试件的评价表明，在不锈钢基合金金属中发生液体金属脆化裂纹。这个事实表明，JP09-267177A中公开的不锈钢和镀覆钢的对接接头的弯曲引起裂纹产生的机理不同于不锈钢基焊接金属的液体金属脆化裂纹机理，而后者是本发明的主题。同时，在Ni当量满足下面的表达式(1)时(即图3中的区域I：Cr当量高、Ni当量居中)，焊接金属中马氏体的形成受到抑制，其延性得以保持，形成的铁素体相占15％或更多。因此，熔融的锌镀层未能进入焊接金属，从而抑制了液体金属脆化裂纹。
-0.81×Cr当量+23.2≤Ni当量≤0.95×Cr当量-8.1      .....(1)
Ni当量＝Ni+30×C+0.5×Mn+30×N                    .....(2)
Cr当量＝Cr+Mo+1.5×Si                             .....(3)
其中，Ni、C、Mn、N、Cr、Mo和Si表示在不锈钢基焊接金属中各种组成元素的含量(质量百分数)。
如上所述，对于焊接部分由不锈钢基组分组成的镀锌合金钢板的焊接接头，本发明防止了不锈钢基组分的焊接金属形成液体金属脆化裂纹。在本发明中，通过制备满足上述表达式(1)的焊接金属，根据焊接方法选择合适的镀有锌基合金的钢板、焊丝和焊剂的组合，可以避免焊接金属的液体金属脆化裂纹。
在本发明中，焊接金属的组分成分设置如下。这样做是为了通过保证焊接金属的强度，限制脆性，抑制焊接缺陷(比如热裂纹和气孔)，形成质量较好的焊接金属。除此之外，通过满足上述表达式(1)，确保避免焊接金属的液体金属脆化裂纹。
若无特殊说明，本文中提到的百分数％均指质量％。
碳(C)在焊接金属中是稳定奥氏体相的元素。为利用C的这一作用，优选使其C含量为0.01％或更大。但是，如果C含量超过0.1％，就会引起热裂纹，并降低铁素体相的含量，而这可能引起液体金属脆化裂纹。
硅(Si)是铁素体相的形成元素，并且在焊接金属中起到抗氧化剂的作用，为利用Si的这一作用，优选使焊接金属中Si含量为0.1％或更大。但如果Si含量超过1％，它就会在焊接金属中形成金属间化合物，从而使韧性劣化。因此，Si含量的上限优选为1％。
锰(Mn)是在焊接金属中起到抗氧化剂作用的元素，它能通过结合硫(S)而使其无害。硫是不可避免的有害杂质，它会引起热裂纹。为利用Mn的这一作用，焊接金属中的Mn含量优选为0.5％或更大。但是，如果Mn含量大于2.5％，就会降低铁素体相的含量，这将导致液体金属脆化裂纹。因此，Mn含量的上限优选为2.5％。
镍(Ni)是一种很重要的元素，它可以保证焊接金属的耐腐蚀性，使焊接金属中形成的奥氏体相稳定，并调整奥氏体相和铁素体相之间的平衡。这能保证焊接金属的韧性。为利用这个作用，焊接金属中Ni含量优选为5％或更大。但是，如果Ni含量大于11％，就会降低铁素体相的含量，从而导致液体金属脆化裂纹。因此，Ni含量上限优选为11％。
铬(Cr)是保证焊接金属耐腐蚀性及形成铁素体相，从而避免液体金属脆化裂纹产生的元素。在保证耐腐蚀性方面，Cr含量为13％或更大是足够的，但为了避免液体金属脆化裂纹，其含量优选为17％或更大。但是，如果Cr含量超过25％时，它会在焊接金属中形成金属间化合物，从而使韧性劣化。
另外，为了提高焊接金属的耐腐蚀性能，除以上基本组分外，还可以加入钼(Mo)元素和/或氮(N)元素。
钼(Mo)是形成铁素体相的元素，在氯化物环境下，它与Cr同时使用，能保证焊接金属的耐腐蚀性。为利用Mo的上述作用，焊接金属中Mo含量优选为0.2％或更大。但是，过量的Mo会增大焊接金属的强度，并可能导致液体金属脆化裂纹。例如，如果Mo含量超过2％，就可能形成液体金属脆化裂纹。因此，Mo含量的上限优选为2％。
氮(N)是存在于大气中的元素，不可避免地会引入0.01-0.03％的N，它能过稳定奥氏体，从而提高耐腐蚀性。为利用这一作用，在焊接金属中N含量优选为0.05％或更大。但是，过量的N会降低铁素体的含量，引起液体金属脆化裂纹。比如，如果焊接金属中的N含量大于0.15％，就可能形成液体金属脆化裂纹。因此，N含量的上限优选为0.15％。
尽管上述元素是本发明的焊接金属中含有的主要组分，但不必说，焊接金属中还可以引入其它元素，除非本焊接金属的理想性能受到其它元素的干扰。
例如，可以加入微量的Nb、V、Ti和/或Al来保证镀有锌基合金的钢板基材的强度。这些组分可以在过程中混入焊接金属。这些元素每种加入的上限优选为0.1％，以防止在焊接金属中形成金属间化合物，所述金属间化合物使韧性劣化。
作为镀有锌基合金的钢板的基材，可以使用低合金钢的结构钢。焊接金属中优选包括Ni、C、Mn、N、Mo和Si作为合金组分来调整焊接金属的组分，其余是铁和不可避免的杂质。考虑到焊接引起的钢板的熔化基材造成的基材的10-40％的稀释率，优选制备焊接材料的组分，使得Ni当量和Cr当量的值较高。
对于不锈钢基的焊丝，可使用实心焊丝和药芯焊丝。
实心焊丝全部由不锈钢丝组成。药芯焊丝含有金属粉末和熔渣，所述金属粉末用来调整合金组分，熔渣用于稳定不锈钢焊丝外壳内部的电弧。
药芯焊丝不但能够控制焊接金属的结构和性能(与实心焊丝相同)，而且由于熔渣材料，药芯焊丝还能够提高焊接的可操作性，并提供好的焊珠形状和外观。另外，在焊接时，焊剂形成固态渣覆盖在焊接金属表面并防止其氧化。这使得可以在焊接金属表面保持有与锌基合金镀层相似的金属色泽，使焊接接头具有良好的外观。
同时，由于实心焊丝不会形成固态渣，它可以作为填充焊丝应用于TIG电弧焊和等离子弧焊接。下面介绍实心焊丝和/或药芯焊丝中含有的组分/成分的优选范围。
碳(C)是用于稳定奥氏体相的元素。为达到该作用，焊丝中的C含量优选为0.01％或更大。但如果C含量超过0.05％，就会增强焊接金属的强度，并可能在镀锌钢板上焊接部分的边缘产生液体金属脆化裂纹。因此，焊丝的C含量优选为0.05％或更小。
硅(Si)是在焊接金属中起到抗氧化剂作用的元素。为利用该作用，焊丝中Si含量优选为0.1％或更大。但是，如果Si含量超过1％时，就会在焊接金属中形成金属间化合物，所述金属间化合物会使韧性劣化。因此，Si含量的上限优选为1％。
锰(Mn)是在焊接金属中起到抗氧化剂作用的元素，并且通过结合硫(S)元素使硫无害。S是不可避免的有害杂质，它会导致热裂纹。为利用Mn的这一作用，焊丝中的Mn含量优选为0.5％或更大。但是，如果Mn含量超过3％，就可能降低焊接金属的耐腐蚀性。因此Mn含量的上限优选为3％。
镍(Ni)是用于稳定焊接金属的奥氏体相并调整奥氏体相和铁素体相之间的平衡的重要元素。为利用该作用，焊丝中Ni含量优选为7％或更大。但是，如果Ni含量超过12％，会降低焊接金属的韧性。因此，Ni含量的上限优选为12％。
铬(Cr)是主要的形成铁素体相的元素，并能够避免焊接金属中的液体金属脆化裂纹。为充分利用上述作用，焊丝中的Cr含量优选为24％或更大。但是，如果焊丝中Cr含量超过30％，会在焊接金属中形成金属间化合物并使韧性劣化。因此，Cr含量上限优选为30％。
钼(Mo)是用于提高焊接金属耐腐蚀性的元素。但是，过量的Mo会增大焊接金属的强度，并引起液体金属脆化裂纹。例如，如果焊丝中的Mo含量超过2％，就可能形成液体金属脆化裂纹。因此Mo含量的上限优选为2％。
氮(N)是能够稳定焊接金属的奥氏体相，从而提高耐腐蚀性的元素。但是，增加N含量会增大焊接金属的强度，这会引起液体金属脆化裂纹。例如，如果N含量超过0.17％，就可能形成液体金属脆化裂纹。因此，N含量的上限优选为0.17％。
对于药芯焊丝，熔渣的组分/成分范围优选如下所述。
二氧化钛(TiO2)可以形成致密且易剥落的熔渣，从而稳定电弧。但是，TiO2含量为0.5％或更小时，不能达到满意的效果，而TiO2含量为2.5％或更大时会降低熔渣的流动性，这会使焊接部分的表面起皱，外观很差。因此，TiO2的含量的限制优选在0.5-2.5％的范围内。作为原材料，下述物质可以单独使用或组合使用：金红石、钛渣、伊卢米奈特铝片(iluminite)和钛酸盐(比如钛酸钾和钛酸钠)。
二氧化硅(SiO2)是形成包裹型熔渣所必需的组分。但是，如果SiO2的含量小于1.5％，不能形成足够的包裹，这就降低了对焊接金属的抗氧化作用，不能得到良好的外观。如果SiO2的含量超过3.5％，熔渣容易燃烧变干，剥落性变差，熔渣量增加。因此，SiO2含量的限制优选在1.5-3.5％的范围内。作为SiO2的原材料，可以使用硅砂、硅石、钙硅石、锆砂和钾长石。
二氧化锆(ZrO2)可以使熔渣具有流动性。但是，如果ZrO2的含量小于0.5％，流动性不足。如果ZrO2含量大于2.5％，熔渣变稠，剥落性变差，并且焊渣增加。因此，ZrO2含量的限制优选在0.5-2.5％的范围内。作为原材料，可以使用氧化锆、锆花(zirconium flower)和锆砂。
如果焊剂中总熔渣组分的量小于6.5％，熔渣的包裹不足。如果焊剂中总熔渣组分的量大于9.5％，焊渣增加，且容易造成熔渣杂质。因此，焊剂中总熔渣组分的量优选在6.5-9.5％的范围内。
本发明可应用于镀层钢板，例如镀锌钢板、镀Zn-Al基合金钢板、镀Zn-Al-Mg基合金钢板和镀Zn-Al-Mg-Si基合金钢板。在保证耐腐蚀性方面，镀层量优选为单位面积上50g/m2或更大，在焊接工作性方面，镀层量优选为单位面积上150g/m2或更小。
为了得到更加高度无腐蚀的焊接接头，应优选使用具有较大耐腐蚀性的钢板(例如镀Zn-Al-Mg-Si基合金钢板)。在这种钢板中，Al含量为2-19％，Mg含量为1-10％，Si含量为0.01-2％，其余为Zn。
在本发明中，主要使用低合金结构钢作为镀有锌基合金的钢板的基材。但是，不必限定这种镀有锌基合金的钢板的基材的组分/成分，除非在焊接过程中焊接材料的组分/成分稀释到本发明所限定的范围之外。在这个意义上，本发明可应用于不同材料的焊接接头，例如镀锌基钢板和不锈钢基钢板的焊接。
本发明可应用于各种形状的焊接接头，例如角焊接接头、搭接角接头和对接接头。如上所述，特别是当对焊接部分施加结合力时，会发生液体金属脆化裂纹。因此，将本发明应用于镀有锌基合金的钢板的角焊制成的角焊接头更有意义，所述镀有锌基合金的钢板的厚度为3mm或更大，其中结合力很大。
对于焊接方法，可以使用MIG电弧焊、MAG电弧焊和二氧化碳气体电弧焊中任何一种。对于焊接条件，没有具体的限制条件。但是，钢板基材的熔化会改变焊接金属的组成/成分。因此，根据以下条件，优选避免由熔融基材引起的不必要的稀释的增加：输入热优选为10KJ/cm或更小，基材的稀释率优选为10-40％之间。基材的稀释率定义如下：
基材的稀释率＝(基材的各熔融组分)/(基材的各熔融组分+焊接材料的各熔融组分)×100％                 (1)
可通过调节焊接电流、焊接电压和焊接速度将焊接的热输入控制在优选为10KJ/cm或更小。
除用于电弧焊之外，本发明可通过使用不锈钢基焊丝作为焊丝，应用于激光拼焊板(tailor blank welding)。
实施例
所用焊接材料是实心焊丝和药芯焊丝，下面的表1中(S1)、(S2)、(S11)和(S12)列出了所述实心焊丝含有的合金组分，(F3)-(F10)指定为药芯焊丝。
药芯焊丝含有下述熔渣组分：基于焊丝总质量，TiO2：1.7％、SiO2：2.5％和ZrO2：1.6％。(S12)是用于普通钢的焊丝。
表2显示了使用的镀有锌基合金的钢板的组分/成分和镀层重量。镀层板A是镀有锌基合金的钢板，级别为590MPa，厚为6mm。镀层板B为镀Zn-Al-Mg-Si合金钢板，级别为400MPa，厚度为3mm。
图4中显示的角焊接头使用上述的焊接材料和镀有锌基合金的钢板来制备。对该接头进行评价，以测定不锈钢基焊接金属的液体金属脆化裂纹和耐腐蚀性。
图4中的测试样是按下述方式制备的。将镀有锌基合金的钢板4垂直放置于水平放置的镀有锌基合金的钢板1上。然后用不锈钢基焊丝进行角焊。焊接部分冷却后，进行角焊6，完成测试样制备。填角焊缝(fillet weld)5和6具有相似的焊透形状，这表明填角焊缝5和6的基材稀释率基本相似。
填角焊缝5的焊接条件为：焊接电流：200-220A，弧电压：25-28V，焊接速度：40-50cm/分钟，保护气体：在使用实心焊丝的情况中，使用(氩气+2％氧气)的混合气体，在使用药芯焊丝的情况中，使用(氩气+20-50％二氧化碳)的混合气体，或者在使用药芯焊丝的情况中，使用二氧化碳气体。在这些焊接条件下，焊接过程中基材的稀释率大致由保护气体的种类决定。当使用(氩气+2％氧气)作保护气体时，基材的稀释率约为15％。当使用(氩气+20-50％二氧化碳)作保护气体时，随着混合气体中二氧化碳的比例从20％增加到50％，稀释率在20-35％的范围内。
焊接金属的液体金属脆化裂纹的评价用染色探伤(液体渗透检查方法)来进行。如果用肉眼观察不到裂纹，评价结果为“好”。
耐腐蚀性的评价用JASO规定的混合循环腐蚀试验来进行。测试的一个循环如下：(1)盐水(5％NaCl)喷雾，35℃，2小时；(2)干燥(湿度30％)，60℃，4小时；及(3)潮湿环境(湿度95％)，50℃，2小时。共进行120个循环，每20个循环检查一次红锈。如果在前20个循环内未观察到红锈，则耐腐蚀性的评价为“好”。
表3显示了各焊接金属测试样的组分/成分、Cr当量和Ni当量、与表达式(1)的关系，以及液体金属脆化裂纹和耐腐蚀性。
对于试样No.1-8，它们满足Ni当量上下限的要求。没有观察到液体金属脆化裂纹且耐腐蚀性好。使用实心焊丝的试样No.1-2有焊接飞溅(weldspatter)，但使用药芯焊丝的试样No.3-8焊接飞溅很少且焊接性好。
试样No.7是加入了Mo和N的样品。循环40次后，在焊接金属周围观察到红锈，但直到循环120次以上以后才在焊接金属自身上观察到红锈。试样No.3和No.8施用了高耐腐蚀性的Zn-Al-Mg-Si合金镀层。这些试样在包括焊接部分和邻近焊接区都表现出优异的耐腐蚀性。
试样No.9-15是对比试样，它们的成分在本发明限定的范围之外。试样No.9-12都不满足表达式(1)的左侧部分(Ni当量的上限)，并且都显示出脆性裂纹。试样No.11中Mo和N含量过量。
试样No.9-12满足JP09-267177A中公开的条件：-0.7×Cr当量+20≤Ni当量(Ni当量的下限)，但是不满足本发明限定的Ni当量的上限。因此，这些试样在焊接金属中不会形成足够的奥氏体相，因此形成脆性裂纹。
试样No.13不满足表达式(1)的左侧部分(Ni下限)，并观察到了脆性裂纹。试样No.4、5和13使用相同的焊丝。但是试样No.13使用二氧化碳作为保护气，焊接部分的焊透增加，这引起基材稀释率的增加，因而焊接金属的最终组成/成分落在本发明限定的范围之外。
试样No.14和15使用普通钢的焊丝。不必说，焊接金属中缺乏Cr和Ni。因此，耐腐蚀性差，在较早的阶段就出现了红锈。该焊接金属具有软钢的富铁素体焊接组分。因而，虽然不满足本发明的条件，但是没有发生脆性裂纹。
试样No.3-11和No.13使用药芯焊丝作为焊接材料。在这些试样中，焊接过程中产生的凝固熔渣覆盖住了焊接部分表面，抑制了氧化，这使其能够保持金属光泽。
                            表1
Figure S2006800362576D00151
                            表2
Figure S2006800362576D00152
Figure S2006800362576D00161
本申请中涉及的所有专利、出版物、共同未决申请及临时申请在此以引用的方式并入本申请中。
上面已经说明了本发明，但很明显本发明可以以多种方式变化。这些变化不视为偏离本发明的精神和范围，所有这些对本领域技术人员来说明显的变化都包括在附录权利要求的范围内。

Claims (5)

1.焊接接头，其包含镀有锌基合金的钢板(1、4)和连接镀有锌基合金的钢板的焊接部分(5、6)，以质量百分数计，所述焊接部分包含：
C：0.01-0.1；
Si：0.1-1；
Mn：0.5-2.5；
Ni：5-11；
Cr：17-25，
Mo：0.5-2；及
N：0.05-0.15，
其余为铁和残留杂质，
其中，满足以下表达式(1)、(2)和(3)；
-0.81×Cr当量+23.2≤Ni当量≤0.95×Cr当量-8.1 (1)
Ni当量＝Ni+30×C+0.5×Mn+30×N               (2)
Cr当量＝Cr+Mo+1.5×Si                        (3)
其中Ni、C、Mn、N、Cr、Mo和Si各表示以质量百分数计的不锈钢基焊接金属中含有的各组成元素的含量。
2.权利要求1所述的焊接接头，其中所述焊接部分的成分可通过实心焊丝或药芯焊丝调整，其中所述实心焊丝或药芯焊丝包含以占总焊丝质量的质量百分数计的以下金属组分：
C：0.01-0.05；
Si：0.1-1；
Mn：0.5-3；
Ni：7-12；
Cr：24-30；及
Mo：不大于2或N：不大于0.17中的至少一种，并且
其余为铁和残留杂质，
其中Ni、C、Mn、Cr、Si、Mo和N各表示以质量百分数计的所述实心焊丝或药芯焊丝中含有的各组成元素的含量。
3.权利要求2所述的焊接接头，其中以占总焊丝质量的质量百分数计，所述药芯焊丝包含下述熔渣组分：
TiO2：0.5-2.5；
SiO2：1.5-3.5；及
ZrO2：0.5-2.5，
其中熔渣组分的总量在6.5-9.5的范围内。
4.权利要求1所述的焊接接头，其中所述镀有锌基合金的钢板的锌基合金镀层包含以质量百分数计的下述成分：
Al：2-19；
Mg：1-10；及
Si：0.01-2，
其余为锌和残留杂质。
5.权利要求1的焊接接头，其中所述镀有锌基合金的钢板的厚度为3mm或更大，焊接接头的形状为角焊接头。
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