CN105643139A - 一种高强度耐候钢用实心焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种高强度耐候钢用实心焊丝，属于焊接材料技术领域。其化学成分按质量百分比为：C：0.06-0.10％，Si：0.45-0.65％，Mn：1.45-1.80％，P≤0.025％，S≤0.020％，Ni：0.3-0.5％，Cr：0.6-0.9％，Ti：0.06-0.15％，Cu：0.20-0.50％，B≤0.0005％，O≤0.0050％，N≤0.0070，其余为铁和不可避免的杂质。优点在于：具有与基材相当的机械性能和优良的耐大气腐蚀性能；焊接操作性优良。

Description

一种高强度耐候钢用实心焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种高强度耐候钢用实心焊丝。尤其提供了一种熔敷金属抗拉强度Rm≥650MPa的高强度耐候钢气体保护电弧焊用实心焊丝及其原料盘条，可用于铁路机车车辆、桥梁、风电等领域相应级别耐候钢板的焊接。
背景技术
耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，具有良好的耐大气腐蚀性能，在使用中有节能降耗等优点，主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构，是用来制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台等结构件的主要材料。随着生产技术和使用要求的提升，高强度化成为耐候钢发展的主要趋势之一，使用高强度耐候钢可起到减重、降低生产成本、提高载荷及降低能耗等作用，而目前国内主要应用领域内实现工业化生产的耐候钢产品，其抗拉强度级别均已达到700MPa以上。
耐候钢在使用过程中多数需经过焊接加工才得以实现其功能，焊缝质量是工程结构寿命的关键，必须具有与基材相当的性能。气体保护电弧焊具有操作灵活、高效高能的优势，近年来在国内得到高速发展，而气保护焊用实心焊丝也逐步成为替代手工电焊条的主要焊接材料，近两年来我国气保护实心焊丝的年表观消费总量基本稳定在150万吨左右。由于气保护实芯焊丝的制作工艺和使用方法，原料盘条是决定焊丝除Cu以外其它成分的唯一因素(焊丝制作过程中可镀铜)，而焊丝成分很大程度上决定了焊缝的化学成分和组织性能(焊接工艺是另一个主要影响因素)。
在GB/T8110中关于耐候钢焊丝仅推荐了一个钢号(ER55-1)，耐候钢应用广泛的铁路运输行业在TB/T2374中推荐了六种耐候钢气保护实心焊丝，上述产品适用于抗拉强度450-600MPa范围的耐候钢，实际上抗拉强度550MPa级别的耐候钢及配套焊丝是当前市场的主流，国内主要焊材生产企业和钢铁企业均可稳定商业化供货相关产品；而650MPa及以上级别耐候钢配套焊材相对稀缺，检索发现：专利CN201310617204.5、CN201210553022.1、CN201110104281.1和CN200410013357.x中各自设计了一种气保护实心焊丝，熔敷金属抗拉强度均可达到650MPa以上，并有良好的综合性能，但均存在使用成本较高的现象，不利于产品的市场推广；此外上述专利中，部分产品要求成分中有一定的B含量，其它产品则未对B提出明确要求，而实际在高强度钢中B极易导致裂纹缺陷，需要严格要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐候钢用实心焊丝。可用于650-700MPa级别高强度耐候钢的焊接，且熔敷金属具有良好的韧塑性。
一种高强度耐候钢用实心焊丝，其化学成分按质量百分比为：C：0.06-0.10％，Si：0.45-0.65％，Mn：1.45-1.80％，P≤0.025％，S≤0.020％，Ni：0.3-0.5％，Cr：0.6-0.9％，Ti：0.06-0.15％，Cu：0.20-0.50％，B≤0.0005％，O≤0.0050％，N≤0.0070，其余为铁和不可避免的杂质；
其原料盘条要求化学成分中Cu含量0.15-0.35wt％，其它元素含量则与焊丝要求相同。
C元素可有效提高焊缝强度，但碳含量过高时则焊接性不好，因此需控制适宜的范围。本发明中C含量0.06-0.10wt％，其最佳范围0.06-0.08wt％。
Si、Mn既是有效的脱氧元素，在钢中还可以发挥固溶强化作用，Mn可以提高钢的淬透性，都可提高焊缝强度；控制适宜的Si/Mn比值，也有利于焊缝熔敷金属流动性的控制，改善焊缝成型。本发明中Si含量0.45-0.65wt％，Mn含量1.45-1.80wt％，最佳范围分别是Si0.48-0.60wt％和Mn1.48-1.60wt％。
Cr可提高钢的淬透性，增加熔敷金属中针状铁素体比例，有利于提高焊缝强度；Cr还可在钢的表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，是提高钢耐候性能的有效元素。本发明中Cr含量0.6-0.9wt％，其最佳范围0.6-0.7wt％。
Cu也是提高钢的耐候性能的有效元素，微量的Cu即可产生显著的效果，在与Cr同时使用时效果更佳；Cu的固溶强化作用也可提高焊缝的强度，但Cu会导致焊缝的热脆性，增大裂纹缺陷的产生几率，此外过量的Cu也将破坏钢的低温韧性，因此需要控制其含量。本发明中焊丝要求Cu含量0.20-0.50wt％，考虑到焊丝制作过程中的镀铜量，要求原料盘条Cu含量0.15-0.35wt％，其最佳范围0.18-0.22wt％。
Ni含量达到3wt％以上时，可以显著提高钢的耐腐蚀性能，少量的Ni虽然在这方面作用不显著，但有利于消除Cu的热脆倾向，同时Ni能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性；Ni也是目前影响成本的主要元素。本发明中Ni含量0.3-0.5wt％。
Ti是强脱氧剂；在冷却过程中，可与钢中的C、N、S等元素反应，生成弥散分布的纳米级析出物，细化焊缝微观组织，并有着显著的沉淀强化作用；Ti在钢中优先Mn与S反应，可改善钢中硫化物夹杂形态，有利于改善钢的各向异性；此外，Ti可用于调整熔敷金属流动性，使焊丝适用于更多焊接条件。本发明中Ti含量0.06-0.15wt％，其最佳范围0.06-0.10wt％。
P、S均是钢中的杂质元素，虽然P有利于钢的抗腐蚀性能，但其对钢的其它性能危害均较大，因此需严格控制其含量，以提高焊缝的纯净度。本发明中P含量≤0.025wt％、S含量≤0.020wt％。考虑到S对焊接操作性的有利影响，其最佳范围0.008-0.018wt％。
本发明中气保护实心焊丝及其原料盘条的制备方法与现有同类产品如ER55-G(TH550-NQ-Ⅱ)等相同。
本发明的优点在于：
1)所述气保护实心焊丝的焊缝具有与基材相当的机械性能和优良的耐大气腐蚀性能，其中熔敷金属抗拉强度平均约720MPa，屈服强度平均约625MPa，断后伸长率均值达到21wt％，断面收缩率均值达到52wt％，-40℃时V型缺口冲击功平均约70J，能够满足抗拉强度650-700MPa级别耐候钢的焊接使用要求。
2)所述气保护实心焊丝的焊接操作性优良，焊接时电弧稳定、焊接飞溅小、焊缝成型美观、焊接烟雾小，可用于全位置焊接。
3)所述气保护实心焊丝及其原料盘条生产工艺易于实现，较现有同类型焊接材料相比，具有显著的成本优势，有利于市场的推广普及。
4)所述气保护实心焊丝用原料盘条化学成分控制最佳范围内，则可在保证所制焊丝焊接性能的同时，盘条的拉拔性能也可达到最佳。
具体实施方式
本发明中所述气保护实心焊丝及其原料盘条具体应用实例如下。
依据本发明所述成分范围，先后使用了50Kg真空感应炉、80吨转炉等冶金设备进行了原料盘条的生产，盘条线径为Ф5.5mm，后经拉拔、镀铜等工序制作成Ф1.2mm规格焊丝，焊丝的主要化学成分如表1所列。
表1应用实例焊丝/盘条主要化学成分，wt％
编号 C Si Mn P S Cr Ni Cu* Ti
1# 0.078 0.54 1.45 0.016 0.010 0.61 0.30 0.29/0.20 0.065
2# 0.072 0.48 1.50 0.013 0.012 0.70 0.32 0.28/0.18 0.078
3# 0.065 0.52 1.62 0.015 0.008 0.75 0.32 0.29/0.18 0.10
4# 0.085 0.48 1.72 0.015 0.011 0.65 0.33 0.25/0.17 0.080
5# 0.068 0.55 1.48 0.009 0.009 0.67 0.35 0.22/0.15 0.075
*Cu含量0.29/0.20等分别为焊丝/盘条成分。
焊接实验以80％Ar2+20％CO2作为保护气体，焊接参数为电流280-320A和电压30-35V，焊接速度约34cm/min，检测焊缝熔敷金属机械性能，结果如表2所列。
表2应用实例焊丝熔敷金属机械性能
由实验结果可见，本发明中所述气保护实心焊丝熔敷金属-40℃冲击功大于60J，可应用于铁路车辆、桥梁、建筑等领域中相应级别耐候钢的焊接。
表3则是应用实例焊接实验中熔敷金属主要化学成分的检验结果以及依据成分计算得到的耐大气腐蚀性指数。
表3应用实例熔敷金属主要化学成分和耐大气腐蚀性指数，％
编号 C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti I
1# 0.07 0.38 1.10 0.014 0.008 0.41 0.28 0.29 0.029 6.5
2# 0.07 0.36 1.17 0.011 0.009 0.46 0.33 0.27 0.034 6.5
3# 0.06 0.37 1.23 0.013 0.007 0.50 0.31 0.31 0.044 6.7
4# 0.08 0.35 1.38 0.013 0.009 0.44 0.29 0.24 0.035 6.2
5# 0.065 0.40 1.15 0.008 0.008 0.46 0.33 0.24 0.033 6.3
其中，耐大气腐蚀性指数I由文献公式计算得到，具体公式如下所示。
I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(Si％)+17.28(P％)-7.29(Cu％)(Ni％)–9.10(Ni％)(P％)-33.39(Cu％)2
与同级别常规气保护实心焊丝相比，本发明中所述气保护实心焊丝耐大气腐蚀性指数约提高2-3倍，表现出更好的耐候性能。

Claims (8)

1.一种高强度耐候钢用实心焊丝，其特征在于，化学成分按质量百分比为：C：0.06-0.10％，Si：0.45-0.65％，Mn：1.45-1.80％，P≤0.025％，S≤0.020％，Ni：0.3-0.5％，Cr：0.6-0.9％，Ti：0.06-0.15％，Cu：0.20-0.50％，B≤0.0005％，O≤0.0050％，N≤0.0070，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所用原料盘条中Cu含量为0.15-0.35wt％，其它元素含量则与焊丝要求相同。
3.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的C含量为0.06-0.08wt％。
4.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的Si含量为0.48-0.60wt％，Mn含量为1.48-1.60wt％。
5.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的Cr含量为0.6-0.7wt％。
6.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的Cu含量为0.18-0.22wt％。
7.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的Ti含量为0.06-0.10wt％。
8.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，所述的S含量为0.008-0.018wt％。
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