CN105772991B

CN105772991B - 一种高耐蚀性药芯焊丝

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Publication number: CN105772991B
Application number: CN201610337079.6A
Authority: CN
Inventors: 尹付成; 张明华; 洪波
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: CN105772991A

Abstract

本发明公开了一种高耐蚀性药芯焊丝。本发明药芯焊丝由低碳钢冷轧钢带和药芯制成，药芯组成为(质量百分比计)：金红石20～35％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～5％，硅铁1～4％，Ni 15～22％，Cr 5～12％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉。本发明的药芯焊丝采用100％CO₂作为保护气体进行焊接，具有良好的焊接工艺性，熔敷金属相对于Q345B腐蚀率小于20％，比普通耐大气腐蚀焊接材料耐蚀性提高30～50％，能满足相对于Q345B腐蚀率小于30％的高耐蚀型、屈服强度为450MPa级耐大气腐蚀钢的焊接。

Description

一种高耐蚀性药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种高耐蚀性药芯焊丝。

背景技术

耐候钢具有抗大气腐蚀的能力，是因为合金元素在钢基体表面上形成了一层保护膜，降低了锈层的导电能力，阻碍了腐蚀锈层的快速生长。能提高耐大气腐蚀能力的合金元素有镍、铬、铜和磷，镍是比较稳定的元素，加入镍能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性。铬能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，减缓锈层生长速度。钢中加入铜时，能提高钢的耐蚀性。磷在钢中能均匀溶解，有助于形成致密的保护膜。

轨道交通车辆在雨、雪、水和灰尘等恶劣环境条件下运行，车辆钢结构表面经常处于潮湿状态，加上车辆运输煤、矿石等商品时因含有硫，在有水分的情况下，易产生硫酸根，使电解质溶液带有强酸性从而加速了车辆钢结构的腐蚀。20世纪80年代以前，我国铁路货车钢结构基本采用普通碳素钢，抗大气腐蚀能力差、使用寿命短，货车运行一年半就要进行段修，5年要进行大修，不仅耗费大量修理费用，而且严重影响车辆的周转。

我国从1965年开始仿制耐候钢，1978年前后开始在铁路货车车体结构上试用耐大气腐蚀钢，1985年开始应用于铁路货车生产。进入90年代，成功研制出屈服强度为345MPa的Cu-P-Cr-Ni系列耐候钢，如09CuPCrNi，相对于Q345B腐蚀速率小于60％，耐腐蚀性比普通碳素结构钢提高40％左右。2003年研发了屈服强度为450MPa的高强度耐大气腐蚀钢，如Q450NQR1，相对于Q345B腐蚀速率小于55％，尽管Q450NQR1相比09CuPCrNi强度提高了，但二者耐腐蚀性基本相当。

2010年，为了提高新一代铁路货车耐大气腐蚀性能、延长车辆使用寿命，提出了研发与Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢强度相等但腐蚀性提高30％～50％的高耐蚀型耐候钢的计划，随后宝钢、武钢成功研发了S450EW新型高耐蚀型耐候钢，并在我国70t级敞车上成功应用。

为解决S450EW新型高耐蚀型耐候钢的焊接问题，宝钢和国内焊材企业先后开发了气体保护实心焊丝和手工电弧焊条，应用于车辆制造焊接生产。

气体保护实心焊丝易于实现半自动和自动化焊接，但存在焊接飞溅大、化学成分调配困难的缺点；手工焊条虽成分调配方便，但不能实现自动化焊接，焊接效率低，劳动强度大。药芯焊丝兼具气体保护实心焊丝和焊条两者的优点，易实现高效的半自动和自动焊，通过合理调配药芯成分，使药芯焊丝焊接电弧稳定、焊接飞溅小、焊缝成型美观，容易获得优良的耐大气腐蚀性能和焊缝力学性能，是近年来焊接材料发展的主要方向。

发明内容：

本发明目的在于提供一种耐大气腐蚀性能优良的新型高耐蚀型耐候钢焊接需求的药芯焊丝。

本发明的高耐蚀性药芯焊丝，采用低碳钢冷轧钢带和药芯制成，所述药芯由按质量百分比的下述组分构成：金红石20～35％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～5％，硅铁1～4％，Ni 15～22％，Cr 5～12％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉。

优选为，金红石22～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～10％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～5％，硅铁1～4％，Ni 15～20％，Cr 5～10％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉；

更优选为，金红石25～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～9％，氟化钠1～3％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～20％，Cr 5～9％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉；

进一步优选为，金红石25～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～8％，氟化钠1～3％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～18％，Cr 5～9％，Cu 1～2％，钛铁1～2％，其余为铁粉；

更进一步优选为，金红石28～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～8％，氟化钠1～2％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～18％，Cr 5～8％，Cu1～2％，钛铁1～2％，其余为铁粉。

以低碳钢冷轧钢包覆为外皮，通过成型轧辊加工成U型槽，在槽中添加药粉，药粉由上述按质量百分比计的组分研磨成粉得到，然后轧成管状，最终通过拉丝加工成型，即可得到本发明的高韧性耐大气腐蚀药芯焊丝。

本发明通过对药芯组分之间组合以及组合后组分间的相互作用的研究与分析，在确定成分的基础之上，总结组分占比在整个材料中所起的作用，筛选出最恰当的组分比例，以使得各组分之间的积极作用最大化。

本发明的主要原理如下：

金红石的主要成分是TiO₂，起造渣、降低熔渣粘度、引弧和稳弧作用，分析所得的合适范围为20～35％。金红石含量小于20％时，熔渣覆盖性变差，电弧不稳，焊缝成型变差；金红石含量大于35％，由于人造金红石中含有不少氧化铁，导致熔渣酸度增加，脱渣性变差，熔敷金属含氧量增加，力学性能下降。

石英砂的主要成分是SiO₂，可降低熔渣的熔点和改善焊缝成型，分析所得的合适范围为3～7％。适量的石英砂可增加渣的活性，过量时会使渣变得疏松多孔，脱渣和焊缝成型都会变差。

镁砂，主要成分是MgO，加入镁砂，可以造渣，脱S，还可以获得平滑的焊缝和焊趾部位成型，降低焊缝接头应力集中，分析所得的氧化镁的合适含量为1～3％。。含量小于1％，改善焊缝及焊趾成型效果不明显；大于3％，熔渣的覆盖性不好，焊缝成型开始变差。

硅铝酸盐(K₂O·Al₂O₃·6SiO₂)的主要作用是稳弧和造渣，分析所得的适宜含量为3～12％，处于这个含量范围时，因硅铝酸盐中含有的K₂O、SiO₂使熔滴的表面张力减少，起到细化熔滴、减少飞溅的作用。

为控制熔敷金属中的氢含量，加入氟化钠(NaF)去氢，钠属于高电离元素，含量为1～4％时既能去氢又能稳弧。当含量大于4％时，会破坏电弧稳定，且焊接烟尘量增大，不利于环保。

加入1～3％氧化钠(Na₂O)，可以起到稳弧、细化熔滴的作用，进而改善焊缝成型。

Mn可起脱氧、脱硫的作用，加入2～5％的低碳锰铁的主要作用是脱氧、脱硫，同时有利于控制焊缝中的碳含量；由于低碳冷轧钢带中已含0.36％的Mn，如果低碳锰铁加入量过多，则Mn合金元素渗入焊缝，会导致焊缝强度过高，冲击韧性下降。

硅铁起脱氧和合金化的作用，适当的硅铁能提高钢的强度，合适范围为1～4％。大于4％会提高渣的酸度及粘度，促使焊缝生成非金属夹杂物。

Cr是很好的耐腐蚀性元素，合理范围5～12％。少于5％，焊缝耐腐蚀性能不良；大于12％，焊缝强度过高，低温冲击韧性下降。

Ni是渗合金元素，作为提高耐蚀性能的主要元素，加入量为15～22％，能在大幅提高耐腐蚀性能的同时细化晶粒，提高焊缝的低温冲击韧性，进而抵消因加入5～12％的Cr引起的焊缝组织粗化、韧性下降的问题。

Cu本身是耐腐蚀元素，加入1～3％可提高焊缝耐腐蚀性能。Cu与氧的亲和力小于铁，故焊接时大部分过渡到焊缝，按合金计算要求加入，一般不会多用。

钛为稀有元素，适量使用钛铁，可起到脱氧、渗合金作用，钛铁加入范围为1～3％，适量的钛可起到细化晶粒、提高韧性的作用。

余量为铁粉，加入10％～15％的铁粉，可提高药芯焊丝熔敷效率，同时可改善引弧和电弧稳定性。

为确保药芯焊丝具有良好的工艺性能，选用钛型渣系。

本发明的有益效果在于：

1.传统的耐候钢及焊材，通常为Cu-P-Cr-Ni系，P是提高钢耐蚀性的有效元素，但考虑到P元素对韧性、焊接性能的不利影响，本发明将P不作为提高耐蚀性元素进行添加，Cu元素和普通耐大气腐蚀焊材含量基本一致，主要是通过增加Ni和Cr含量来提高药芯焊丝的耐大气腐蚀性能。

2.屈服强度为345MPa的09CuPCrNi耐候钢、Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢和S450EW新型高耐蚀型耐候钢的相对腐蚀率对比见表1。本发明通过添加适量的Ni和Cr，得到的药芯焊丝具有很好的耐腐蚀性能，熔敷金属相对于Q345B腐蚀率小于20％，比普通的耐大气腐蚀焊接材料耐蚀性提高30％～50％，能满足相对于Q345B腐蚀率小于30％的新型高耐蚀性、屈服强度为450MPa级耐大气腐蚀钢的焊接。

表1耐腐蚀性能的比较

材料	相对腐蚀率％
		09CuPCrNi耐候钢	≤60
Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢	≤55
		S450EW新型高耐蚀型耐候钢	≤30
本发明药芯焊丝耐蚀性设计目标	≤20
		Q345B	100

具体实施方式

下面用具体实施例来进一步说明本发明，但不限制本发明。

采用表2所示成分的低碳钢冷轧钢带为外皮，按实施例1、实施例2和实施例3进行药芯各组分的配比，制备成药芯焊丝。

表2低碳钢冷轧钢带化学成分(质量分数％)

C	Mn	Si	P	S
					0.020	0.360	0.012	0.009	0.008

实施例1的药芯成分：

29.0％金红石，4.0％石英砂，1.5％镁砂，12.0％硅铝酸盐，3.5％氟化钠，1.5％氧化钠，4.0％低碳锰铁，2.5％硅铁，19.0％Ni，8.0％Cr，1.0％Cu，2.0％钛铁，12.0％铁粉。

实施例2的药芯成分：

32.0％金红石，5.0％石英砂，2.0％镁砂，8.0％硅铝酸盐，3.0％氟化钠，1.0％氧化钠，2.0％低碳锰铁，3.0％硅铁，20.0％Ni，7.0％Cr，1.5％Cu，2.5％钛铁，13.0％铁粉。

实施例3的药芯成分：

30.0％金红石，6.0％石英砂，3.0％镁砂，10.0％硅铝酸盐，2.5％氟化钠，2.5％氧化钠，3.0％低碳锰铁，2.0％硅铁，18.0％Ni，6.0％Cr，1.5％Cu，1.5％钛铁，14.0％铁粉。

为分析本发明药芯焊丝熔敷金属的耐大气腐蚀性能和力学性能，采用如下焊接工艺参数进行焊接试验：保护气体为100％CO₂，采用直流反接法，焊接电流I＝250A，焊接电压U＝30V，气体流量15L/min，焊接速度350mm/min，层间温度小于150℃。

根据TB/T 2375－1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》，对新型高耐蚀型耐候钢S450EW、低合金结构钢Q345B和药芯焊丝实施例1、实施例2、实施例3的药芯焊丝熔敷金属堆焊试件进行周期浸润腐蚀试验，试验结果见表3。

表3周期浸润腐蚀试验相对腐蚀率

从表3可以看出，实施例1和实施例2所得药芯焊丝的相对腐蚀率均小于20，实施例3的相对腐蚀率大约为20，均小于同周期下新型高耐蚀型耐候钢S450EW的相对腐蚀率，表明本发明的药芯焊丝具有优良的耐大气腐蚀性能。

根据GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》和GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行药芯焊丝熔敷金属拉伸和冲击力学性能试验，实施例1、实施例2和实施例3的熔敷金属和新型高耐蚀型耐候钢S450EW的力学性能见表4。

表4熔敷金属力学性能

从表4可以看出，药芯焊丝实施例1、实施例2和实施例3的熔敷金属屈服强度、抗拉强度、延伸率和-40℃低温冲击吸收功均不低于母材标准值，表明本发明的药芯焊丝满足高耐蚀性耐候钢S450EW焊接结构对力学性能的需求。

Claims

1.一种高耐蚀性药芯焊丝，由低碳钢冷轧钢带和药芯制成，其特征在于，所述的药芯由按质量百分比的下述组分构成：金红石20～35％，石英砂3～7％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～12％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～5％，硅铁1～4％，Ni 15～22％，Cr 5～12％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉。

2.根据权利要求1所述的高耐蚀性药芯焊丝，其特征在于，金红石22～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～10％，氟化钠1～4％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～5％，硅铁1～4％，Ni 15～20％，Cr 5～10％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉。

3.根据权利要求1所述的高耐蚀性药芯焊丝，其特征在于，金红石25～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～9％，氟化钠1～3％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～20％，Cr 5～9％，Cu 1～3％，钛铁1～3％，其余为铁粉。

4.根据权利要求1所述的高耐蚀性药芯焊丝，其特征在于，金红石25～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～8％，氟化钠1～3％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～18％，Cr 5～9％，Cu 1～2％，钛铁1～2％，其余为铁粉。

5.根据权利要求1所述的高耐蚀性药芯焊丝，其特征在于，金红石28～35％，石英砂3～6％，镁砂1～3％，硅铝酸盐3～8％，氟化钠1～2％，氧化钠1～3％，低碳锰铁2～4％，硅铁1～4％，Ni 15～18％，Cr 5～8％，Cu 1～2％，钛铁1～2％，其余为铁粉。