CN106944764A - 一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊丝，具体涉及一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料。各组分按重量百分比计算为，Ni 0.35～0.60％、Cu 0.30～0.40％、Cr 0.35～0.50％、P 0.010～0.025％、Si 0.20～0.35％、C 0.04～0.07％、Mn 1.20～1.60％、S 0.004～0.015％，余量为Fe和其他元素。本发明焊材适用于焊接免涂装耐侯钢桥梁工程，有利于保护建设和使用过程中的生态环境，抗腐蚀性能高、抗裂性能优良、扩散氢含量低，焊缝金属防腐效应可维持70年以上。

Description

一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料

技术领域

本发明涉及一种焊丝，具体涉及一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料。

背景技术

由于耐侯钢材料能利用自身在表面形成的锈层，有效阻滞腐蚀介质的渗入和传输，降低在大气环境中的腐蚀速度。所以耐候钢材料在桥梁行业的推广应用具有防锈养护的优势。根据日本建设省土木研究所的推算结果显示：60年后普通钢桥费用为耐候钢桥1.5倍，100年后在2倍以上。在发达国家，耐候钢应用体系已日趋完善，目前世界耐候钢分为两类。一类是焊接要求不高的耐候钢：以铜、磷系为主，屈服强度一般在345MPa以下，板厚一般不超过16毫米，如美国的ASTM A242系列和日本JIS中的SPA系列。二是焊接结构用耐候钢：以铬-镍系为主，含P量在0.04％以下，如美国的ASTM A588和A514系列、日本的JIS、SMA系列。

我国的耐候钢桥梁的推广使用面临较大的战略机遇，如国家的“一带一路”建设、“京津冀一体化”建设、“城镇化”建设、国内众多城市群建设、西部大开发建设等，还面临着供给侧改革等政策机遇，另外我国的钢铁、桥梁行业也具备了较强的技术实力，这些都是我们耐侯钢桥梁发展的有利因素。但过去我国桥梁用钢的耐蚀性因素并非是最优先考量，因为追求大跨度，高强度、低屈强比、低温韧性和可焊性以及厚板均一性是获得应用的必要条件。近来，我国铁路桥梁用钢抗拉强度级别应在500-760Mpa范围，但要求低屈强比，厚板无预热焊接，优良的低温抗冲击性能、耐候带锈钢材的抗疲劳性能。桥梁钢总体要求是高强度、均质厚板、低屈强比、高韧性、耐候、疲劳性能高，但我国的耐侯钢在桥梁上的规模化应用的进展比发达国家滞后数十年。

桥梁是腐蚀损失的大户，而针对高性能抗腐蚀桥梁的焊接材料方面选材很困难，随着桥梁用钢强度级别、韧性标准的不断提高，对高强度、高韧性、低氢型焊接材料的需求日益增强。在此基础上随着钢桥制造向高度、重载、全焊、免涂装、大节段制造方向发展，对焊材抗裂性能提出更高要求，扩散氢含量要求更低、抗腐蚀性能更优。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料，解决现有埋弧焊焊接材料的抗腐蚀性能、抗裂性能及扩散氢等综合指标不能满足现有发展需求，综合维护成本偏高和环境影响等技术问题。

本发明焊接材料各组分按重量百分比计算为，Ni 0.35～0.60％、Cu 0.30～0.40％、Cr 0.35～0.50％、P 0.010～0.025％、Si 0.20～0.35％、C 0.04～0.07％、Mn1.20～1.60％、S 0.004～0.015％，

可选成分Ti≤0.08％，

余量为Fe和其他元素(包括不可避免的杂质)，

同时，以上各组分的重量百分比之间还需满足：

抗腐蚀指数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≥6.5，

且焊接冷裂纹敏感性系数Pcm

＝(％C)+(％Si)/30+(％Mn+％Cu+％Cr)/20+(％Ni)/60+(％Mo)/15+(％V)/10+5(％B)≤0.20％，

上述I值一般是对于母材(板材)而言的，Pcm值一般也更多应用于母材与板材，埋弧焊丝领域还未引入过相关概念；

其中，Ni元素是显著提高抗腐蚀性的重要元素之一，不论是耐大气腐蚀还是耐海水腐蚀；Ni元素的另一个重要作用是能使被焊接的母材和焊接热影响区的低温韧性显著提高，是改善钢的低温韧性的最重要合金元素，同时Ni还可提高钢的淬透性，且有一定的固溶强化作用，综合来说Ni是低合金钢中一个重要元素，可使钢具有韧性、防腐抗酸性、高导磁性，并使晶粒细化，提高淬透性，增加硬度等，

然后其作为一种价值较高的贵金属，其添加量对钢材的成本影响比较大，综合考虑到抗蚀性及低温性能，同时兼顾到成本控制和焊接后的烧损情况，本发明中Ni含量在0.35～0.60％；

Cu元素的最重要的作用是有效提高钢的耐侯性，同时也能提高钢的淬透性，在钢中也可起固溶及沉淀强化作用，但Cu含量过高的情况下，钢加热时易产生裂纹，也增加冷裂纹敏感性，恶化钢板表面性能，而与Ni一起又可以更有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力，

本发明中得益于Ni元素的存在，在Cu含量0.30～0.40％时，可以防止上述裂纹的产生，提高抗腐蚀性；

Cr 0.35～0.50％，该元素能提高焊缝中针状铁素体含量并细化铁素体晶粒，能显著提高钢的机械性能和耐磨性，增加钢淬火的变形能力，增加钢的硬度、弹性、抗磁性、耐蚀性和耐热性等；其与上述Ni与Cu元素一起作用时，其抗腐蚀性能更佳，该元素范围充分兼顾到了抗蚀性能与冷裂纹敏感性；

P 0.010～0.025％，P元素是有效的抗腐蚀元素，同时也能使钢的强度及硬度显著提高，但过高的P元素会使焊缝的塑性及韧性下降，特别是使钢的脆性转变温度升高，提高了钢的冷脆性，所以会被严格控制上限值范围，

为了充分保证焊材的抗腐蚀性，在P含量的小范围内特别限定了其下限数值；

Si 0.20～0.35％，Si元素是焊缝的主要脱氧剂之一，有利于减少焊缝中气孔的产生，从而提高焊接接头的质量；适量的Si也可以提高焊缝的强度，并且增加焊接时焊缝铁水的流动性能；Si元素也有利于提高焊缝的抗腐蚀性能，但一般的埋弧焊焊接材料的Si元素会控制到0.10％以下(以避免硅元素过高对韧性带来的伤害)，普通偏低，达不到抗腐蚀的作用，而本发明中Si元素范围是充分结合了其余元素的联合影响才设定的；

C 0.04～0.07％，C作为固溶强化元素，会促进形成碳化物及马氏体，但C元素是影响冷裂纹敏感性的重要元素，特别是对于焊接材料来说，其含量越高焊材的焊接性能会越差，所以C含量会控制在一个比较低范围以下，另外C含量低一些对低温韧性有利，然而超低C的控制成本是非常高的，所以本发明将C含量设计限制在一个较小的上下限范围内；

Mn 1.20～1.60％，Mn元素也是焊缝的主要脱氧剂之一，Mn、Si元素是焊缝的主要脱氧剂，减少焊缝中气孔的产生；在焊接过程中它们还是碳主要的还原剂，同时它们也是保证焊缝强度的主要元素，尤其是Mn元素能显著提高焊缝的强度，Mn含量超过1.0％时可明显提高强度，特别耐磨，所以它也属于强韧性元素和奥氏体稳定化元素，

但是Mn对焊接接头韧性的影响也比较复杂，低合金钢焊缝Mn含量过多，韧性下降，只有当Mn、Si有合适的比例时，会改变焊缝的组织，对低温韧性有很大的影响：当Mn、Si比值为5～7倍时，焊缝组织为铁素体加针状铁素体，当Mn、Si比值为2～4倍时，焊缝组织为细针状铁素体，本发明中埋弧焊焊接材料的Mn元素为Si元素的6倍，但配合HTF-101G焊剂(即SJ101q型焊剂，下同)焊接后得到的Mn、Si比值为3倍左右，本发明的Mn元素范围充分考虑到了焊缝金属的强度、低温韧性、焊接流动性和冷裂纹敏感性等综合指标；

S 0.004～0.015％；S通常被认为是一种杂质元素来加以控制，因为S含量过高时会降低钢的低温韧性和Z向性能，若钢中含有S化物夹杂会使钢的耐侯性降低，但作为焊接材料，其焊缝的流动性也是影响焊缝外在质量的一个重要因素，我们发现一定量的S含量能够改善焊缝的流动性，所以我们特别限制了S元素的下限数值；

Ti是焊缝中细化晶粒的重要元素，它作为一种强氮化物元素，有助于控制奥氏体晶粒的长大，有利于提高焊缝的低温韧性，但过高的Ti元素会对焊接时的焊缝流动性有影响，所以本发明中Ti作为了一个添加参考元素，根据使用场合需要更高的低温韧性还是更漂亮的焊接外观来选择使用。

本发明桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊丝与现有技术相比具有如下优点：

本发明的埋弧焊焊接材料是在目前普通桥梁的高强度、低屈强比、高韧性、高疲劳性能的基础上，随着钢桥制造向高度、重载、全焊、免涂装、大节段制造方向发展，与之相匹配的抗腐蚀性能更优、抗裂性能更高，扩散氢含量更低、且性价比更高的埋弧焊焊接材料，焊接材料的抗腐蚀指数I值达到6.5以上、与HTF-101G焊剂配合使用后其熔敷金属的抗腐蚀指数I值达到6.8以上，焊接材料的焊接冷裂纹敏感性系数Pcm在0.20％以下，与HTF-101G焊剂匹配焊接后得到的熔敷金属焊缝通过水银法测得的扩散氢含量在4mL/100g以下，达到超低氢等级；熔敷金属成分的ASTM G101-01耐侯指数I≥6.8；

本发明的埋弧焊焊接材料成分设计充分考虑到了焊接工艺的影响，如焊缝流动性、Si、S等元素的影响、脱氧性、脱渣性、如Mn、Si联合元素的影响等等，所以具有优良的焊接可操作性，能提高电弧稳定性，提高焊接操作效率，焊缝接头成型优良；

本发明的埋弧焊焊接材料成分设计充分考虑到了各元素在焊接这个二冶炼过程中对焊后熔敷性能的综合影响，包括Ni、Cu、Cr、P、Si的抗腐蚀性能的联合作用提高、Ni、Cr、C、Mn、Si的强度稳定性提高和低温韧性提高，尤其还设计了Ti元素对不同场合桥梁焊接的需求，所以可以得到更稳定的高抗腐蚀、高强度、优低温韧性的焊缝金属；

本发明的埋弧焊焊接材料设计由于成分控制合理，所以其冶炼制造成本也相对合理，成品性价比会很高，同时其使用后的免涂装也体现出更环保、维护成本更低的特点；

所以使用该焊材焊接，其抗裂性能优良、扩散氢含量低，且焊接后得到的焊缝抗腐蚀性能优良，不仅其防腐效应可维持70年以上，且其焊接部位也不需要油漆涂装，所以可以减少建设时间，节约维护成本，延长桥梁使用寿命，有利于保护建设和使用过程中的生态环境。

具体实施方式

统一采用200KG真空感应电炉冶炼钢坯，再经过统一的轧制、表面处理、拉拔、镀铜、分卷等工序制成直径为3.98mm的埋弧焊丝，通过上述工艺流程分别制作三个实施例，三个案例焊丝的主要化学成分(质量百分比)以及其抗腐蚀指数、冷裂纹敏感性系数参见表1：

表1

由表1可见三个案例实验焊接材料抗腐蚀指数I值都达到6.5以上，而一般现有的抗腐蚀材料都超不过6；其冷裂纹敏感性系数均都低于0.20％，而一般的焊接材料的冷裂纹敏感性系数经常高于0.20％。表明本发明的埋弧焊焊接材料具有优异的抗腐蚀性能和焊接性能。

将表1中各实施例制备的埋弧焊丝配合HTF-101G焊剂(两者质量比为1：1)进行熔敷金属试板焊接，焊接工艺为：焊剂经过300℃、2小时烘焙，置于烘箱中随用随取；试板和垫板材质选用主桥主梁和索塔主结构用耐侯钢Q420qFNH，焊接试板尺寸(长×宽×厚)为：400×150×20mm，单面坡口15°，焊接垫板尺寸(长×宽×厚)为：430×50×12mm，焊接电流580A、焊接电压32V、焊接速度6mm/秒、层间温度150±15℃、焊接道次12道6层，

同时将国外常用抗腐蚀钢AWS A5.23中的ENi1K埋弧焊材按上述工艺进行焊接来作为比较例1、将国内目前常用的高性能桥梁用埋弧焊焊材H08Mn2E材料按上述工艺进行焊接来作为比较例2、将国内目前常用的普通埋桥梁用埋弧焊焊材H08Mn2E材料按上述工艺进行焊接来作为比较例3，所得的相应熔敷金属化学成分、抗腐蚀指数、机械性能、低温韧性、扩散氢含量如表2所示，

表2

由表2可见：(1)使用本发明的埋弧焊焊接材料其抗腐蚀指数远远大于国外现有抗腐蚀类焊接材料，且其抗腐蚀性能指数超过国内现有桥梁用高性能埋弧焊焊接材料近一倍，是桥梁用普通埋弧焊焊接材料的2.3倍，充分体现出其优异的抗腐蚀性能；(2)在机械性能方面包括屈服强度、抗拉强度、延伸率与国外焊材相接近，虽然其延伸率略低于国内常用的两种焊接材料，但在桥梁板上作为重要的低温韧性指标即低温冲击功方面，本发明的焊接材料更具优势，尤其是在-60℃下的低温韧性更具优势；(3)在扩散氢方面，使用本发明的焊接材料得到的焊缝均在3mL/100g以下，所以其焊缝性能更加稳定。

Claims (5)

1.一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料，其特征在于：所述的焊接材料各组分按重量百分比计算为，Ni 0.35～0.60％、Cu 0.30～0.40％、Cr 0.35～0.50％、P 0.010～0.025％、Si0.20～0.35％、C 0.04～0.07％、Mn 1.20～1.60％、S 0.004～0.015％，余量为Fe和其他元素。

2.一种桥梁用高性能抗腐蚀埋弧焊焊接材料，其特征在于：所述的焊接材料各组分按重量百分比计算为，Ni 0.35～0.60％、Cu 0.30～0.40％、Cr 0.35～0.50％、P 0.010～0.025％、Si0.20～0.35％、C 0.04～0.07％、Mn 1.20～1.60％、S 0.004～0.015％、Ti≤0.08％，余量为Fe和其他元素。

3.如权利要求1或2任一项所述的焊接材料，其特征在于：所述的其他元素为钼、钒、硼中的一种或几种的组合，以及不可避免的杂质。

4.如权利要求3所述的焊接材料，其特征在于：各组分的重量百分比之间满足，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≥6.5。

5.如权利要求3所述的焊接材料，其特征在于：各组分的重量百分比之间满足,(％C)+(％Si)/30+(％Mn+％Cu+％Cr)/20+(％Ni)/60+(％Mo)/15+(％V)/10+5(％B)≤0.20％。