CN107598414B - 一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，包括焊芯和药皮；所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石34‑40份、萤石15‑20份、金红石2‑6份、硅铁2‑5份、锰铁1‑3份、硅微粉2‑5份、云母2‑5份、冰晶石0.5‑3份、金属镍6‑12份、金属铜0.5‑2份、金属钼0‑1.5份、铁粉15‑25份。本发明所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，具有良好的焊接工艺性能，熔敷金属力学性能优良，具有良好的抗裂性能和耐海洋大气腐蚀性能，可以满足耐海洋大气腐蚀3Ni钢在桥梁焊接中的需要。

Description

一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条

技术领域

本发明属于焊材生产领域，尤其是涉及一种耐海洋大气腐蚀钢用焊材。

背景技术

发达国家耐候钢桥梁发展较早，美国耐候钢桥占钢桥总数已超过50％；加拿大有约90％左右的钢桥均采用耐候钢，日本耐候钢桥的比例也达到20％左右，我国耐候钢桥的工程实际应用刚刚起步，而用于桥梁的耐海洋大气腐蚀钢刚刚开展研发工作。

耐海洋大气腐蚀钢材广泛应用于沿海地区桥梁的建设，具有良好的耐海洋大气腐蚀性能，且具有环保优势；可以减少定期维护费用，综合成本低，目前配套耐海洋大气腐蚀钢的焊材仅日本神钢有相关产品，其他国外厂家和国内厂家还没有此类产品。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，以配套耐海洋大气腐蚀3Ni钢的焊接，实现具有良好的抗裂性能和耐海洋大气腐蚀性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，包括焊芯和药皮；所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石34-40份、萤石15-20份、金红石2-6份、硅铁2-5份、锰铁1-3份、硅微粉2-5份、云母2-5份、冰晶石0.5-3份、金属镍6-12份、金属铜0.5-2份、金属钼0-1.5份、铁粉15-25份。

优选的，所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石37-39份、萤石16-19份、金红石2-4份、硅铁2-4份、锰铁2-3份、硅微粉3-5份、云母3-5份、冰晶石1-3份、金属镍8-10份、金属铜0.5-1.5份、金属钼0-1份、铁粉18-20份。

优选的，所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石39份、萤石19份、金红石3份、硅铁2份、锰铁2份、硅微粉2份、云母3份、冰晶石1份、金属镍9份、金属铜1份、金属钼1份、铁粉18份。

优选的，所述焊条的熔敷金属成分含量满足耐候性合计指数V大于等于1.6，

V＝1/{(1.0-0.16[C])×(1.05-0.05[Si])×(1.04-0.016[Mn])

×(1.0-0.5[P])×(1.0+1.9[S])×(1.0-0.10[Cu])

×(1.0-0.12[Ni])×(1.0-0.3[Mo])×(1.0-1.7[Ti])}；

其中[C]、[Si]、[Mn]、[P]、[S]、[Cu]、[Ni]、[Mo]和[Ti]分别代表C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Mo和Ti的重量百分比。

优选的，所述焊条的熔敷金属包括如下重量百分比的组分(％)：C≤0.08，S≤0.015，Mn≤1.0，Si≤0.60，P≤0.020，Ni 2.8-3.8，Cu 0.3-0.8，0.05≤Mo≤0.30，余量为Fe。

优选的，所述焊芯采用低S、P的H08A盘条制成。

优选的，所述药皮的粘合剂采用高模钾钠水玻璃。

优选的，一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条的用途，所述焊条适用于耐海洋大气腐蚀3Ni钢的焊接。

下面是关于组成本发明中药皮中重要成分的作用及含量范围说明。

大理石中的主要成分为碳酸钙，碳酸钙作为主要的造气、造渣剂，起到气渣联合保护熔池的作用。碳酸钙在高温时分解产生大量CO₂气体保护了焊接时的电弧吹力。同时，CO₂属于氧化性气体，可排除电弧区内的空气，阻止氮气侵入液态金属中，并降低电弧气氛中的氢分压，有利于焊缝金属降氢。分解产生的CaO属于碱性氧化物，能提高熔渣的碱度，增强熔渣的脱S、脱P能力。但是随着碳酸钙含量的增加，也增加了熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，过多的大理石提高熔渣的凝固温度，增加熔渣的粘度，使套筒变短，吹力减弱，同时飞溅增大，焊缝成形不好，使焊接工艺性能变坏。所以大理石的含量控制在34-40重量份数之间。

萤石中的主要成分是CaF₂，而CaF₂在碱性渣系中主要用于造渣和改善熔渣的物化性能。它可降低碱性熔渣的熔点、粘度和表面张力，增加熔渣的流动性，有利于降低焊缝金属的气体杂质。适量的CaF₂可以改善熔渣对液体金属的保护效果，因而亦可减少液体金属的吸氢量。但在CaCO₃含量一定时，CaF₂加入量过多时，将影响焊接电弧的稳定性，使焊接过程中的熔滴直径增大，飞溅增加，短路时间增长，焊条药皮熔化性能变坏，熔渣对焊缝金属的覆盖性能变差。所以萤石的含量控制在15-20重量份数之间。

金红石是比较纯的二氧化钛，TiO₂具有稳弧和造渣作用，可调整熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性。适量的TiO₂有利于全位置焊接，改善焊缝成形，减少飞溅和咬边，并在很大程度上改善脱渣性。过多的TiO₂将提高熔渣的熔点，缩小熔渣的凝固温度区间，阻碍熔渣与液态金属之间的流动作用，影响冶金反应的充分进行，使熔池内部气体逸出阻力增大，易形成气孔、夹杂等缺陷。所以金红石的含量控制在2-6重量份数之间。

云母和冰晶石中富含硅元素、钾元素和钠元素。其中SiO₂主要起造渣作用，SiO₂可与CaO、MgO等碱性氧化物形成低熔点复合物以调整熔渣粘度，从而调整熔渣的物化性能，降低熔渣的表面张力，改善焊缝金属表面成形，提高电弧电压，细化熔滴，提高焊条熔化系数。但加入量过多时，会降低熔渣的碱度，使焊接冶金性能变坏，不利于获得力学性能优良的焊缝金属。

K和Na是典型的低电离电位元素，在焊条药皮中适当加入低电离电位的K₂O和Na₂O，可以降低电弧气氛的电离电位，提高电弧的稳定性，降低焊渣熔点，减少飞溅。所以云母的含量控制在2-5重量份数；所以冰晶石的含量控制在0.5-3重量份数。

相对于现有技术，本发明所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条具有以下优势：

焊条的焊接工艺性能良好，飞溅小，焊缝成型美观，脱渣性能良好，全位置焊接可操作性良好；

熔敷金属力学性能优良，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥400MPa，延伸率≥22％，-40℃冲击韧性≥120J，熔敷金属扩散氢含量≤5ml/100g，并且具有良好的抗裂性能；

耐海洋大气指数V达到1.6以上，具有良好的抗裂性能和耐海洋大气腐蚀性能，与耐海洋大气腐蚀高性能耐候桥梁钢可达到良好的匹配。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明。

熔敷金属中

Mo的作用：

Mo是提高熔敷金属强度的元素，同时钼酸离子与同是负离子的Cl^-离子产生排斥的作用，从电化学角度抑制Cl^-离子的透过，抑制Cl^-离子窝形成，有效阻止腐蚀的进行。所以熔敷金属中Mo含量的重量百分比可相应适量控制在0.05-0.30％。

C的作用：

随着焊缝金属中C含量的增加，可以增加针状铁素体的比例，减少晶界铁素体的数量，焊态下焊缝的强度随着含C量的增加而提高，经消除应力处理后其值有所下降，而焊态和消除应力状态下的熔敷金属冲击韧性均随着含C量的增加而减小。所以熔敷金属中C含量的重量百分比控制在0.08％以下。

Mn、Si和Cu的相互配合作用：

Si可以在钢表面形成富硅保护膜，从而提高钢的耐腐蚀性。尤其是当与铜配合时可以显著提高钢的耐海洋大气腐蚀性能。而且Si的脱氧能力比锰强，但是产生的SiO₂熔点高，且与钢液的界面张力小，不易从钢液中分离，易造成夹杂，所以不单独使用Si脱氧。当把Mn和Si按适当比例加入金属中进行联合脱氧时，可以得到较好的脱氧效果，但Si不宜过高，否则将引起焊缝金属塑性和韧性的下降。

Cu与Ni的相互配合作用：

Cu是具有提高耐腐蚀性和焊接性的元素，是在电化学方面比铁强的元素，具有使生成在钢表面的锈致密化、促进稳定锈层的形成、使耐腐蚀性提高的效果。当Cu含量较低时，耐腐蚀性作用不充分，当Cu含量过高时，耐腐蚀性效果好，但是由于钢高温氧化后Cu元素极易在基体浅表层与氧化层处聚集，易于形成铜脆等缺陷。为了避免此缺陷的产生，添加适量的Ni与其配合使用。因为Ni不仅可以促进锈层致密化，物理性地抑Cl-离子渗透，具有较好的耐腐蚀、耐高温、防锈等性能，同时可以细化晶粒，显著提高焊缝金属的冲击韧性。

所以综合考虑，熔敷金属中Mn含量控制在1.0％以下、熔敷金属中Si含量控制在0.60％以下、熔敷金属中Cu含量控制在0.3-0.8％、熔敷金属中Ni含量控制在2.8-3.8％；

且熔敷金属中各个元素满足耐候性合金指数V≥1.6。即V＝1/{(1.0-0.16[C])×(1.05-0.05[Si])×(1.04-0.016[Mn])

×(1.0-0.5[P])×(1.0+1.9[S])×(1.0-0.10[Cu])

×(1.0-0.12[Ni])×(1.0-0.3[Mo])×(1.0-1.7[Ti])}；

其中[C]、[Si]、[Mn]、[P]、[S]、[Cu]、[Ni]、[Mo]和[Ti]分别代表C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Mo和Ti的重量百分比。

制备条件，所述焊芯采用低S、P的H08A盘条制成；所述药皮的粘合剂采用高模钾钠水玻璃，按常规电焊条生产工艺制造。

实施例1

药皮包括如下重量份数的组分：大理石38份、萤石20份、金红石3份、硅铁3份、锰铁2份、硅微粉3份、云母2份、冰晶石2份、金属镍8份、金属铜0.8份、金属钼0.2份、铁粉18份。

结果：熔敷金属包括如下重量百分比的组分(％)：C：0.048，S：0.005，Mn：0.62，Si：0.26，P：0.008，Ni：3.12，Cu：0.35，Mo：0.05，Fe：余量。

计算得到的耐候性合金指数V：1.68。

焊条熔敷金属力学性能：

实施例2

药皮包括如下重量份数的组分：大理石37份、萤石17份、金红石4份、硅铁2.5份、锰铁2份、硅微粉3.5份、云母3份、冰晶石2份、金属镍8.5份、金属铜1份、金属钼0.5份、铁粉19份。

结果：熔敷金属包括如下重量百分比的组分(％)：C：0.044，S：0.005，Mn：0.58，Si：0.22，P：0.009，Ni：3.25，Cu：0.42，Mo：0.10，Fe：余量。

计算得到的耐候性合金指数V：1.73。

焊条熔敷金属力学性能：

实施例3

药皮包括如下重量份数的组分：大理石39份、萤石19份、金红石3份、硅铁2份、锰铁2份、硅微粉2份、云母3份、冰晶石1份、金属镍9份、金属铜1份、金属钼1份、铁粉18份。

结果：熔敷金属包括如下重量百分比的组分(％)：C：0.046，S：0.006，Mn：0.52，Si：0.17，P：0.008，Ni：3.33，Cu：0.34，Mo：0.18，Fe：余量。

计算得到的耐候性合金指数V：1.77。

焊条熔敷金属力学性能：

焊条熔敷金属耐海洋大气腐蚀的评定实验

1)试验目的

电偶腐蚀也叫异种金属腐蚀或接触腐蚀，是指两种不同电化学性质的材料在与周围环境介质成回路时，电位较正的金属腐蚀速率减缓，而电位较负的金属腐蚀加速的现象。造成这种现象的原因是两种材料间存在着电位差，形成了宏观腐蚀原电池。本次试验考察3Ni耐海洋大气腐蚀钢以及焊条熔敷金属之间的电位差，考察焊条熔敷金属在模拟海洋大气环境下的电偶腐蚀倾向。

2)试验

①电化学试验装置

电化学试验装置采用三电极体系。工作电极(即研究电极)为待测试样，工作面积为1cm2；参比电极为饱和甘汞电极；辅助电极为铂丝网。

②电解液及环境条件

试验温度：25℃±1℃。

试验条件：模拟海洋大气环境，0.5％NaCl溶液；

③仪器设备

设备为美国EG&G公司生产的M398电化学测试系统。

④试样

试样为3Ni耐海洋大气腐蚀钢以及焊条熔敷金属，试样标号如下：

1#：3Ni桥梁钢

2#：焊条熔敷金属

将试验钢用机床加工成50mm×25mm×5mm的试样，对试样进行如下步骤处理：将试样进行倒边，逐级用水砂纸打磨到1000号后进行热碱脱脂→热水清洗→冷水冲洗→去离子水清洗→酒精清洗→吹干。

3)试验结果及讨论

表1试验钢稳定后的自腐蚀电位/V

在腐蚀环境下，两种金属组成电偶对时，电位高者作为阴极，电位低者作为阳极。电偶腐蚀的推动力是在连续的介质中两种金属的腐蚀电位差，电位差较大的两种金属组成电偶对时，阳极金属受到的腐蚀会较严重。必须由不同金属组成构件时，应尽量选择电位接近的材料相组合，设计上应避免选用大阴极小阳极的结构件，关键零件或零件面积较小时，应采用阴极材料制作。通常结构件设计为阳极面积大于阴极面积，大阳极小阴极时，电位差控制在小于100mV；小阳极大阴极时电位差应控制在10mV以下，并且越小越好。焊接材料的电位要比基体金属的电位高，一般至少要高5mV以上。

本次试验中两种试验钢稳定后的自腐蚀电位数值见表，模拟海洋大气环境下，焊条熔敷金属的电位均高于母材，电位差为12mV，满足要求。

4)结论

模拟海洋大气环境，焊条满足要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，其特征在于：包括焊芯和药皮；所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石34-40份、萤石15-20份、金红石2-6份、硅铁2-5份、锰铁1-3份、硅微粉2-5份、云母2-5份、冰晶石0.5-3份、金属镍6-12份、金属铜0.5-2份、金属钼0.2-1.5份、铁粉15-25份。

2.根据权利要求1所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，其特征在于：所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石37-39份、萤石16-19份、金红石2-4份、硅铁2-4份、锰铁2-3份、硅微粉3-5份、云母3-5份、冰晶石1-3份、金属镍8-10份、金属铜0.5-1.5份、金属钼0.2-1份、铁粉18-20份。

3.根据权利要求1所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，其特征在于：所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石39份、萤石19份、金红石3份、硅铁2份、锰铁2份、硅微粉2份、云母3份、冰晶石1份、金属镍9份、金属铜1份、金属钼1份、铁粉18份。

4.根据权利要求1所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，其特征在于：所述焊芯采用低S、P的H08A盘条制成。

5.根据权利要求1所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条，其特征在于：所述药皮的粘合剂采用高模钾钠水玻璃。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种耐海洋大气腐蚀钢用焊条的用途，其特征在于：所述焊条适用于耐海洋大气腐蚀3Ni钢的焊接。