CN109175773B

CN109175773B - 一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝

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Publication number: CN109175773B
Application number: CN201811238753.0A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 连明洋; 孟迪; 王靖博; 王瑞娟; 陈志民
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109175773A

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝。所述药芯焊丝由低碳冷轧钢带包裹药芯粉制成，所述药芯粉占焊丝总质量的20%~65%。所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化钛粉0.6%~1.5%，纳米氮化硼粉0.7%~1.7%，纳米氮化铬粉0.5%~0.8%，纳米石墨烯0.3%~0.5%，纳米氧化铈0.3%~0.8%，FeBa30Si35硅钡合金0.2%~0.5%，Nb粉0.2%~0.35%，Ni粉2.0%~3.5%，Cu粉0.2%~0.45%，Mn粉2.0%~2.8%，SiF₄粉1.8%~3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，且需满足纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬三者的质量百分比之和≤3.2%。

Description

一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，更具体的是涉及一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝。

技术背景

药芯焊丝也称为管状焊丝，可以通过调整药粉的合金成分种类和比例，很方便地设计出各种不同用途的焊接材料。药芯焊丝用途广泛，焊缝金属质量好，对母材的适应性强，焊接生产效率高。焊接材料与母材的匹配，其强度、韧性、化学成分对于焊接后的效果非常重要。

桥梁钢的主要要求为：①较高的抗拉强度，较小的屈强比（一般小于0.85）；屈强比愈小，结构抗破坏的潜在能力愈强，一旦超载，也能由于塑性变形被及早发现而不致发生毁灭性破坏，但若屈强比太低，则材料的有效利用率就低；②较高的低温冲击韧性；③耐大气腐蚀性好。

我国的桥梁钢经历了一个比较漫长的发展过程，建设完工的桥梁所使用钢板的屈服强度从235MPa到345MPa再到370MPa级别逐渐发展到420MPa级别和500MPa。2015年开工建设的沪通大桥采用的屈服强度级别为500MPa的新一代桥梁钢Q500qE。

国家技术监督局于2015年9月11日发布了新标准GB/T 714－2015《桥梁用结构钢》（2016年6月1日实施）代替了GB/T 714－2008，其中最主要的改动是对低温冲击吸收能量值（KV₂）进行了大幅度的调整，将原来－40℃时的KV₂值由47J提高到120J，而且在附录B中增加了推荐的屈强比（Q345q、Q370q、Q420q均不大于0.85，Q460q~Q690q协议，即可参照0.85执行），在附录C中提出了利用钢的化学成分预测钢的耐腐蚀性指数I的计算公式，钢材有较好的耐大气腐蚀性指数值I应不小于6.0。

随着科学技术的进步以及经济发展的需要，550MPa和Q620qE的桥梁钢也即将投入实施，尤其是Q620qE桥梁钢，它不但要求具有一定的强度和韧性，还要求屈强比在一定范围内越小越好，低温冲击韧性也有较高的要求，而且耐腐蚀性能要好，但目前还没有Q620qE桥梁钢焊接用的配套药芯焊丝，研发这种新品种焊丝是科技工作者的当务之急。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，该药芯焊丝的熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能和熔敷金属耐腐蚀性能可以满足桥梁钢Q620qE的焊接要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量分数计为：纳米氮化钛粉0.6%~1.5%，纳米氮化硼粉0.7%~1.7%，纳米氮化铬粉0.5%~0.8%，纳米石墨烯0.3%~0.5%，纳米氧化铈0.3%~0.8%，FeBa30Si35硅钡合金0.2%~0.5%，Nb粉0.2%~0.35%，Ni粉2.0%~3.5%，Cu粉0.2%~0.45%，Mn粉2.0%~2.8%，SiF₄粉 1.8%~3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，且需满足纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬三者的质量分数之和≤3.2%。

优选的，所述纳米氮化钛粉的粒径为20~60nm。

优选的，所述纳米氮化硼粉的粒径为40~100nm。

优选的，所述纳米氮化铬粉的粒径为50~120nm。

优选的，所述纳米石墨烯的粒径为30~80nm。

优选的，所述纳米氧化铈的粒径为40~120nm。

所述药芯质量占药芯焊丝总质量（即填充率）的20%~65%。

优选的，所述药芯粉80目通过率为100％。

优选的，纳米氮化钛的纯度≥99.6%，所述纳米氮化硼的纯度≥99.6%，所述纳米氮化铬的纯度≥99.6%，所述纳米石墨烯的纯度≥99.5%，所述纳米氧化铈的纯度≥99.0%，Ta的纯度≥99.9%，Nb的纯度≥99.9%，所述Ni的纯度≥99.9%，Cu的纯度≥99.6%，所述Mn的纯度≥99.6%，所述SiF₄的纯度≥99.5%。

所述焊丝直径为1.2~4.0mm。

所述外皮为宽度6~20mm、厚度0.3~1.3mm的低碳冷轧钢带，钢带的化学成分的质量分数为：C 0~0.035%，Mn 0.2%~ 0.35%，Si 0~0.028%，S 0~0.01%，P 0~0.01%，余量为Fe，所述钢带的抗拉强度为220~490MPa，伸长率不小于42％。

一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，其制备步骤如下：

（1）选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制；

（2）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度200℃±5℃，干燥时间1.5~2h；

（3）筛粉：将干燥后的粉分别用80目筛网过筛，过筛后保存细粉，弃掉杂质；

（4）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入混粉机内，进行搅拌混合，搅拌混合后成混合药粉；

（5）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤（4）得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，将其拉拔至1.2~4.0mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。

本发明所述的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝中的各化学元素的设计原理为：

纳米氮化钛：在电弧热输入的作用下，一部分氮化钛分解为Ti元素和N元素，由于Ti的存在，使Ti与氧优先反应，一方面起到脱氧作用，另一方面形成钛的氧化物和碳化物作为晶内焊缝组织的形核质点，强化了晶内；分解出的N元素一部分挥发，一部分固溶于铁中，形成间隙式固溶体，使熔敷金属的冲击韧性有显著的提高。

纳米氮化硼：在电弧热输入的作用下，一部分氮化硼分解为B元素和N元素，其中的B可固溶于奥氏体晶界，强化了晶界效应，抑制先共析铁素体的形核与长大，避免晶界形成晶界铁素体。而由于Ti的存在，使Ti与氧优先作用，保护B不被氧化，以保证硼的作用发挥；分解出的N元素一部分挥发，一部分固溶于铁中，形成间隙式固溶体，使熔敷金属的低温冲击韧性有显著的提高。

纳米氮化铬：在电弧热输入的作用下，一部分氮化铬分解为Cr元素和N元素，其中Cr可提高熔敷金属的耐蚀性，另外还可以细化铁素体晶粒，增加金属二次组织的强韧性，但不能太高，否则会增大冷裂纹敏感性并降低韧性，本技术方案中熔敷金属中Cr的质量分数控制在0.45%~0.70%范围内；分解出的N元素一部分挥发，一部分固溶于铁中，形成间隙式固溶体，使熔敷金属的低温冲击韧性有显著的提高。

没有来得及分解的纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬则作为形核质点，起到非自发形核的作用，可以细化熔敷金属的晶粒，促使合金元素分布均匀化，未分解部分作为形核质点细化晶粒，另外由于其纳米尺寸的结构很容易与其他原子结合，就不会在熔敷金属中生成尺寸大小不均匀的夹杂物，对熔敷金属的综合力学性能尤其是低温冲击韧性的提高有显著作用。

为了控制焊缝熔敷金属中的N含量，需控制药粉中：纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬三者的质量分数之和≤3.2%。

纳米石墨烯：合金元素对力学性能的影响不仅取决于碳与合金元素形成碳化物的类型、尺寸、形状、数量以及分布状态，而且取决于晶粒的大小及合金元素的分布均匀度。焊缝中为获取碳，在药芯焊丝中加入一定量的纳米级石墨烯，其表面原子具有极高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，这使得其在金属熔体中更容易扩散，提高其均匀度。

纳米氧化铈：纳米氧化铈具有细化晶粒的作用，并全可以促进熔敷金属内合金元素的均匀分布，其纳米结构使表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数增大，可有效提高熔敷金属的综合力学性能尤其是低温冲击韧性。

FeBa30Si35硅钡合金：Si除了具有良好的脱氧作用外，Si还固溶在铁素体和奥氏体中，可以提高焊缝金属的强度。同时，添加一定含量的Si还可以增加焊缝金属的流动性，使焊丝在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能。钡性质活泼，具有极强的脱氧、脱硫、脱磷能力，可以净化熔敷金属的化学成分。

Nb：Nb有很好的耐蚀性，并降低碳氧等杂质元素的含量，显著提高熔敷金属的耐蚀性，而且Nb还可在一定程度上提高熔敷金属的低温冲击韧性。

Ni：Ni可以提高熔敷金属的强度和冲击韧性，尤其是提高熔敷金属的低温冲击韧性，并降低脆性转变温度，而且Ni有极好的耐大气腐蚀能力。

Cu：提高耐蚀性，增强抗大气腐蚀性能；而当Cu的质量分数小于0.50%时，其作用主要表现为固溶强化。

Mn：Mn是增加焊缝金属强韧性的有益元素，锰含量的增加不仅有利于防止焊缝金属出现热裂纹，还有利于焊缝金属的脱氧。若锰含量过高就容易导致熔敷金属出现偏析和裂纹，也容易使熔敷金属的碳当量过大，有降低焊缝金属的韧性的风险。因而，本技术方案中将Mn元素在药粉中的质量分数控制在6.0%以下，确保熔敷金属中Mn的质量分数不大于1.6%（指碳钢药皮和药粉中的Mn共溶入熔敷金属内）。

SiF₄：焊接过程中产生的氟离子与氢反应，可以降低熔敷金属的残余氢含量，进而提高其低温冲击韧性。

本发明的有益效果是：①通过电弧作用下的分解出的Ti、N、B元素强化晶内并提高低温冲击韧性，未分解的纳米颗粒可利用其纳米结构细化晶粒并减小夹杂物的产生，进而提高熔敷金属的综合力学性能（尤其是提高低温冲击韧性）；②通过添加纳米氧化铈和纳米石墨烯细化晶粒，并促进熔敷金属内合金元素的均匀分布，而纳米石墨烯还可使碳元素与合金元素形成的碳化物尺寸细小、分布均匀，进而提高熔敷金属的综合力学性能；③通过添加硅钡合金强化脱氧、脱硫和脱磷；④通过加入Nb、Ni、Cu等元素提高熔敷金属的耐腐蚀性，而且Nb、Ni可有效提高熔敷金属的低温冲击韧性；⑤通过添加Mn元素来提高熔敷金属的强度和韧性以及抗裂性能；⑥通过添加SiF₄脱氧并增大焊缝的流动性，利用F来进一步降低熔敷金属中的H含量；⑦本发明的药芯焊丝通过在Q620qE上施焊表明：焊丝的焊接工艺性能良好、焊缝脱渣容易、成型美观，其熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能和熔敷金属耐腐蚀性能可满足桥梁钢Q620qE的焊接要求，屈强比≤0.82，－40℃时的KV₂值大幅提高，耐大气腐蚀性指数值I≥6.438。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。

实施例1：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为16mm，厚度为0.6mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф4.0mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化钛粉1.5%，纳米氮化硼粉1.0%，纳米氮化铬粉0.7%，纳米石墨烯0.5%，纳米氧化铈0.8%，FeBa30Si35硅钡合金0.5%，Nb粉0.35%，Ni粉3.5%，Cu粉0.45%，Mn粉2.8%，SiF₄粉3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例2：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为16mm，厚度为0.6mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.8mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化钛粉1.0%，纳米氮化硼粉1.7%，纳米氮化铬粉0.5%，纳米石墨烯0.4%，纳米氧化铈0.6%，FeBa30Si35硅钡合金0.35%，Nb粉0.3%，Ni粉2.5%，Cu粉0.3%，Mn粉2.4%，SiF₄粉2.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例3：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为16mm，厚度为0.6mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化钛粉0.6%，纳米氮化硼粉1.7%，纳米氮化铬粉0.8%，纳米石墨烯0.3%，纳米氧化铈0.3%，FeBa30Si35硅钡合金0.2%，Nb粉0.2%，Ni粉2.0%，Cu粉0.2%，Mn粉2.0%，SiF₄粉1.8%，余量为FHT100·25还原铁粉。

对比例1：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为16mm，厚度为0.6mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф4.0mm的焊丝。

本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬”外，其他完全相同。

对比例2：

本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“纳米石墨烯、纳米氧化铈”外，其他完全相同。

对比例3：

本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“FeBa30Si35硅钡合金”外，其他完全相同。

对比例4：

本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬、纳米石墨烯、纳米氧化铈”外，其他完全相同。

将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4得到的焊丝在桥梁钢Q620qE上施焊，焊接电流为185~280A，焊接电压为28~35V，焊接速度为15~18mm/s，气体流量为30L/min。按GB/T25776―2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》进行工艺性能评定，按GB/T223系列标准进行熔敷金属化学成分分析，按GB/T 2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》和GB/T2650－2008《焊接接头冲击试验方法》进行力学性能测试，并计算屈强比及耐大气腐蚀性指数值I，其中I按下式计算：

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

熔敷金属化学成分如表1所示。

药芯焊丝的熔敷金属力学性能及耐腐蚀性能如表2所示。

以上实施例及对比例表明：①本发明中未添加“纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬”时，或未添加“纳米石墨烯、纳米氧化铈”时，或未添加“FeBa30Si35硅钡合金”时，或未添加“纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬、纳米石墨烯、纳米氧化铈”时，其他元素的合理设计满足焊缝熔敷金属的耐大气腐蚀要求，使得耐大气腐蚀性能提高显著，但下屈服强度、抗拉强度、屈强比均不符合要求，低温冲击吸收能量值则大大低于要求值；②本发明中添加“纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬、纳米石墨烯、纳米氧化铈、FeBa30Si35硅钡合金”时，元素的合理设计满足焊缝熔敷金属的耐大气腐蚀要求，下屈服强度、抗拉强度、屈强比、低温冲击韧性均符合要求。

需要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组成物成分及用量，特别是在药芯粉中添加了纳米氮化钛、纳米氮化硼、纳米氮化铬、纳米石墨烯、纳米氧化铈、FeBa30Si35硅钡合金，并优化各组分合理范围，通过多种元素的复合强化实现了确保使用强度的前提下，缩小屈强比、有效提高低温冲击韧性、增强耐大气腐蚀性能。特别是纳米级氮化钛、氮化硼、氮化铬、石墨烯、氧化铈的加入，使部分N固溶于铁中形成间隙式固溶体，显著提高熔敷金属的低温冲击韧性，在略提高C含量的同时并未形成大小不一的碳化物夹杂，提高强度的同时并未降低韧性；未分解的纳米颗粒表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数增大，细化熔敷金属的晶粒，增大其强度和低温冲击韧性；另外FeBa30Si35硅钡合金的加入有效净化了熔敷金属的化学成分，提高了熔敷金属的强度和低温冲击韧性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化钛粉0.6%~1.5%，纳米氮化硼粉0.7%~1.7%，纳米氮化铬粉0.5%~0.8%，纳米石墨烯0.3%~0.5%，纳米氧化铈0.3%~0.8%，FeBa30Si35硅钡合金0.2%~0.5%，Nb粉0.2%~0.35%，Ni粉2.0%~3.5%，Cu粉0.2%~0.45%，Mn粉2.0%~2.8%，SiF₄粉1.8%~3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，且需满足纳米氮化钛粉、纳米氮化硼粉、纳米氮化铬粉三者的质量百分比之和≤3.2%，所述纳米氮化钛粉的粒径为20~60nm，所述纳米氮化硼粉的粒径为40~100nm，所述纳米氮化铬粉的粒径为50~120nm，所述纳米石墨烯的粒径为30~80nm，所述纳米氧化铈的粒径为40~120nm。

2.根据权利要求1所述的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯质量占药芯焊丝总质量的20%~65%。

3.根据权利要求1所述的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，所述药芯粉80目通过率为100％。

4.根据权利要求1所述的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，所述外皮为宽度6~20mm、厚度0.3~1.3mm的低碳冷轧钢带。

5.根据权利要求1-4之一所述的桥梁钢Q620qE配套药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.2~4.0mm。