CN109530976B

CN109530976B - 桥梁用800MPa耐候高强钢配套焊剂及其制备方法

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Publication number: CN109530976B
Application number: CN201910005188.1A
Authority: CN
Inventors: 韦性竹; 何秀; 陈建雄
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-01-03
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-01-03
Also published as: CN109530976A

Abstract

本发明公开了一种桥梁用800MPa级耐候高强钢配套焊剂及其制备方法，该焊剂由多种矿石原料和少量合金粉料混合而成，以质量百分比计，其组分为：10％≤CaF₂≤16％；15％≤Al₂O₃≤30％；5％≤SiO₂≤10％；26％≤MgO≤45％；14％≤CaO≤25％；0.5％≤MnO≤2.0％；1％≤Fe₂O₃≤3.5％；0.5％≤Na₂O≤2.5％；0.5％≤K₂O≤2.0％；0.3％≤LaF₃≤1.0％；0＜CeO₂≤0.5％的主要成份及粘结剂，将主成份按比例混合均匀后加入粘结剂(23‑28)％造粒，再经(200‑250)℃低温烘焙、(650‑840)℃高温烧结、筛分，得到松装比较小(约1.1g/cm³‑1.3g/cm³)、焊接时消耗量少的本发明焊剂制品。使用时所用800MPa耐候高强钢钢结构无需预热和焊后消氢处理，便于大型桥梁耐热钢结构焊接安装，节约成本。

Description

桥梁用800MPa耐候高强钢配套焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于焊材技术领域，具体涉及一种桥梁用800MPa级耐候钢配套埋弧焊剂及其制备方法。

背景技术

进入新世纪，我国公路桥梁建设有了巨大飞跃，桥梁跨径的扩大，列车时速不断提高，桥梁载荷的提高，传统的钢材已经不能满足其设计和施工要求。桥梁用钢须具有高强度、结构轻量化、大厚度、优良的低温冲击韧性、优良的焊接性、优良的耐腐蚀性等特点。

桥梁用800MPa高强钢成型存在回弹大、成型精度低等缺点，并且桥梁中使用到的钢结构的体积较庞大，使得在焊接之前无法实现预热、在焊后进行消氢处理存在一定的操作难度。而现有的普通焊剂在使用时，如不对基材进行预热处理，在焊接后不进行消氢处理，得到的焊缝存在强度低、低温韧性差、耐候性差等缺点，严重的影响桥梁结构的整体强度。

发明内容

本发明克服现有技术中的不足，提供一种桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，以及该焊剂的制备方法与其配套使用的焊丝。用该焊剂配合专用焊丝，在不采用预热和后热的情况下，对800MPa级耐候高强钢进行焊接，既能承受大线能量焊接，且焊后焊缝具有与所用耐候高强钢本体相近的高强度、高韧性、良好的抗腐蚀性、抗裂性等优良性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于，所述埋弧焊焊剂按质量百分数计算包括：

10％≤CaF₂≤16％；15％≤Al₂O₃≤30％；5％≤SiO₂≤10％；26％≤MgO≤45％；14％≤CaO≤25％；0.5％≤MnO≤2.0％；1％≤Fe₂O₃≤3.5％；0.5％≤Na₂O≤2.5％；0.5％≤K₂O≤2.0％；0.3％≤LaF₃≤1.0％；0＜CeO₂≤0.5％。

在本发明的焊剂中，焊剂中的CaF₂一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在本发明的埋弧焊剂中起到造渣、稀释、去氢的作用，降低的焊缝的扩散氢，增加焊剂的碱性，提高焊缝的韧性。在焊接过程中，CaF₂在焊接电弧作用下电离出F^-，可降低电弧气氛中氢的分压。CaF₂的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度，并且CaF₂熔点较低，能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，提高导电性，合理的CaF2含量能起到稳定电弧的作用，但CaF₂的含量超过16％则会导致焊接的电弧稳定性变差，熔渣变硬，交流可焊性变差。在本次发明中，试验证明CaF₂在(10-16)％时有较好效果。

本发明的焊剂中，MgO是作为造渣材料，对焊缝形状的控制非常重要。对于碱性渣系，MgO能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢。但MgO熔点较高，熔渣粘度急剧增大，使长渣变短渣，提高熔渣熔化温度和凝固温度，抑制渣的流动性使焊缝成形变差，摊开性不好，焊道中央凸起，熔渣变硬，脱渣困难。在本次发明中，为了保证焊缝性能，将MgO加入量控制在(26-45)％。

CaO是碱性氧化物，在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用，它能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能。本焊剂发明中加入量控制在(14-25)％。

Al₂O₃是两性氧化物，Al₂O₃具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂，通过大量的试验对比，增加一定量的Al₂O₃可减少压坑及产生压坑的倾向，但过高的Al₂O₃含量会使焊缝弧度更尖且不平滑，易产生气孔和麻点，渣壳变硬，Al₂O₃含量过低又使焊缝表面凹凸不平，出现压坑及咬边等缺陷，影响焊缝成形，因此将Al₂O₃的添加量控制在(15-30)％。

SiO₂是一种酸性物质，降低焊剂碱度，焊剂中与CaF₂配合，可提高焊剂的抗气孔能力和抗锈蚀性，在本发明的焊剂中，采用低SiO₂采用高CaF₂，这样会使焊剂具有优良的抗气孔性能，SiO₂参与造渣，调整渣的凝固点、增大表面张力及熔渣高温粘度，对焊缝成形控制起到至关重要的作用。在本发明中，结合800MPa级耐候高强钢的特点，为了得到良好的工艺和机械性能，将SiO₂的含量控制在(5-10)％。当SiO₂含量超过10％时，在焊接过程中，会造成焊丝烧损过度，过大地降低焊剂碱度，使焊缝回Si增加，低温冲击韧性下降。

在本发明的焊剂中，MnO含量在(0.5-2.0)％。MnO在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响，并且被还原的锰元素是焊缝中主要合金成分，被还原的猛可提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS，起到了脱S的作用，减少焊缝产生热裂纹倾向。Fe₂O₃在焊接过程中会分解出[0]，焊缝容易出现CO气孔，为此，Fe₂O₃含量控制在(1-3.5)％。

Na₂O和K₂O的电离电位较低，在焊接电弧中容易电离，适量的含量能提高电弧稳定性，并增加焊剂碱度。Na₂O、K₂O的含量大于5％时，焊缝中[H]含量有增加的趋势，同时电弧过长对操作不利，因此将焊剂中Na₂O和K₂O含量控制在0.5％≤Na₂O≤2.5％、0.5％≤K₂O≤2.0％为宜。

LaF₃和CeO₂作为活性剂，对焊缝金属有净化作用，能改善焊缝组织和细化晶粒，改变夹杂物的形态、大小和分布，具有脱氧、脱氢、脱硫的作用，能降低焊缝金属中的有害元素含量，提高焊缝金属低温冲击韧性，但是加入过少或过量，有效作用变差比较明显。本发明的焊剂中控制0.3％≤LaF₃≤1.0％和0＜CeO₂≤0.5％为最佳。

此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，添加Si、Ca、Mn、La联合脱氧并渗[Mn]的脱氧剂，而且锰的加入可以提高强度和韧性，猛也是一种很好的脱硫剂，Ca的加入对脱磷也有很好的作用，La对脱S以及提高焊缝韧性均有很好的作用。焊剂中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

较优选的，所述埋弧焊焊剂的各组分按质量百分数计为，SiO₂：9％；MgO：26％；Al₂O₃：28％；CaF₂：12％；CaO：17％；MnO：1.5％；Fe₂O₃：2.0％；Na₂O：2.0％；K₂O：1.5％；LaF₃：0.5％CeO₂：0.5％。

较优选的，所述埋弧焊焊剂的各组分按质量百分数计为，SiO₂：5％；MgO：28％；Al₂O₃：30％；CaF₂：11％；CaO:18％；MnO:1.3％；Fe₂O₃:3.5％；Na₂O:1.2％；K₂O:0.8％；LaF₃：1.0％CeO₂：0.2％。

较优选的，所述埋弧焊焊剂的各组分按质量百分数计为，SiO₂:5％；MgO:37％；Al₂O₃:15％；CaF₂:13.0％；CaO:22％；MnO:2.0％；Fe₂O₃:1.5％；Na₂O:2.5％；K₂O:1.0％；LaF₃：0.7％CeO₂：0.3％。

较优选的，所述埋弧焊焊剂的各组分按质量百分数计为，SiO₂:10％；MgO:26％；Al₂O₃:17％；CaF₂:16.0％；CaO:25％；MnO:0.7％；Fe₂O₃:1.8％；Na₂O:1.0％；K₂O:2.0％；LaF₃：0.4％CeO₂：0.1％。

较优选的，所述埋弧焊焊剂的各组分按质量百分数计为，SiO₂:6.8％；MgO:45％；Al₂O₃:21％；CaF₂:10.0％；CaO:14％；MnO:0.5％；Fe₂O₃:1.0％；Na₂O:0.5％；K₂O:0.5％；LaF₃：0.3％CeO₂：0.4％。

进一步的，提供一种制备桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的方法，包括以下步骤：

S1：将所述各组份混合均匀，再加入组份总量23-28％的粘结剂，搅拌均匀；

S2:造粒；

S3:于200-250℃低温烘烤，再650-840℃高温烧结，筛分，制得所述焊剂。

进一步的，在步骤S1中，所述焊剂的松装比为1.1g/cm³-1.3g/cm³。

进一步的，述粘接剂为钠水玻璃或钾钠水玻璃。

进一步的，优选低温烘烤的温度为250℃，优选高温烧结温度为780℃。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的焊剂的CaF₂-Al₂O₃-MgO-SiO₂-CaO高碱度渣系，其碱度约2.8-3.3。通过改变熔渣表面张力、粘度、熔点、线膨胀系数，改善渣的流动性和渣壳的脱渣性；在本发明的焊剂中，通过控制K+、Na+等易电离物质的含量，改善焊接时的电弧稳定性；在焊剂中加入微量合金，对熔敷金属进行微合金化，使熔敷金属晶粒细化，塑韧性提高；焊剂中加入LaF₃和CeO₂的，减少了晶界边缘低熔点物质的凝聚，降低S、P等有害元素含量，得到的焊剂结晶水含量少，扩散氢较低。

本发明的焊剂，配合该焊剂专用焊丝焊接桥梁用800Mpa级耐候高强钢时，通过使用合理的焊接工艺，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低，承受(16-35)KJ/cm范围的热输入，焊接后的焊接接头抗拉强度(850-880)Mpa，屈服强度(700～740)Mpa，延伸率(18～23)％，-40℃冲击功KV₂≥100J，具有低裂纹敏感性、较低的屈强比和良好的耐候性，且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足桥梁用钢对焊缝性能的要求。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

依照本发明中焊剂的成分范围，以及本发明中制备焊剂的方法，取表1中A、B、C、D、E五种特征组份含量，并按照下面所述实施例1-5所述方法制备焊剂。

表1焊剂组分含量表(％)

	CaF<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	MgO	CaO	MnO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Na<sub>2</sub>O	K<sub>2</sub>O	LaF<sub>3</sub>	CeO<sub>2</sub>
												A	12	28	9	26	17	1.5	2.0	2.0	1.5	0.5	0.5
B	11	30	5	28	18	1.3	3.5	1.2	0.8	1.0	0.2
												C	13	15	5	37	22	2	1.5	2.5	1.0	0.7	0.3
D	16	17	10	26	25	0.7	1.8	1	2.0	0.4	0.1
												E	10	21	6.8	45	14	0.5	1.0	0.5	0.5	0.3	0.4

实施例1：

按上表1中的A组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入23％钠水玻璃混合造粒，再经200℃低温烘烤、700℃高温烧结、筛分，即得到碱度为3.1的焊剂1号,该焊剂的松装比为1.2g/cm³。

实施例2：

按上表1中的B的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入28％钠水玻璃混合，造粒，将得到的颗粒经250℃低温烘烤、780℃高温烧结、筛分，得碱度为2.9的焊剂1号，该焊剂的松装比为1.15g/cm³。

实施例3：

按上表1中的C的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入25％钠水玻璃混合造粒，再经220℃低温烘烤、800℃高温烧结、筛分，即得碱度为3.2的焊剂3号，该焊剂的松装比为1.22g/cm³。

实施例4：

按上表1中的D的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入23％钠水玻璃混合造粒，再经210℃低温烘烤、850℃高温烧结、筛分，即得碱度为3.0的焊剂4号，该焊剂的松装比为1.3g/cm³。

实施例5：

按上表1中的E的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入25％钠水玻璃混合造粒，再经240℃低温烘烤、650℃高温烧结、筛分，即得碱度为3.0的焊剂5号，该焊剂的松装比为1.26g/cm³。

试验试板为20mm厚的800MPa桥梁用钢板B780CF母材。将上述实施例1-5制备的焊剂，配合专用埋弧焊丝XY-S80QNH进行焊接试验，所述专用焊丝成份(按重量百分比计)为：C0.069％、Mn 2.01％、Si 0.35％、S 0.003％、P 0.007％、Cr 0.40％、Ni 2.9％、Mo 0.54％、Cu 0.04％、Ti 0.035％、Al 0.015％，余量为Fe的焊丝组合。焊接工艺优良，脱渣容易，焊缝成型美观、直线度良好，无压坑、夹渣、气孔、裂纹等缺陷。按相关国家检测标准，分别对焊缝进行性能检测，得到如下表3所示的试验结果：

表3五组实施例焊接性能检测结果

在上表3中，抗拉强度是指焊接接头的抗拉强度，硬度是指焊缝的硬度。

弯曲试验：横向面、背弯和侧弯，弯曲角度为120°，弯曲直径为3倍壁厚。

本说明书所述各项实施例中，工件焊前无需预热、焊后无需消氢处理。并且在5组焊接实验中，焊接时电弧稳定、脱渣性好，焊缝性能稳定，S、P、杂质含量、扩散氢含量低，有良好的抗腐蚀性、抗裂性和耐候性。焊缝具有与800MPa级耐候高强钢本体相近的高强度、高韧性、扩散氢含量低、良好的抗腐蚀性、抗裂性及较低的硬度等特点；适用于大线能量焊接,得到焊缝成形美观，无顶部夹渣的健全的高韧性的焊缝金属。

上述各项实验其性能均满足桥梁800MPa耐候高强钢对焊缝的技术要求。

在本说明书中所谈到的“实施例”，指的是结合该实施例描述的具体特征，或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征，或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征，或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：包括以下组份，以质量分数计为，

10％≤CaF₂≤16％；15％≤Al₂O₃≤30％；5％≤SiO₂≤6.8％；37％≤MgO≤45％；14％≤CaO≤25％；0.5％≤MnO≤2.0％；1％≤Fe₂O₃≤3.5％；0.5％≤Na₂O≤2.5％；0.5％≤K₂O≤2.0％；0.3％≤LaF₃≤1.0％；0.3％≤CeO₂≤0.5％。

2.根据权利要求1所述桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于，所述焊剂各组份质量分数为：

SiO₂:5％；MgO:37％；Al₂O₃:15％；CaF₂:13.0％；CaO:22％；MnO:2.0％；Fe₂O₃:1.5％；Na₂O:2.5％；K₂O:1.0％；LaF₃：0.7％；CeO₂：0.3％。

3.根据权利要求1所述桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于，所述焊剂各组份质量分数为：

SiO₂:6.8％；MgO:45％；Al₂O₃:21％；CaF₂:10.0％；CaO:14％；MnO:0.5％；Fe₂O₃:1.0％；Na₂O:0.5％；K₂O:0.5％；LaF₃：0.3％；CeO₂：0.4％。

4.一种制备权利要求1-3中任一所述桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2:造粒；

S3:于200-250℃低温烘烤，再650-840℃高温烧结、筛分，制得所述焊剂。

5.根据权利要求4所述的制备桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的方法，其特征在于，所述焊剂的松装比为1.1g/cm³-1.3g/cm³。

6.根据权利要求4所述的制备桥梁用800MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的方法，其特征在于，所述粘结剂为钠水玻璃或钾钠水玻璃。