CN110181201B - 一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条及其用途，其焊条包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮；所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石33～40份﹑萤石15～25份、硅铁1～3份、锰铁1～3份、钛铁1～6份、石英1～5份、云母3～10份、纯碱1～3份、镍粉6～14、铜粉1～4份、钼粉0.1～1.5份、氟铝酸盐1～5份、氟硅酸盐1～5份、铁粉10～20份。本发明以在降低Ni含量的基础上降低成本，且同时适应海洋大气腐蚀程度较低地区的高韧性和耐腐蚀性。

Description

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条及其用途

技术领域

本发明属于焊条技术领域，尤其是涉及一种应用于耐候钢焊接的焊条。

背景技术

免涂装耐候钢桥具有环保、维护成本低、使用寿命长的综合优势。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也已起步。

耐候钢包括常规耐工业大气环境腐蚀钢与耐海洋大气环境腐蚀钢。我国主要经济发达城市均在沿海地区，那里的大气特征呈海洋大气环境，所以近年来耐海洋大气腐蚀钢的应用逐渐增多。

对于耐候钢的耐腐蚀性能，“耐腐蚀性指数I”反映了常规工业大气环境中钢板的耐腐蚀性能。“耐候性合金指数V”更好的反映了桥梁在海洋大气环境下的耐腐蚀性能。耐海洋大气腐蚀钢板与焊材为了提高耐腐蚀性能，一般采用的方式为提高Ni元素含量，将钢板Ni含量提高到3Ni钢板，从而提高整体的抗氧化、耐腐蚀性能。但Ni属于贵金属，Ni含量越高成本越高，出于对成本的考虑，实际生产应用中，也不是Ni含量越高越好。

一些距离海洋略远或周围大气中具有腐蚀性成分含量偏低的沿海工程，即耐海洋大气腐蚀性能要求低一些的地区，如沿海大桥塔顶，可选用耐候性合金指数稍低的钢板与焊材。既可以保证耐候工程的耐腐蚀性，又可以降低工程成本。因此，国内钢厂新开发了“1Ni耐海洋大气腐蚀钢”，钢板Ni含量较3Ni钢板降低50％以上，钢板耐侯性合金指数V：1.4左右。

焊材是“钢铁针线”，直接影响到桥梁的质量、寿命以及生产的成本、效率，新的钢种必须匹配相应的焊材。因此，研发一种用于沿海工程“1Ni耐海洋大气腐蚀钢”焊接的耐腐蚀、高韧性焊条十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条及其用途，以在降低Ni含量的基础上降低成本，且同时适应海洋大气腐蚀程度较低地区的高韧性和耐腐蚀性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮。所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石33～40份﹑萤石15～25份、硅铁1～3份、锰铁1～3份、钛铁1～6份、石英1～5份、云母3～10份、纯碱1～3份、镍粉6～14、铜粉1～4份、钼粉0.1～1.5份、氟铝酸盐1～5份、氟硅酸盐1～5份、铁粉10～20份。

优选的，所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石33～38份﹑萤石16～25份、硅铁1～3份、锰铁1～3份、钛铁2～5份、石英2～5份、云母3～10份、纯碱1～2份、镍粉7～13份、铜粉1～3份、钼粉0.1～1.5份、氟铝酸盐1～5份、氟硅酸盐1～5份、铁粉13～20份。

优选的，碳钢焊芯包括按重量百分比(％)计的组分：C:0.04-0.08、Mn:0.30-0.60、Si:≤0.030、P:≤0.010、S:≤0.010、Cr:≤0.020、Ni:≤0.030、Cu:≤0.020、余量为Fe。

优选的，一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：其焊条熔敷金属中Ni含量为1.0～2.0％。

优选的，一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：其焊条熔敷金属的耐候性合金指数V≥1.4，

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，所述药皮占焊条总重量的28-32％。

优选的，大理石中CaCO₃的质量含量≥97％、S的质量含量≤0.015％、P的质量含量≤0.015％，颗粒度要求为：-40目以下：100％、200目以下：≤25％。

优选的，药皮还包括粘结剂，所述粘结剂为钾钠水玻璃，添加量为粉料总重量的20-25％。

本发明还提供了一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条的用途，用于“1Ni耐海洋大气腐蚀钢”的焊接。

发明原理：

焊条包括焊芯和药皮，药皮的配方设计是决定焊条性能的主要因素，其中药皮中重要组分作用原理如下：

大理石中的主要成分碳酸钙在电弧热的作用下分解成CaO和CO₂，是焊条中主要的造渣造气材料，起到气渣联合保护熔池的作用。分解产生大量CO₂气体保证了焊接时的电弧吹力。分解产生的CaO属于碱性氧化物，提高熔渣碱度，提高熔敷金属纯净度，降低夹杂物量，稳定电弧，增大熔渣与金属界面张力和表面张力，改善脱渣。过多的大理石提高熔渣的凝固温度，降低熔渣的粘度，使套筒变短，吹力增大，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33-40重量份数之间。

萤石中的主要成分是CaF₂，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15-25重量份数之间。

云母富含硅元素、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。

纯碱的加入显著改善了焊条的压涂性能。

加入氟铝酸盐、氟硅酸盐可提高焊条电弧稳定性，但不宜加入过多，加入过多会减弱电弧吹力。

硅铁(硅:42.0～48.0％，余量为铁)、锰铁(锰：75.0～85.0％，碳：≤1.50％，余量为铁)：Mn作为重要的脱氧剂加入焊条药皮中的元素，同时Mn是获得强度和韧性较经济的化学元素，确保焊缝具有一定的抗拉强度，并可以起到很强的脱硫作用，大大减少热裂纹的倾向。但当Mn含量过高时，由于淬透性增强，组织很可能为贝氏体或马氏体，韧性明显下降。Si可以在钢表面形成富硅保护膜，从而提高钢的耐腐蚀性。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。

钛铁(钛：25.0～35.0％，余量为铁)：钛铁中的Ti能细化晶粒，从而提高焊缝金属低温冲击韧性。Ti和N能生成TiN降低N的活度，降低焊缝气孔敏感性。Ti能够促进焊缝金属形成细小的针状铁素体，提高大线能量下焊缝金属的低温冲击韧性。

铁粉：铁粉能净化溶池，同时它又能细化晶粒，提高焊缝冲击韧性，但过多会使其它元素稀释。铁粉药皮中加入量控制在10-20重量份数之间。

镍粉：镍具有较好的耐腐蚀、耐高温、防锈等性能，镍可以促进锈层致密化，物理性地抑制海洋大气中Cl^-离子渗透，同时可以细化晶粒，显著提高焊缝金属的冲击韧性。但镍属于稀有贵重金属，所以在保证焊缝金属耐腐蚀性和冲击韧性达到优良的前提下，应尽量减少其加入量，达到降低成本的目标。

铜粉：Cu是具有提高耐腐蚀性和焊接性的元素，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，因此Cu的加入量应适中，且需与Ni配合使用，避免缺陷的产生。

钼粉：适量Mo可以有效提高焊缝金属的拉伸强度，同时可促进焊缝获得理想的针状铁素体显微组织，提高焊缝金属低温冲击韧性。同时适量Mo提高耐腐蚀性，从电化学角度抑制海洋大气中Cl^-离子的透过。但Mo含量不宜过高。过高因使焊缝强度显著提高而影响焊缝金属的冲击韧性。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条及其用途具有以下优势：

(1)本发明所述的焊条通过调节药皮组分进而调节焊条熔敷金属中Ni含量，使其满足针对“1Ni耐海洋大气腐蚀桥梁钢”建设的焊接，大幅度降低工程成本；

(2)熔敷金属化学成分设计合理，焊条熔敷金属Ni含量在1.0～2.0％，同时加入适量的Cu、Mo，并通过C、Mn、Si含量的控制及其他微量合金元素的作用，焊条熔敷金属耐候性合金指数V可达到1.4以上，耐海洋大气腐蚀性能优异；

(3)该焊条熔敷金属力学性能优异且稳定性良好，熔敷金属抗拉强度≥510MPa，屈服强度≥400MPa，断后伸长率≥22％，-40℃低温冲击吸收能量达到130J以上，具有良好的抗裂性能；

(4)该焊条用于海洋大气腐蚀程度较低地区使用，用于500MPa级“1Ni耐海洋大气腐蚀桥梁钢”以及沿海钢结构工程的焊接。钢板及焊缝可以免除涂装工序，具有环保优势，减少定期维护费用，综合成本低。

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。

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，采用碳钢盘条制成直径φ4.0mm焊芯；以重量百分比计，焊芯化学成分为：C:0.055、Mn:0.45、Si:0.017、P:0.006、S:0.005、Cr:0.019、Ni:0.003、Cu:0.005、余量为Fe。

按比例取药皮各成分粉料；将粉料混合均匀后，加入药粉总成分质量25％的水玻璃作为药皮粘结剂搅拌混合均匀；送入焊条压涂机内将其裹覆于焊芯上，再经低温及高温烘焙，制造成长400mm、规格为4.0mm的焊条。

实施例1：

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，所述药皮包括如下重量份数的组分，大理38份﹑萤石16份、硅铁3份、锰铁2份、钛铁2份、石英2份、云母6份、纯碱1份、镍粉7、铜粉1.5份、钼粉0.1份、氟铝酸盐4份、氟硅酸盐1份、铁粉17份。

所述药皮占焊条总重量的比例为30％。

实施例2：

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，所述药皮包括如下重量份数的组分，所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石35份﹑萤石20份、硅铁2.5份、锰铁3份、钛铁3份、石英4份、云母4份、纯碱2份、镍粉10份、铜粉3份、钼粉0.3份、氟铝酸盐2份、氟硅酸盐2份、铁粉14份。

所述药皮占焊条总重量的比例为30％。

实施例3：

一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，所述药皮包括如下重量份数的组分，所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石33份﹑萤石21份、硅铁2份、锰铁3份、钛铁5份、石英5份、云母3份、纯碱1.5份、镍粉10份、铜粉1份、钼粉0.5份、氟铝酸盐1份、氟硅酸盐4份、铁粉10份。

所述药皮占焊条总重量的比例为30％。

将以上实施例所得的焊条按照GB 5117-2012标准进行力学性能试验，实验结果如表一所示。

表一本发明实施例1-3焊条熔敷金属力学性能：

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 (7)

1.一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮；

所述药皮由如下重量份数的组分组成：大理石33～40份﹑萤石15～25份、硅铁1～3份、锰铁1～3份、钛铁1～6份、石英1～5份、云母3～10份、纯碱1～3份、镍粉6～14、铜粉1～4份、钼粉0.1～1.5份、氟铝酸盐1～5份、氟硅酸盐1～5份、铁粉10～20份；

其焊条熔敷金属中Ni含量为1.0～2.0％；

该焊条用于1Ni耐海洋大气腐蚀钢焊接。

2.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：所述药皮包括如下重量份数的组分：大理石33～38份﹑萤石16～25份、硅铁1～3份、锰铁1～3份、钛铁2～5份、石英2～5份、云母3～10份、纯碱1～2份、镍粉7～13份、铜粉1～3份、钼粉0.1～1.5份、氟铝酸盐1～5份、氟硅酸盐1～5份、铁粉13～20份。

3.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：碳钢焊芯包括按重量百分比(％)计的组分：C:0.04-0.08、Mn:0.30-0.60、Si:≤0.030、P:≤0.010、S:≤0.010、Cr:≤0.020、Ni:≤0.030、Cu:≤0.020、余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：其焊条熔敷金属的耐候性合金指数V≥1.4，

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。

5.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：所述药皮占焊条总重量的28-32％。

6.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：大理石中CaCO₃的质量含量≥97％、S的质量含量≤0.015％、P的质量含量≤0.015％。

7.根据权利要求1所述的一种用于沿海工程高韧性耐腐蚀焊条，其特征在于：药皮还包括粘结剂，所述粘结剂为钾钠水玻璃，添加量为粉料总重量的20-25％。