CN110640352B

CN110640352B - 一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN110640352B
Application number: CN201911107460.3A
Authority: CN
Inventors: 郭栖利; 官忠波; 张克静; 曾志超; 蒋勇; 张晓柏
Original assignee: ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: CN110640352A

Abstract

本发明公开了一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝及其制备方法，由钢制外皮和药粉芯组成，该药粉芯包括以下组成成分：金红石3.5‑5重量份、硅铁粉2‑4重量份、钛铁粉0.3‑0.5重量份、氟化物0.2‑0.3重量份、锰铁粉2‑5重量份、镍粉0.4‑0.8重量份、铜粉0.15‑0.3重量份、金属铬0.6‑0.8重量份、长石粉0.5‑0.8重量份、电熔镁砂0.4‑0.5重量份和铁粉0.45‑1.8重量份。与现有的相比，本发明工艺性能良好，耐大气腐蚀性能好，扩散氢含量低，低温冲击韧性优良。

Description

一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝及其制备方法，以及一种焊接方法。

背景技术

我国铁路钢桥从50年代至今，是一个逐步发展的过程。从武汉长江大桥、九江长江大桥到芜湖长江大桥、南京大胜关长江大桥，桥梁主跨跨度由128米发展到336米。结构形式逐渐向栓焊、整体节点发展。尤其是南京大胜关长江大桥的建设，使我国铁路桥梁建设达到国际领先水平。

与桥梁设计及制造相比，国内桥梁用钢的发展起步较早，六十至八十年代开发了16Mnq、15MnVq、15MnVNq(桥梁结构用钢标准YB/168-70、 YB(T)10-81)。其中16Mnq在行业中虽然应用广泛，但使用部门反映，16Mnq 钢板采用U形缺口冲击，韧性指标偏低。同时也反映板厚效应严重，铁路桥仅能用到32mm，超过此厚度冶金质量难以保证。

八十年代末由于九江长江大桥建设需要，九江长江大桥采用了σs≥ 420Mpa的15MnVNq，但由于采用加钒提高强度的方法。导致钢板低温韧性及焊接性能差，给桥梁制造带来很多困难，九江桥制造后，该钢种一直未能得到推广应用。桥梁钢已成为制约铁路桥梁发展的一个突出矛盾。

九十年代初，铁路桥梁建设面临芜湖长江大桥的建设，主跨达312米，桥梁钢问题显得愈加突出。为此大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢14MnNbq。该钢采用降碳加铌合金超纯净的冶金方法，保证了在屈服强度σs≥370MPa的基础上，具有优异的－40℃低温冲击韧性(芜湖桥标准要求－ 40℃Akv≥120J)。同时焊接性能也大大提高，解决了板厚效应问题，可大批量供应32～50mm厚钢板。芜湖桥建设后，14MnNbq钢在当时全面满足了铁路桥梁建设的需要。

近年来，随着桥梁技术的发展，人们对桥梁耐久性的要求越来越高，免涂装钢桥在这样的期待下应运而生，免涂装钢桥减少了周期性钢桥维护的费用，特别是在海岸线附近盐害比较严重的地区及高原、偏远地区，免涂装钢桥更突显了它的优势。同普通钢涂装相比，大大降低了涂装的费用，节约了初期成本，降低有机物挥发的释放，健康环保。免涂装耐候钢，是在普通桥梁钢中添加适量的Cu、Cr、Ni等耐候性合金元素，其综合作用是使钢结构表面在特定处理和适宜环境条件下形成并保持致密而稳定的锈层，“以锈止锈”，从而具有长期耐大气腐蚀的耐久特性。

而采用免涂装钢制造的免涂装耐候桥，不仅全寿命周期成本较低，而且不用涂装油漆环保意义重大，减少环境污染，更可省去采用一般带涂装钢桥梁日后在恶劣的自然环境下的维修养护的工作量及后期维护费用，实际工程意义重大。美国、日本、德国等国家，早已经大量推广免涂装钢桥，而我国近年来，也加快了免涂装钢桥建设的步伐。

随着钢结构材料高强度、轻量化的发展趋势，目前我国几大钢厂(沙钢、鞍钢等)已经成功研制出Q500qENH耐候钢材，但尚找不到与Q500qENH耐候钢板配合使用的焊丝，采用现有的焊丝焊接后存在以下缺陷：成分差异过大、强度不匹配、-40℃低温冲击韧性不达标等，如CN 101804529 A公开了一种耐候钢的药芯焊丝，该药芯焊丝常温冲击韧性较好，但是，该药芯焊丝-40℃低温冲击韧性差，不能用于低温钢的焊接。

发明内容

针对上述缺陷，且为了研发与Q500qENH免涂装钢材相配套的焊接材料，四川大西洋焊接材料股份有限公司成立了专门的小组，研发此类免涂装钢配套焊材。本发明的成功实施，一方面，为免涂装钢材配套的焊接提供了保障，提高了国内焊材企业的技术能力和水平；另一方面对桥梁制造企业，降低了维护费用，避免了油漆带来的环境污染问题。因此，本发明的实施具有显著的经济、社会效益和重大战略意义。

本发明提供一种焊接工艺性能和理化性能良好的高韧性、免涂装桥梁钢用的Q500qENH气保护药芯焊丝。焊接工艺性能上达到电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观等目的；性能上达到良好的力学性能和抗大气腐蚀性能的目的。

技术方案是：一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，由钢制外皮和药粉芯组成，该药粉芯包括以下组成成分：

金红石3.5-5重量份

硅铁粉2-4重量份

钛铁粉0.3-0.5重量份

氟化物0.2-0.3重量份

锰铁粉2-5重量份

镍粉0.4-0.8重量份

铜粉0.15-0.3重量份

金属铬0.6-0.8重量份

长石粉0.5-0.8重量份

电熔镁砂0.4-0.5重量份

铁粉0.45-1.8重量份和

氟化稀土0.10-0.80重量份。

作为优选，所述钢制外皮成分为：0.01wt％≤C≤0.05wt％、0.12wt％≤Mn≤0.30wt％、0<Si≤0.30wt％、0<S≤0.010wt％、0<P≤0.020wt％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

作为优选，所述钢制外皮成分为：C 0.025wt％、Mn 0.22wt％、Si 0.02wt％、S0.008wt％、P 0.01wt％、余量为铁及不可避免的杂质。

作为优选，所述药粉芯为所述药芯焊丝重量的10-20％。

作为优选，所述钢带包裹的药粉填充率为10-20％，规格为1.20-2.40mm。

作为优选，所述药皮成分为：

金红石4.2重量份、硅铁粉2.0重量份、钛铁粉0.5重量份、氟化物0.2 重量份、锰铁粉5重量份、镍粉0.6重量份、铜粉0.15重量份、金属铬0.6 重量份、长石粉0.5重量份、电熔镁砂0.5重量份、铁粉0.45重量份、氟化稀土0.3重量份；或

金红石3.5重量份、硅铁粉2.8重量份、钛铁粉0.3重量份、氟化物0.3 重量份、锰铁粉3重量份、镍粉0.8重量份、铜粉0.3重量份、长石粉0.8重量份、金属铬0.8重量份、电熔镁砂0.4重量份、铁粉1.80重量份、氟化稀土0.2 重量份；或

金红石4.5重量份、硅铁粉4.0重量份、钛铁粉0.5重量份、氟化物0.3 重量份、锰铁粉2重量份、镍粉0.4重量份、铜粉0.2重量份、长石粉0.5重量份、金属铬0.6重量份、电熔镁砂0.4重量份、铁粉1.10重量份、氟化稀土0.5 重量份。

作为优选，所述氟化物为氟化钙、氟钛酸钾、氟铝酸钾等氟化物中的一种或几种。

本发明还提供了一种高韧性、耐大气腐蚀的Q500qENH免涂装桥梁钢用气保护药芯焊丝的制备方法。

技术方案是：一种高韧性、耐大气腐蚀的Q500qENH免涂装桥梁钢气保护药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

将药粉芯的各组分按配比混合均匀后，将钢带置于焊丝成型机内、混合均匀药芯混合料注入横向弯制成“U”型的钢带凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.20-2.40mm即成。

本发明还提供了一种高韧性、耐大气腐蚀的Q500qENH免涂装桥梁钢用气保护药芯焊丝的焊接方法。

技术方案是：一种高韧性、耐大气腐蚀的Q500qENH免涂装桥梁钢用气保护药芯焊丝的焊接方法，该焊接方法上述的高韧性、耐大气腐蚀的Q500qENH 涂装桥梁钢用气保护药芯焊丝焊接Q500qENH免涂装钢板，焊接熔覆金属扩散氢含量小于5ml/100g。

发明原理：

硅铁：硅是重要的脱氧剂同时也是焊缝金属重要的合金剂，在焊缝中添加硅，可以使焊缝金属中针状铁素体数量增加，降低焊缝金属的含氧量，提高焊缝金属的冲击韧性，但太高时则相反；采用硅锰联合脱氧其效果较好。

金红石：主要化学成分为氧化钛(TiO2)，主要作为稳弧剂、造渣剂，保证焊缝稳定电弧和成形细致。

镍：镍作为孕育剂，细化晶粒、减小偏析、促进针状铁素体的形成，从而提高铁素体的韧性。镍还增加位错能，促进低温时螺旋位错交滑移，增加裂纹扩展消耗功，也使韧性提高。Ni和Cr、Cu物质一起，具有耐腐蚀的效果。主要来源于金属镍。

氟化物：氟用以降低熔敷金属中扩散氢的含量，但氟化物含量过高，焊接时电弧不稳、飞溅变大、电弧声音变差，主要来源于氟化钠、氟硅酸钠、氟硅酸钾或冰晶粉。

铜粉：药芯中加入铜粉可提高熔敷金属的耐大气腐蚀性能。

有益效果：

本发明通过上述成分的有机结合，焊丝焊接后熔敷金属：抗拉强度≥ 620Mpa、屈服强度≥500Mpa、延伸率≥17％、-40℃冲击达到100J，熔敷金属扩散氢含量小于5ml/100g。有效地提高了焊缝整体性能，解决了焊缝金属低温韧性不足及耐大气腐蚀性的问题。焊接工艺性能良好，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

采用(宽×厚)14×0.9mm的钢带作为焊丝的外皮，其化学成分为C 0.025wt％、Mn0.22wt％、Si 0.02wt％、S 0.008wt％、P 0.01wt％、余量为铁及不可避免的杂质；以配制生产100Kg焊丝为例，本实施例药芯占整个焊丝重的15wt％，药芯中各成分为：金红石4.2kg、硅铁粉：2.0kg、钛铁粉：0.5kg、氟化物：0.2kg、锰铁粉：5kg、镍粉：0.6kg、铜粉：0.15kg、金属铬：0.6kg、长石粉：0.5kg、电熔镁砂0.5kg、铁粉：0.45Kg、氟化稀土0.3Kg；然后将药芯中各成分混合均匀后待用；

将钢带置于焊丝成型机内、陆续将待用的药芯混合料注入横向弯制成“U”型的钢带凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.2mm即成。

本实施例在焊接参数：I＝230-250A、U＝28-30V、气体流量20L/min、100％CO₂。

表一熔敷金属化学成分(％)

C

Mn

Si

S

P

Ni

Cr

Cu

≤0.12

0.80～1.60

0.20～0.80

≤0.030

0.50～1.00

0.15～0.50

0.20～0.50

0.06

1.50

0.42

0.006

0.011

0.72

0.44

0.21

备注：余量为铁及不可避免的杂质。

表二熔敷金属机械性能(100％二氧化碳气体)

备注：扩散氢含量为3.8ml/100g。

实施例2

焊丝的外皮与实施例1相同，以配制生产100Kg焊丝为例，本实施例药芯占整个焊丝重的15wt％，药芯中各成分为：金红石3.5kg、硅铁粉：2.8kg、钛铁粉：0.3kg、氟化物：0.3kg、锰铁粉：3kg、镍粉：0.8kg、铜粉：0.3kg、长石粉：0.8kg、金属铬：0.8kg电熔镁砂：0.4kg、铁粉：1.80Kg、氟化稀土0.2Kg；然后将药芯中各成分混合均匀后待用其余与实施例1相同。

表三熔敷金属化学成分(％)

C

Mn

Si

S

P

Ni

Cr

Cu

≤0.12

0.80～1.60

0.20～0.80

≤0.030

0.50～1.00

0.15～0.50

0.20～0.50

0.06

1.00

0.50

0.006

0.012

0.80

0.42

0.40

备注：余量为铁及不可避免的杂质。

表四熔敷金属机械性能(混合气体)

备注：扩散氢含量为4.0ml/100g。

实施例3

焊丝的外皮与实施例1相同，药芯中各成分为：金红石4.5kg、硅铁粉： 4.0kg、钛铁粉：0.5kg、氟化物：0.3kg、锰铁粉：2kg、镍粉：0.4kg、铜粉：0.2kg、长石粉：0.5kg、金属铬：0.6kg电熔镁砂：0.4kg、铁粉：1.10Kg、氟化稀土0.5Kg；然后将药芯中各成分混合均匀后待用其余与实施例1相同。

表五熔敷金属化学成分(％)

C

Mn

Si

S

P

Ni

Cr

Cu

≤0.12

0.80～1.60

0.20～0.80

≤0.030

0.50～1.00

0.15～0.50

0.20～0.50

0.06

0.85

0.36

0.006

0.012

0.65

0.40

0.32

备注：余量为铁及不可避免的杂质。

表六熔敷金属机械性能(混合气体)

备注：扩散氢含量为4.2ml/100g。

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，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，由钢制外皮和药粉芯组成，该药粉芯包括以下组成成分：

金红石3.5-5重量份

硅铁粉2-4重量份

钛铁粉0.3-0.5重量份

氟化物0.2-0.3重量份

锰铁粉2-5重量份

镍粉0.4-0.8重量份

铜粉0.15-0.3重量份

金属铬0.6-0.8重量份

长石粉0.5-0.8重量份

电熔镁砂0.4-0.5重量份

铁粉0.45-1.8重量份和

氟化稀土0.10-0.80重量份；

该焊丝熔覆金属为

C 0.06％，Mn 1.50％，Si0.42％，S0.006,P0.011％，Ni0.72％，Cr0.44％，Cu 0.21％，余量为铁及不可避免的杂质；或

C 0.06％，Mn 1.00％，Si0.50％，S0.006,P0.012％，Ni0.80％，Cr0.42％，Cu 0.40％，余量为铁及不可避免的杂质；或

C0.06％，Mn0.85％，Si0.36％，S≤0.006％，P0.012％，Ni0.65％，Cr0.40％，Cu0.32％，余量为铁及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于所述钢制外皮成分为：0.01wt％≤C≤0.05wt％、0.12wt％≤Mn≤0.30wt％、0<Si≤0.30wt％、0<S≤0.010wt％、0<P≤0.020wt％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于所述钢制外皮成分为：C 0.025wt％、Mn 0.22wt％、Si 0.02wt％、S 0.008wt％、P 0.01wt％、余量为铁及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1-3任一所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药粉芯为所述药芯焊丝重量的10-20％。

5.根据权利要求1-3任一所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于：所述钢制外皮包裹的药粉填充率为10-20％，规格为1.20-2.40mm。

6.根据权利要求1-3任一所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药粉芯成分为：

金红石4.2重量份、硅铁粉2.0重量份、钛铁粉0.5重量份、氟化物0.2重量份、锰铁粉5重量份、镍粉0.6重量份、铜粉0.15重量份、金属铬0.6重量份、长石粉0.5重量份、电熔镁砂0.5重量份、铁粉0.45重量份、氟化稀土0.3重量份；或

金红石3.5重量份、硅铁粉2.8重量份、钛铁粉0.3重量份、氟化物0.3重量份、锰铁粉3重量份、镍粉0.8重量份、铜粉0.3重量份、长石粉0.8重量份、金属铬0.8重量份、电熔镁砂0.4重量份、铁粉1.80重量份、氟化稀土0.2重量份；或

金红石4.5重量份、硅铁粉4.0重量份、钛铁粉0.5重量份、氟化物0.3 重量份、锰铁粉2重量份、镍粉0.4重量份、铜粉0.2重量份、长石粉0.5重量份、金属铬0.6重量份、电熔镁砂0.4重量份、铁粉1.10重量份、氟化稀土0.5重量份。

7.根据权利要求4所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药粉芯成分为：

金红石4.5重量份、硅铁粉4.0重量份、钛铁粉0.5重量份、氟化物0.3重量份、锰铁粉2重量份、镍粉0.4重量份、铜粉0.2重量份、长石粉0.5重量份、金属铬0.6重量份、电熔镁砂0.4重量份、铁粉1.10重量份、氟化稀土0.5重量份。

8.根据权利要求5所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药粉芯成分为：

9.一种权利要求1-8任一所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：将药粉芯的各组分按配比混合均匀后，将钢带置于焊丝成型机内、混合均匀药芯混合料注入横向弯制成“U”型的钢带凹槽内，进而卷制成丝、经细拉至Φ1.20-2.40mm即成。

10.一种Q500qENH免涂装桥梁钢的焊接方法，该焊接方法采用权利要求1-8任一所述的Q500qENH免涂装桥梁钢用药芯焊丝焊接Q500qENH免涂装钢板，焊接熔覆金属扩散氢含量小于5ml/100g。