CN1116957C - 用于提高焊接接头疲劳强度的焊条 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提高焊接接头疲劳强度的焊条。本发明的目的是提高焊接接头的疲劳强度，免除焊后加工。该焊条的药皮组分及重量百分比含量(%)为：大理石20-35，莹石8-15，钛白粉2-5，锰铁3-8，稀土硅铁1-6，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英2-6，金属铬13-28，金属镍10-25，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。按常规工艺制造，焊芯为H08A钢，焊条焙烧温度和时间是350℃×2小时。该焊条可广泛用于承受疲劳载荷的焊接结构，尤其是焊缝数量巨大的大型焊接结构，也可用于产品疲劳断裂的修复。测试结果表明，本发明的焊条较一般焊条的疲劳强度可提高10%-40%，疲劳寿命可提高2-25倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊条。
技术背景
据目前的统计资料表明，疲劳是焊接结构的主要破坏形式，其原因在于焊接接头焊趾处的应力集中和残余拉伸应力的作用，使焊接接头的疲劳强度大幅度低于基本金属的疲劳强度。因此，为了保证结构的可靠性，在设计承受交变载荷的焊接结构时，规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此，在接头处局部应力集中作用下，仍然会发生整体结构的过早疲劳失效，造成巨大损失，甚至人身伤亡事故。因此提高焊接接头疲劳强度具有极大的经济效益和社会效益。目前，国内外关于提高焊接接头疲劳强度的主要方法有TIG熔修法、砂轮打磨法、局部机加工法，冲击法、锤击法、喷丸法、预过载法、局部压延法、爆炸法、激光熔敷法及Gunnert方法等等。如上方法有一共同缺点是属于焊后加工，即焊后增加一道工序，尤其对于大型焊接结构件，会极大地增加劳动量和劳动成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足，提供一种无须焊后加工，可大幅度降低劳动量和劳动成本的有效提高焊接接头疲劳强度的焊条。
本发明用于提高焊接接头疲劳强度的焊条，由焊芯和药皮组成，其特征在于，所述的药皮各组分及重量百分比含量(％)为：大理石20-35，莹石8-15，钛白粉2-5，锰铁3-8，稀土硅铁1-6，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英2-6，金属铬13-28，金属镍10-25，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
本发明用于提高焊接接头疲劳强度焊条的药皮各组分优选含量为：大理石25-30，莹石9-12，钛白粉2-4，锰铁3-6，稀土硅铁1-4，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英2-4，金属铬19-25，金属镍16-22，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
本发明用于提高焊接接头疲劳强度焊条的较为经济的药皮组分含量为：大理石28-35，莹石11-15，钛白粉3-5，锰铁5-8，稀土硅铁2-6，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英3-6，金属铬13-20，金属镍10-16，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
本发明用于提高焊接接头疲劳强度焊条的药皮各组分最佳含量为：大理石30，莹石12，钛白粉2，锰铁5，稀土硅铁1，钛铁合金5，铁粉2，石英3，金属铬20，金属镍17，白土子1，碱面0.5，羧甲基纤维0.5，合成云母1。
本发明的焊条较一般焊条在疲劳强度和疲劳寿命上具有极大的提高，而且可免去焊后加工工序，大大降低了劳动量和劳动成本。本发明可广泛用于承受疲劳载荷的焊接结构，尤其是焊缝数量巨大的大型焊接结构，如桥梁、轮船、石油平台、交通工具等等，也可用于产品疲劳断裂的修复，具有极大的经济和社会效益。测试结果表明，高疲劳强度的焊条较一般焊条的疲劳强度可提高10％-40％，疲劳寿命可提高2-25倍。
附图说明
图1用于提高焊接接头疲劳强度的焊条和普通焊条熔敷金属的冷却膨胀曲线图。
图2焊缝金属的相变温度对残余应力的影响图。
图3疲劳强度实验所用试件图。
图4疲劳强度实验所用试件俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
钢铁材料在冷却过程中会产生组织转变并伴随体积膨胀，对于绝大多数钢铁材料，组织转变在较高温度下(大于材料的塑性温度)结束，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会影响焊接残余应力。但对于一定合金成分的钢铁材料，其相变开始点和结束点均出现在较低温度，此时材料已处于弹塑性或弹性状态，相变体积膨胀将会减少焊接热场造成的残余拉伸应力，体积膨胀量越大，残余拉伸应力越小，甚至出现残余压缩应力，这将减小残余拉伸应力对焊接接头疲劳强度的不利作用，从而提高焊接接头的疲劳强度。本发明就是要研制一种焊缝金属在低温下产生较大相变膨胀量的焊条，使焊缝金属的残余拉伸应力降低或产生残余压缩应力，用于提高焊接接头的疲劳强度。
本发明和普通焊条熔敷金属的实测冷却膨胀曲线如图1所示。
普通E5015焊条的冷却过程沿着曲线1变化，其焊缝金属的组织转变在787℃开始，在630℃结束，相变膨胀应变只有0.11％，而且整个相变过程均在塑性状态，没有相变应力的产生。相变结束后，焊缝金属体积继续收缩，随着温度的降低和弹性的恢复，拉伸应力出现并不断增加至材料的屈服强度(随温度变化)维持到室温。本发明的焊条冷却过程沿着曲线2和3变化，在相变之前，焊缝金属随着温度的降低和弹性的恢复，拉伸应力出现并不断增加至相变开始温度时的材料屈服强度。在相变开始温度Ms点，奥氏体开始向马氏体转变，但由于马氏体数量还较少，相变膨胀应变不足以抵消奥氏体温度收缩应变，曲线继续下降，直到相应变开始点Ts，曲线开始上升，即焊缝金属的相变膨胀应变才真正开始，直到相应变结束点Tf，理论上Tf应等于室温，可以获得最大的残余压缩应力。Mf为马氏体相变结束点。相变膨胀应变量εp越大，焊缝金属中的残余拉伸应力越小，焊缝金属才可能获得残余压缩应力，从而提高焊接接头的疲劳强度。本发明的焊条能够使焊缝金属产生压缩应力的关键有两点：其一，焊缝金属相应变结束点Tf在室温附近，因为在Tf时相膨胀应变达到最高点，这时可以获得最大的相变膨胀应变量。其二：最大相变膨胀应变εp应大于材料的拉伸弹性应变εs。
焊缝金属的相变温度对残余应力的影响如图2所示。
曲线1是纵向残余应力，曲线2是横向残余应力。由曲线可以看出，相变温度在100-350℃，焊缝金属均能获得残余压缩应力，在191℃左右时，残余压缩应力的值最大，此时焊接接头的疲劳强度提高最大。
本发明的焊条焊缝金属组织低碳马氏体组织，获得马氏体的目的是使焊缝在马氏体相变时体积膨胀，产生残余压缩应力，低碳马氏体具有良好的韧性等综合力学性能。一般的奥氏体不锈钢焊条(18-8、25-10、25-23型)的熔敷金属，含Ni量的范围是8％-29％，含Cr量的范围是16％-25％，焊缝金属在冷却过程中始终为奥氏体，没有马氏体相变。
依据以上原则和分析基础，研制了适合于低碳钢和低合金高强钢使用的用于提高焊接接头疲劳强度的焊条。焊芯采用H08A，采用多种元素合金化，通过药皮过渡合金元素，以Mn-Ni-Cr系作为研制焊条的基础合金系统，药皮为低氢钠型，焊芯和药皮均应控制含碳量以保证焊缝金属低碳马氏体的形成。
由图1可以看出，相变温度为191℃时，焊缝金属的残余压缩应力值最大，此时焊接接头的疲劳强度也最高。因此在相变温度100-250℃为本发明的优选范围。实施例中L3-L6为此类焊条，其中L5效果最佳。
然而，相变温度越低，则要求焊缝金属中的合金含量越高，相对来说成本越高。由图2可知马氏体相变点温度范围250-350℃时，焊缝金属的残余压缩应力相对于191℃时的残余压缩应力为低，但其合金含量可大幅度降低，则焊条成本也可随之降低。为此，我们从经济角度和改善效果综合考虑，设计出质量满足如上要求，成本相对较低的焊条。实施例中的L7-L10焊条均为此类焊条。
按常规工艺将上述实施例中各组分按比例混合，利用模数为3.0的钾钠水玻璃搅拌，在油压机上制成焊条，焊芯为H08A钢，直径为4.0mm，涂敷后的焊条外径为7.0mm，焊条焙烧温度和时间为350℃×2小时。
焊芯直径也可采用3.2mm的规格，涂敷后的焊条外径为5.4-5.8mm；若焊芯采用直径为4.0mm，涂敷后的焊条外径可为6.8-7.2mm。实施例L1-L10中，各组分及重量百分比含量(％)见下表。
| 实施例 | 大理石 | 莹石 | 钛白粉 | 锰铁 | 稀土硅铁 | 钛铁合金 | 铁粉 | 石英 | 白土子 | 碱面 | 羧甲基纤维 | 合成云母 | 金属铬粉 | 金属镍粉 |
| L1 | 20 | 9 | 2 | 3 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 28 | 24 |
| L2 | 25 | 10 | 2 | 3 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 25 | 21 |
| L3 | 27 | 9 | 2 | 5 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.7 | 0.3 | 1 | 23 | 20 |
| L4 | 29 | 11 | 2 | 5 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 21 | 18 |
| L5 | 30 | 12 | 2 | 5 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 20 | 17 |
| L6 | 30 | 12 | 3 | 6 | 1 | 5 | 2 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 19 | 16 |
| L7 | 29 | 13 | 4 | 6 | 3 | 5 | 3 | 3 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 17 | 14 |
| L8 | 35 | 11 | 3 | 6 | 2 | 5 | 3 | 3 | 1 | 0.7 | 0.3 | 1 | 16 | 13 |
| L9 | 32 | 12 | 3 | 6 | 3 | 6 | 4 | 4 | 1 | 0.5 | 0.5 | 1 | 15 | 12 |
| L10 | 33 | 13 | 4 | 7 | 3 | 6 | 4 | 4 | 1 | 0.7 | 0.3 | 1 | 13 | 10 |
上述各相应实施例中熔敷金属主要成分范围(％)及马氏体相变温度见下表。
| 焊条 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Mo | Nb | Fe | Ms/℃ |
| L1 | 0.05 | 1.10 | 0.33 | 0.007 | 0.007 | 11.40 | 10.37 | 0.04 | 0.01 | 余量 | 35 |
| L2 | 0.04 | 0.28 | 0.18 | 0.006 | 0.008 | 10.54 | 10.09 | 0.03 | 0.03 | 余量 | 80 |
| L3 | 0.05 | 1.12 | 0.21 | 0.009 | 0.008 | 10.50 | 10.03 | 0.04 | 0.03 | 余量 | 113 |
| L4 | 0.04 | 0.30 | 0.18 | 0.006 | 0.007 | 10.57 | 9.85 | 0.04 | 0.02 | 余量 | 144 |
| L5 | 0.07 | 1.25 | 0.23 | 0.012 | 0.015 | 9.10 | 8.46 | 0.05 | 0.01 | 余量 | 191 |
| L6 | 0.08 | 1.35 | 0.17 | 0.012 | 0.015 | 7.78 | 6.88 | 0.06 | 0.02 | 余量 | 231 |
| L7 | 0.07 | 1.30 | 0.23 | 0.012 | 0.017 | 6.30 | 5.29 | 0.04 | 0.01 | 余量 | 298 |
| L8 | 0.08 | 1.23 | 0.42 | 0.014 | 0.013 | 5.72 | 4.92 | 0.03 | 0.02 | 余量 | 312 |
| L9 | 0.09 | 1.51 | 0.47 | 0.017 | 0.015 | 5.07 | 4.43 | 0.05 | 0.01 | 余量 | 325 |
| L10 | 0.09 | 1.63 | 0.48 | 0.016 | 0.014 | 4.87 | 4.34 | 0.04 | 0.03 | 余量 | 345 |
疲劳实验所用试件如图3、图4所示。主板[1]为190×60×8mm的Q235B钢板，其标距段宽度为40mm；角接板[2]为50×15×8mm的Q235B钢板。采用具有较大残余应力和较大应力集中的纵向焊缝角接板焊接接头型式，用本发明焊条和E5015焊条分别进行焊接，角焊缝[3]围绕角接板[2]焊接一道，焊角高度8mm左右，起弧点和焊弧点在角接板[2]的中部，焊缝电流I＝160A。在10吨高频疲劳实验机上进行疲劳实验，频率f＝139Hz，应力循环比r＝0.1。
上述各实施例与普通E5015焊条的疲劳实验对比结果如下。
| 实施例 | 疲劳强度提高(％) | 疲劳寿命提高(倍) |
| L1 | 23 | 11 |
| L2 | 27 | 15 |
| L3 | 30 | 18 |
| L4 | 38 | 22 |
| L5 | 41 | 25 |
| L6 | 37 | 20 |
| L7 | 28 | 15 |
| L8 | 21 | 9 |
| L9 | 15 | 5 |
| L10 | 11 | 2 |
Claims (4)
1.一种用于提高焊接接头疲劳强度的焊条，由焊芯和药皮组成，其特征在于，所述的药皮各组分及重量百分比含量(％)为：大理石20-35，莹石8-15，钛白粉2-5，锰铁3-8，稀土硅铁1-6，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英2-6，金属铬13-28，金属镍10-25，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
2.根据权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述的药皮各组分含量为：大理石25-30，莹石9-12，钛白粉2-4，锰铁3-6，稀土硅铁1-4，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英2-4，金属铬19-25，金属镍16-22，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
3.根据权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述的药皮各组分含量为：大理石28-35，莹石11-15，钛白粉3-5，锰铁5-8，稀土硅铁2-6，钛铁合金4-8，铁粉2-6，石英3-6，金属铬13-20，金属镍10-16，白土子0.2-2，碱面0.2-1，羧甲基纤维0.2-1，合成云母0.2-2。
4.根据权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述的药皮各组分含量为：大理石30，莹石12，钛白粉2，锰铁5，稀土硅铁1，钛铁合金5，铁粉2，石英3，金属铬20，金属镍17，白土子1，碱面0.5，羧甲基纤维0.5，合成云母1。
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