CN111975244B

CN111975244B - 免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO2气体保护焊丝及盘条

Info

Publication number: CN111975244B
Application number: CN202010907383.6A
Authority: CN
Inventors: 王青峰; 胡兵; 赵丽洋; 李伟伟; 刘东博
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: CN111975244A

Abstract

本发明公开了一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝用盘条，属于耐候钢焊接材料领域，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.04~0.09，Si：0.55~0.85，Mn：1.70~2.10，P：≤0.015，S：≤0.005，Cr：0.46~0.65，Ni：1.10~1.80，Cu：0.15~0.38，Ti：0.10~0.20，B：0.003~0.005，Al：≤0.015，Zr：≤0.045，Ce：≤0.030，O：≤0.050，N：≤0.070，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还公开了一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝，其通过拉拔上述的盘条而制成。本发明的焊丝用于抗拉强度650MPa级免涂装耐候钢焊接，其中熔敷金属抗拉强度在650~730Mpa范围内，具有较强的抗裂性能；屈服强度≥500MPa；延伸率≥23%；‑40℃低温冲击功KV2≥60J。

Description

免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO2气体保护焊丝及盘条

技术领域

本发明属于耐候钢焊接材料领域，具体涉及一种与高等级耐候钢配套的二氧化碳气体保护焊丝及盘条，其焊缝金属的抗拉强度不低于650MPa、且-40℃冲击功不低于60J，特别适用于大型免涂装桥梁耐候钢结构的焊接。

背景技术

我国西部高原地区大多为污染轻、湿度低、人烟稀少的自然保护区，道路工程建设适宜建造免涂装耐候钢桥。与Q345qENH~Q420qENH级别耐候钢相比，高性能Q500qENH钢更适宜在高原高寒地区建造高活载的超大跨度免涂装耐候钢桥。国内外耐候钢结构典型对接焊缝和角焊缝的气体保护焊，一般选用耐候钢药芯焊丝二氧化碳气体保护焊和实心焊丝混合气体（80%Ar2+20%CO2）保护焊。前者飞溅少、工艺性好、应用广泛，但环境污染较大，焊缝扩散氢含量难于控制，使500MPa级焊缝裂纹敏感性高；后者焊接熔深浅、冷却快，气孔夹杂难于上浮，冶金质量难于保障，且西部高原地区桥位焊接时混合气体难于获取。所以亟待开发与Q500qENH耐候钢配套的二氧化碳气体保护实心焊丝，使熔敷金属的抗拉强度不低于650MPa、且-40℃冲击功不低于60J，以克服上述现有两种气保护焊丝的不足，满足实际焊接的应用需求。但该焊丝的研发，需要解决二氧化碳气体保护焊合金元素Si、Mn、Cr烧损严重、焊缝合金过渡不足而导致焊缝在强度、低温韧性、耐候性方面的问题。

为了解决上述问题，焊材研究工作者在高强度耐候钢气体保护实心焊丝方面已进行过一些有益探索。

中国铁道行业标准TB/T 2374-2008《铁道车辆用耐大气腐蚀钢及不锈钢焊接材料》规定的一种型号为ER60S-G、牌号为TH-600-NQ-Ⅱ的耐候钢气体保护焊丝，同时含有Si（≤0.60%）、Mn（1.4~1.8%）、Cr（0.30~0.90%）、Ni（0.20~0.80%）、Cu（0.20~0.50%），使焊缝具有耐候性能，但其含量偏低，在经混合气体保护焊时，熔敷金属的抗拉强度仅不低于600MPa；如经二氧化碳气体保护焊时，因Si、Mn、Cr烧损更为严重，焊缝合金元素过渡不足，夹杂物增多，会使熔敷金属的强度更低、低温韧性和耐候性均有所不足。因此该焊丝可能只适应于混合气体保护焊，不能满足Q500qENH耐候钢的二氧化碳气体保护焊要求。

授权公告号为CN 103028865 B的发明专利“一种高耐蚀气体保护焊丝”，其化学成分按质量百分比以如下要求控制：C：0.01~0.1%，Si：0.1~1.0，Mn：0.3~1.0，Cr：0.5~1.5，Ni：1.5~5.0，Cu：0.1~0.8，Mo：0.15~0.6，Ti：0.01~0.2，该焊丝中同时加入了一定成分的Cu、Cr、Ni具有较好的耐腐蚀性能，采用富氩混合气体施焊时熔敷金属的强度可以达到650~745MPa， -40℃ KV2冲击功52~85J范围内，但焊丝中Cr、Ni含量偏高，使盘条成分偏析增加不利于后续拉拔过程，焊接中焊丝挺度过高，影响合金元素过渡，同时由于Cr含量的较高使焊缝中的脆硬相增加，在采用CO2气保护施焊时，加上Mn、Si等合金烧损量增多，会出现焊缝的强韧性严重不足，难于达到抗拉强度不低于650MPa，且-40℃ KV2冲击功不低于60J的要求。

授权公告号为CN 103600178 A的发明专利“一种高强度耐候钢气体保护实芯焊丝”，其化学成分按质量百分比以如下要求控制：C：0.05~0.15%，Si：0.4~0.8，Mn：1.65~2.10，Cr：0.9~1.25，Ni：0.65~0.95，Cu：0.25~0.55，Mo≤0.1，Ti：0.12~0.18，从而使焊缝具有耐候性能；混合气体保护焊时，C、Cr含量较高，有利于提高焊缝金属强度，或许-40℃ KV2冲击性能也良好，但因增加盘条及焊丝的脆硬相而降低拉拔加工性能；如经二氧化碳气体保护焊时，较高含量的Cr大量烧损后，易形成数量较多的大型焊缝夹杂物，加上焊丝Ni含量较少，往往使焊缝的-40℃低温韧性不足。

综上所述，针对大型免涂装耐候钢桥制造过程中高性能Q500qENH钢的应用，相比于药芯焊丝二氧化碳气体保护焊和实心焊丝混合气体保护焊，实心焊丝二氧化碳气体保护焊具有明显优势，但现有耐候钢实心焊丝在熔敷金属强度、-40℃冲击韧性、耐候性方面有所不足。为满足国家川藏铁路公路重大工程建设的迫切需要，亟待开展这一高性能Q500qENH级耐候钢配套二氧化碳气体保护实心焊丝的研发。

发明内容

本发明为解决气保护焊丝拉拔难度大、合金元素烧损严重、焊接工艺性较差、熔敷金属强度及冲击性能不稳定等问题，研发了一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO2气体保护焊丝及盘条，适用于Q500qENH系列免涂装耐候桥梁钢的焊接。该焊丝的熔敷金属抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥23%，-40℃低温冲击功KV2≥60J，耐大气腐蚀指数I不低于6.5。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝用盘条，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.04~0.09，Si：0.55~0.85，Mn：1.70~2.10，P：≤0.015，S：≤0.005，Cr：0.46~0.65，Ni：1.10~1.80，Cu：0.15~0.38，Ti：0.10~0.20，B：0.003~0.005，Al：≤0.015，Zr：≤0.045，Ce：≤0.030，O：≤0.050，N：≤0.070，余量为Fe和不可避免的杂质。

基于上述的CO₂气体保护焊丝用盘条，本发明还提供了一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝，其通过拉拔上述的盘条而制成。

本发明中各元素的作用及机理如下。

C：C是强化作用最强的合金元素之一，但随着C含量增加，也会使焊缝脆化，降低焊缝金属的抗裂性能和冲击韧性，因此C含量控制在0.04~0.09%。

Si、Mn：Si可以在耐候钢表面形成富Si保护膜，细化α-FeOOH，从而降低钢的腐蚀速率，提高耐腐蚀性能。同时Si、Mn通过脱氧反应形成氧化物夹杂或氧硫复合物夹杂，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成，适当的Si、Mn使焊丝具有优良的焊接工艺性能，因此，本专利中控制Si：0.55~0.85，Mn：1.70~2.10,。

Cr：Cr可以增加锈层致密度，提高耐大气腐蚀性能，Cr元素的加入可以提高焊缝强度，但当其含量较高时，使盘条硬度增加，会急剧降低焊缝的低温韧性和熔池流动性，不利于焊缝中气体和夹杂的排除，影响焊缝冶金质量，因此Cr含量控制在0.46~0.65%。

Ni：Ni对提高钢的耐大气腐蚀性能发挥重要租用。Ni是最好的韧化元素，可以细化铁素体晶粒，提高钢的低温冲击韧性，同时Ni可改善因合金元素烧损引起的强韧性的降低，但Ni如何和其他元素配比不合理加入，容易引起偏析，因此Ni含量控制在1.10~1.80%。

Cu：Cu在钢的腐蚀过程中富集于表面形成致密的氧化层，提高FeOOH形核率，使内锈层晶粒更加细小、致密，提高钢的耐大气腐蚀性能。Cu为沉淀强化元素，在一定范围内可提高焊缝的强度和韧性，但Cu含量过高会增加焊缝热裂倾向，且焊丝表面有镀铜层，会向焊缝中过渡Cu，因此Cu含量控制在0.15~0.38%。

Ti：Ti化学性能活泼，极易和碳氮元素反应形成第二相粒子，细化晶粒。但Ti元素含量过高会降低焊缝低温韧性，且在CO2焊接过程中Ti元素的烧损较多，因此Ti含量控制在0.10~0.20%。

Al：Al在焊缝中具有强烈的脱氧作用，但Al含量过多会生成大量氧化物夹杂，降低韧性，所以控制Al含量≤0.015%

Zr：Zr元素能够通过沉淀强化和固溶强化提高焊缝的强度，Zr能与熔池中高熔点夹杂物细化而弥散，具有改善熔池流动性作用，同时Zr还具有固氮的作用，本焊丝中控制Zr≤0.045%。

Ce：在焊缝中加入的轻稀土Ce可富集在硅酸盐夹杂物中使其球化，并弥散分布，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织。但过多会使冶金反应不良，强韧性降低，稀土元素铈（Ce）加入量≤0.030%。

本发明的焊丝中，为保证500Mpa级耐候钢CO2气保护焊接的冶金反应，减少合金元素的烧损及飞溅，减少气孔的数量，对焊丝及盘条中氧、氮含量及微合金元素Ti、Al、B、Zr、Ce元素成分内控范围进行了限定，规定了焊丝的干伸长度12~18mm来保证熔滴过渡形式。同时为保证焊丝盘条拉拔过程稳定，以及焊缝与母材的强韧性匹配问题，考虑焊丝成分及合金元素的过渡情况，利用Sy=9.8×(36+68.3[C]+5.9[Si]+5.7[Mn] +7.3[Cr]+3.7[Ni]+9.0[Cu]+39[Ti+B])的范围值限定了焊缝熔敷金属的抗拉强度范围在650~730Mpa内，保证了母材与焊缝的强度匹配，防止焊缝开裂的产生。

本发明的有益效果是：

1、本发明的焊丝用于抗拉强度650MPa级免涂装耐候钢焊接，其中熔敷金属抗拉强度在650~730Mpa范围内，具有较强的抗裂性能；屈服强度≥500MPa；延伸率≥23%；-40℃低温冲击功KV2≥60J。

2、焊缝熔敷金属耐大气腐蚀指数I不低于6.5，采用周浸腐蚀试验箱168h加速腐蚀实验腐蚀失重≤0.8110g，具有优异的耐大气腐蚀性能，能满足于500MPa级耐候桥梁钢板与接头的耐腐蚀性能相匹配。

3、本发明焊丝在施焊过程中，焊丝挺度适中，不易出现断弧现象，飞溅较少，熔滴过渡稳定。

4、本发明的焊丝合金体系控制合理，盘条组织均匀，偏析较少，在焊丝拉拔过程不需进行退火处理、镀铜过程可稳定实现。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1a为本发明实施例3焊丝所用盘条组织；

图1b为本发明对比例1焊丝所用盘条组织；

图2a为本发明焊丝实施例4熔敷金属典型组织形貌；

图2b为对比例2焊丝熔敷金属典型组织形貌；

图3a为本发明焊丝实施例2熔敷金属中夹杂物金相图；

图3b为对比例2焊丝熔敷金属夹杂物金相图；

图4a为本发明焊丝实施例3中熔敷金属扫描下腐蚀形貌；

图4b为对比例1焊丝熔敷金属扫描下腐蚀形貌。

具体实施方式

本发明提供了一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝用盘条，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.04~0.09，Si：0.55~0.85，Mn：1.70~2.10，P：≤0.015，S：≤0.005，Cr：0.46~0.65，Ni：1.10~1.80，Cu：0.15~0.38，Ti：0.10~0.20，B：0.003~0.005，Al：≤0.015，Zr：≤0.045，Ce：≤0.030，O：≤0.050，N：≤0.070，余量为Fe和不可避免的杂质。

C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Ti、B的含量满足650≤Sy≤730，其中，Sy=9.8×(36+68.3[C]+5.9[Si]+5.7[Mn]+7.3[Cr]+3.7[Ni]+9.0[Cu]+39[Ti+B])。

具体地，其化学成分中含有Al、Zr、Ce中的一种或一种以上。

盘条在拉拔至直径为φ1.2mm的焊丝过程中不需要进行中间退火处理。焊丝要表面镀铜，镀铜层的厚度为0.19～0.23微米。焊接时，焊丝采用纯度大于99.5％的二氧化碳保护气体，以10～25KJ/cm的热输入、12～18mm的焊丝干伸长度施焊。焊丝熔敷金属的抗拉强度不低于650MPa，在-40℃环境温度的KV2型缺口冲击功不低于60J，耐大气腐蚀指数I不低于6.5。其中，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（% Cu²）。

下面通过具体实施例详细阐述本发明。

采用75Kg真空感应电炉冶炼焊丝用钢，轧制成Φ5.5mm盘条，实施例及对比例所用盘条组织见图1a和图1b所示（从图中可以看出，本发明实施例焊丝所用盘条组织均匀，晶粒较小；对比例中焊丝所用盘条组织不均匀，存在粗大晶粒部分），经酸洗等工序去氧化皮，最后经粗拉、精拉工序制成直径Φ1.2mm的焊丝，焊丝表面化学镀铜,镀铜层占焊丝总重量的0.10~0.15%，后经层绕制成本发明的焊丝。

本发明焊丝的具体7种实施例（实施例焊丝化学成分中铜含量不包括镀铜的含量）和3种对比例的主要化学成分（质量百分比）如下表1。

表1 焊丝化学成分配比（wt%，余量为Fe）

上述表中，实例1-7为本发明焊丝的化学成分配比实例，对比例1-3为焊丝TH600-NQ-Ⅱ化学成分。将上述实施例和对比例的成分焊丝在纯度大于99.5%的CO2气体保护条件下进行实际焊接实验，焊接试板选用Q500qENH高性能耐候桥梁钢，钢板的主要化学成分为：C:0.08%，Si:0.35%，Mn:1.45%，P :0.011%，S:0.002%，Cr:0.42%，Ni:0.35%，Cu:0.30%，Mo:0.10%，Nb+V+Ti:0.056%。焊接试板尺寸规格为600×300 ×24mm，采用表2所述的焊接参数进行焊接。该焊接用钢屈服强度R _p0.2为577MPa，抗拉强度R _m为706MPa，延伸率为21.5%，-40℃冲击功KV ₂平均值为289J。

表2 二氧化碳气保护焊接工艺参数

试件焊接后进行外观检查，超声波探伤检验合格后，从熔敷金属取样，对熔敷金属化学成分进行测定，结果如下表3；进行组织分析见图2a和图2b（从图中可以看出，本发明实施例中焊丝熔敷金属组织类型主要为细小的针状铁素体组织，同时含有少量珠光体和粒状贝氏体，因此本发明焊丝熔敷金属具有优异的低温韧性；对比例中焊丝熔敷金属组织晶界铁素体、侧板条铁素体较多，低温韧性较低）和夹杂物观察见图3a和图3b所示（从图中可以看出，本发明实施例中焊丝熔敷金属中夹杂物尺寸较小，夹杂物得到细化；对比例中焊丝熔敷金属夹杂物含量尺寸较多，未得到细化），并按标准GB/T10561对夹杂物评级见表4；并从焊接试件的熔敷金属取样，进行拉伸性能和-40℃低温冲击性能试验，试验结果如下表5。

表3 焊接熔敷金属化学成分（wt%，余量为Fe）

表4 各实施例焊丝焊后熔敷金属夹杂物评级

表5 熔敷金属力学性能检测结果

由上表3-5可以看出，本发明焊丝采用CO2气保护焊接，由于微合金元素的保护，熔敷金属合金元素烧损较少，有效保证了焊缝熔敷金属的强韧性，而对比例焊丝由于缺乏微合金元素的保护，Ni、Cr、Si、Mn等元素烧损严重，强度下降明显，且由于对比例中Ni含量较低，合金元素配比不合理，使熔敷金属冲击韧性偏低；同时实施例熔敷金属中存在Ti、Al、B、Zr、Ce微合金元素中的保护，有效改善了熔池的氧化还原反应，熔池的流动性，使氮气孔、氢气孔率降低，夹杂物数量减少且大尺寸夹杂物数量细化；该焊缝熔敷金属屈服强度在540~580MPa范围内，抗拉强度在675~720MPa范围内，延伸率在23.5%左右，冲击功在77~85J范围内，符合相关技术要求（熔敷金属-40℃KV2≥60J）且有一定富余量。所选对比焊丝的熔敷金属屈服强度在520~535MPa范围内，抗拉强度在640~662MPa范围内，延伸率在22.5%左右，冲击功在53~59J范围内。对比焊丝的熔敷金属强度虽可满足母材标准要求，但余量较小，且采用CO2气保护焊接低温冲击明显严重降低，不能满足耐候桥梁钢对低温韧性的要求，同时焊接过程中焊丝飞溅较大，夹杂物尺寸较大。与该耐候焊丝相比，本发明焊丝具有优异的焊接工艺及力学性能。

从焊接用母材及焊缝熔敷金属取样，参考TB 2374-2008《铁道车辆用耐大气腐蚀钢及不锈钢焊接材料》和TB 2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准，采用0.01mol/L的NaHSO₃溶液在周浸加速腐蚀试验箱中进行加速腐蚀试验，模拟工业大气环境下的腐蚀行为。根据相对腐蚀率（相对腐蚀率=∣（母材失重-焊缝金属失重）/母材失重∣）来评定母材与焊缝金属的耐大气耐腐蚀性能，并计算相对腐蚀率，168h的加速腐蚀试验结果见下表6，锈层在扫描电镜下形貌见图4a和图4b所示（从图中可以看出，本发明实施例焊丝熔敷金属形成的锈层致密且稳定，耐大气腐蚀性能优异；对比例中焊丝熔敷金属锈层有细微裂纹，不如本发明焊丝熔敷金属锈层致密，因此本发明焊丝具有更好的耐大气腐蚀性能）。

表6熔敷金属周浸实验腐蚀失重实验结果

由表6可以看出，利用周浸实验进行168h模拟工业大气环境条件下，本发明焊丝的焊缝熔敷金属和耐候钢母材的相对腐蚀率在2.5%~3.6之间，而对比例焊丝焊接所得熔敷金属与母材相对腐蚀率在10.5%左右，本发明焊丝满足TB 2374-2008标准中规定的相对腐蚀率远小于10%的要求，通过锈层扫描可发现实施例焊丝熔敷金属锈层更加致密，裂纹少，说明本发明耐候CO2气体保护焊丝焊缝金属具有优异耐大气腐蚀性能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝用盘条，其特征在于，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.04~0.09，Si：0.55~0.85，Mn：1.70~2.10，P：≤0.015，S：≤0.005，Cr：0.46~0.65，Ni：1.10~1.80，Cu：0.15~0.38，Ti：0.10~0.20，B：0.003~0.005，Al：≤0.015，Zr：≤0.045，Ce：≤0.030，O：≤0.050，N：≤0.070，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述CO₂气体保护焊丝的化学成分中C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Ti、B的含量满足650≤Sy≤730，其中，

Sy=9.8×(36+68.3[C]+5.9[Si]+5.7[Mn]+7.3[Cr]+3.7[Ni]+9.0[Cu]+39[Ti+B])。

2.根据权利要求1所述的免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝用盘条，其特征在于，所述CO₂气体保护焊丝的化学成分中含有Al、Zr、Ce中的一种以上。

3.一种免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述CO₂气体保护焊丝通过拉拔如权利要求1或2所述的盘条而制成。

4.根据权利要求3所述的免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述焊丝的熔敷金属抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥23%，-40℃低温冲击功KV2型缺口冲击功≥60J，耐大气腐蚀指数I不低于6.5。

5.根据权利要求3所述的免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPa级CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述焊丝要表面镀铜，镀铜层的厚度为0.19～0.23微米。