CN116652448A - 屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝及其焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝及其焊接工艺，所述焊丝的成分及其质量百分比为：C：0.08‑0.12.0％、Mn：1.6‑2.1％、Si：0.4‑0.9％、Cr：1.4‑2.0％、Cu：0.3‑0.6％、Ni：1.6‑2.0％、P≤0.09％、S≤0.008％、Ti：0.05‑0.08％、Ce：0.01‑0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。通过本发明提供的焊丝，及利用本焊丝进行的焊接工艺和回火工艺，得到的焊缝的常温抗拉强度≧820MPa，‑40℃冲击功≧80J，满足800MPa桥梁钢的焊接，且提高了Cr和Ni元素的含量，使焊缝具有良好的耐候性。
Description
技术领域
本发明涉及高强度桥梁钢焊接技术领域，具体而言是一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝及其焊接工艺。
背景技术
随着国民经济和社会的发展，我国交通运输事业有了很大的进步。我国大江大河众多，为了促进交通的便捷高效，建设了一大批举世瞩目的桥梁。为了顺应目前大型基础设施和工程设备轻量化的绿色发展趋势，桥梁用钢的强度也需要在现有基础上提升，从而在保证承载能力不降低的情况下减小钢材的使用量。强度改变以后，相应的配套焊材便必须做出改变，因为焊接是桥梁建设极其重要的过程，选择合适的焊材对于桥梁建设的安全性、经济性具有重要的作用。
目前的技术中公开了多种焊丝，如专利公布号CN106312372A“一种1000MPa高强钢焊接用气保实心焊丝及其制备与焊接方法”通过C元素0.07-0.13％、Si元素0.3-0.5％、Mn元素1.8-2.3％、Ni元素2.7-3.2.0％、Cr元素0.3-1.2、Mo0.4-0.85、Ti元素0.01-0.1、Al元素0.01-0.3％、P元素0.008％、S元素0.05-0.1％、Cu元素<0.3％、Nb元素0.01-0.035％进行成分配比作为气保焊丝的成分，替代了进口焊丝应用在水电行业。
专利公布号CN108247234A“一种高强钢用埋弧焊丝及其制备方法”通过低C低Mn多元复合合金化方式，达到了焊缝与母材化学成分与理化性能的最佳匹配。把C含量控制在0.05-0.09之间，降低了焊缝的裂纹敏感性。通过将S、P含量控制在极低范围内冶炼的钢水经过连铸或浇铸获得的方坯热轧后得到力学性能良好的盘条，再加工成复合要求的埋弧焊丝。
专利公布号“一种高强度高韧性耐候钢用气体保护焊丝”提供了一种高强度高韧性并且具有耐候性的气保焊丝的制备方法。其主要成分配比为，C元素0.03-0.11、Mn元素0.7-0.15％、Si元素0.25-0.9％、Ni元素0.55-1.4％、Cu元素0.15-0.4％、Ti元素0.05-0.18％、S元素<0.015％、P元素<0.02.0％。通过该成分配比制备了550MPa高强高韧性耐候钢用焊丝。该焊丝焊接工艺性能优良，焊接电弧稳定，飞溅小，成型美观无气孔。
专利公布号CN106334883A“一种桥梁钢用高强高韧气保药芯焊丝”提供了一种成分、性能均适用于500MPa高强度级别桥梁钢，尤其是Q500qE桥梁钢板焊接的焊材。该发明包括外皮和外皮包裹的药芯，药芯主要成分为金红石比例为30-50％。其余成分包括长石、石英、硅锰合金、金属锰、镁粉、镍粉等。
专利号CN107009047A“一种高强钢气体保护电弧焊实芯焊丝”提供了一种成分配比：C元素0.06-0.12.0％、Si元素0.6-1％、Mn元素1.5-2.0％、P元素<0.025％、S元素<0.2.0％、Ni元素0.1-0.6％、Cr元素0.6-0.8％、Cu元素<0.25％、V元素0.02-0.1％、Ti元素0.08-0.25％、B元素0.002-0.008％，根据该成分配比制作了一种焊接性优良、工艺窗口宽且生产成本低的高强钢气保焊丝。
专利号112719692A“一种900MPa高强钢气保实芯焊丝及其制备方法”通过成分配比C元素0.04-0.06％、Si元素0.2-0.3％、Mn元素1.3-1.5％、Ni元素3-3.4％、Cr元素0.4-0.6％、Mo元素0.5-0.7％、Ti元素0.04-0.1％、P<0.006、S<0.005％，制备了一种气保焊丝，利用脱硫铁水浇铸成连铸坯，再轧制成直径盘条，盘条再经过剥壳酸洗涂硼砂粗拉回火细拉镀铜工艺流程制成0.8-1.6mm焊丝。
专利号CN111975244A“免涂装耐候钢桥用抗拉强度650MPaCO2气体保护焊焊丝及盘条”利用成分配比C元素0.04-0.09％、Si元素0.55-0.85％、Mn元素1.7-2.1％、P元素0.005％、S元素0.015％、Cr、0.46-0.65％、Ni元素1.1-1.8％、Cu元素0.15-0.38％、Ti元素0.1-0.2.0％、B元素0.003-0.005％、Al元素<0.015％、Zr<0.045％、Ce<0.003％。制备了抗拉强度650MPa具有优良抗裂性能和强韧性的气保焊丝。
专利号112935627A“一种用于耐火耐候钢焊接的熔化极气体保护实芯焊丝”通过成分配比C元素0.04-0.11％，Mn元素0.8-1.55％、Si元素0.3-0.75％、P元素0.01-0.02.0％、S元素<0.02.0％、Cr元素0.05-0.2.0％、Ni元素0.8-1.25％、Mo元素0.25-0.5％、Cu元素0.1-0.35％、V元素0.025-0.07％、Ti元素0.03-0.15％。制备了一种屈服强度大于460MPa的实芯气保焊丝，能够具有防火耐高温耐候等优异性能，可以应用在高层建筑上。
目前已有专利所述焊丝强度大多在800MPa以下，而满足强度要求焊丝极少应用在桥梁钢焊接领域，其耐候性不能满足新一代桥梁钢的焊接要求。我国大江大河众多，跨越在江河湖海上的桥梁大多在潮湿盐雾等复杂环境下服役，因此其整体耐候性必须得到保证，从而避免安全事故的发生。因此需要有一种新的焊丝能够满足强度大于800MPa，且具有良好的耐候性。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝及其焊接工艺。
本发明采用的技术手段如下：
一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝，所述焊丝的成分及其质量百分比为：
C：0.08％-0.12.0％、Mn：1.6％-2.1％、Si：0.4％-0.9％、Cr：1.4％-2.0％、Cu：0.3％-0.6％、Ni：1.6％-2.0％、P≤0.09％、S≤0.008％、Ti：0.05％-0.08％、Ce：0.01％-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述焊丝的制备方法为：通过上述成分配比，在铁水冶炼过程中除去硫，再经过中频感应炉炼钢-LF炉精炼-浇铸-轧制等一系列过程形成盘条。盘条通过剥壳-酸洗-硼涂砂-粗拉-热处理-细拉-镀铜-拉拔-收线-层绕等流程制成气保焊丝。
元素说明如下：
C元素含量为0.08％-0.12.0％。C元素能够提高钢的强度，但C含量增多会降低焊缝的韧性、增加焊接裂纹敏感性，因此将其控制在0.08％-0.12.0％范围内。
Mn元素含量为1.6％-2.1％。Mn元素除了能够脱S、脱氧之外，还能通过固溶强化方式提高焊缝的强度、促进焊缝中强韧性良好的针状铁素体的形成。
Si元素含量为0.4％-0.9％。Si元素能够脱氧、提高焊缝强度，但Si元素过多会降低焊缝韧性、增大焊接飞溅。
S、P元素是焊缝中的有害元素，容易导致焊接热裂纹的产生，降低焊缝的韧性，但是少量的P元素有助于提高焊缝的耐蚀性。因此将S含量控制在0.008％以下，P元素控制在0.09％以下。
Ni元素含量为1.6％-2.0％。Ni元素能够大大提高焊缝的低温韧性，降低韧脆转变温度，还能降低焊缝的自腐蚀电位，提高焊缝的耐腐蚀能力。但是Ni的价格较高，出于成本考虑，对其含量应当有所限制。
Cr元素含量为1.4％-2.0％。Cr元素是提高钢和焊缝耐蚀性的主要元素之一，能够在钢的表面形成致密的氧化物薄膜，阻止腐蚀介质进一步侵入内部。为了提高焊接接头在大气环境下的耐蚀性，与常规焊丝成分相比提高了Cr元素的比例。此外，Cr还能促进焊缝中针状铁素体的形成，提高焊缝强度。
Cu元素含量0.3％-0.6％，Cu具有良好的耐蚀性，特别是在钢中能够有效的保护铁元素，还能通过铁的相变过程产生析出强化效果，提高焊缝的强度和韧性。但铜元素容易产生“热脆”，所以需要加入Ni元素防止这一现象的产生。
Ti元素含量0.05％-0.08％。Ti能够与焊缝中的非金属元素形成化合物，作为针状铁素体的形核质点，促进针状铁素体的形成，从而提高焊缝的韧性。
Ce元素含量0.01％-0.02.0％。在焊丝中加入极少量的Ce元素能够减小铁素体的晶粒尺寸，提高焊缝的强度，还能减小焊缝中氧的含量，降低焊接裂纹的倾向。
该成分使用了Cr、Ni元素提高焊缝的耐大气腐蚀性能，提高了Mn的含量作为提高强度的主要元素，加入Ce元素能够钉扎晶界细化晶粒尺寸提高韧性。
本发明还公开了一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，采用上述焊丝对钢板进行气体保护焊；焊接电流270-330A，焊接电压24-30V。
优选地，气体保护焊时采用多层多道焊焊接方式，层间温度为120-160℃。
优选地，所述气体保护焊中采用的保护气由CO2和Ar气组成，Ar的体积比为10％～30％。
优选地，两个所述钢板焊接前，对其焊接侧进行加工，使两个所述钢板对接固定后，坡口呈X型，且所述坡口的上部和下部的角度均为60°。并仔细清理坡口附近去除油污铁锈等杂质。
优选地，所述坡口的上部和下部的尺寸不同，形成上下非对称式结构，使开口大的那端多焊接几道，进而减少焊接应力。
本发明还公开了一种回火工艺，通过上述方法得到的焊缝经510～530℃加热并保温1～2h后空冷。提高焊缝的韧性，缓解因为强度提高带来的韧性损失。未回火，焊缝的常温抗拉强度≧870MPa，-40℃冲击功≧55J；回火后，焊缝的常温抗拉强度≧820MPa，-40℃冲击功≧80J。焊缝的延伸率为≧16％。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提高了Cr和Ni元素的含量，使焊缝具有良好的耐候性。
2、本发明得到的焊缝具有良好的强度及低温韧性，满足高强度桥梁钢的焊接。
3、该焊丝可以用于新一代800MPa桥梁钢的工程建设，保证焊接过程中良好的焊接性和使用后接头的耐候性，在潮湿环境下长时间使用的安全性。为我国交通事业的发展奠定坚实的基础。
基于上述理由本发明可在800MPa桥梁钢焊接等领域广泛推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝，所述焊丝的成分及其质量百分比为：
C：0.08％-0.12.0％、Mn：1.6％-2.1％、Si：0.4％-0.9％、Cr：1.4％-2.0％、Cu：0.3％-0.6％、Ni：1.6％-2.0％、P≤0.09％、S≤0.008％、Ti：0.05％-0.08％、Ce：0.01％-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述焊丝的制备方法为：通过上述成分配比，在铁水冶炼过程中除去硫，再经过中频感应炉炼钢-LF炉精炼-浇铸-轧制等一系列过程形成5.5mm直径盘条。盘条通过剥壳-酸洗-硼涂砂-粗拉-热处理-细拉-镀铜-拉拔-收线-层绕等流程制成气保焊丝。
一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，采用上述焊丝对钢板进行气体保护焊；焊接电流270-330A，焊接电压24-30V。
气体保护焊时采用多层多道焊焊接方式，层间温度为120-160℃。
所述气体保护焊中采用的保护气由CO2和Ar气组成，Ar的体积比为10％～30％。
两个所述钢板焊接前，对其焊接侧进行加工，使两个所述钢板对接固定后，坡口呈X型，且所述坡口的上部和下部的角度均为60°。并仔细清理坡口附近去除油污铁锈等杂质。
所述坡口的上部和下部的尺寸不同，形成上下非对称式结构，使开口大的那端多焊接几道，进而减少焊接应力。
本具体实施方式还公开了一种回火工艺，通过上述方法得到的焊缝经510～530℃加热并保温1～2h后空冷。提高焊缝的韧性，缓解因为强度提高带来的韧性损失。未回火，焊缝的常温抗拉强度≧870MPa，-40℃冲击功≧55J；回火后，焊缝的常温抗拉强度≧820MPa，-40℃冲击功≧80J。焊缝的延伸率为≧16％。
下面以9个实施例对本具体实施方式进行详细说明，9个实施例的焊丝的成分及其质量百分比如表1所示，焊接工艺参数如表2所示，回火工艺参数如表3所示，焊缝性能如表4所示。
表1实施例化学成分及其质量百分比
表2实施例焊接工艺
| 实施例 | 焊接电流(A) | 焊接电压(V) | 层间温度(℃) | 保护气 |
| 1 | 230 | 24 | 120 | 10Ar,90CO2 |
| 2 | 250 | 24 | 120 | 10Ar,90CO2 |
| 3 | 270 | 24 | 120 | 10Ar,90CO2 |
| 4 | 230 | 27 | 140 | 20Ar,80CO2 |
| 5 | 250 | 27 | 140 | 20Ar,80CO2 |
| 6 | 270 | 27 | 140 | 20Ar,80CO2 |
| 7 | 230 | 30 | 160 | 30Ar,70CO2 |
| 8 | 250 | 30 | 160 | 30Ar,70CO2 |
| 9 | 270 | 30 | 160 | 30Ar,70CO2 |
表3实施例回火工艺
| 实施例 | 加热温度(℃) | 保温时间(h) | 冷却方式 |
| 1 | 510 | 1 | 空冷 |
| 2 | 510 | 1 | 空冷 |
| 3 | 510 | 1 | 空冷 |
| 4 | 520 | 1.5 | 空冷 |
| 5 | 520 | 1.5 | 空冷 |
| 6 | 520 | 1.5 | 空冷 |
| 7 | 530 | 2 | 空冷 |
| 8 | 530 | 2 | 空冷 |
| 9 | 530 | 2 | 空冷 |
表4实施例焊缝性能
通过表4可以明显看出，通过本具体实施方式提供的焊丝，及利用本焊丝进行的焊接工艺和回火工艺，得到的焊缝的常温抗拉强度≧820MPa，-40℃冲击功≧80J，满足800MPa桥梁钢的焊接。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢用气保焊丝，其特征在于，所述焊丝的成分及其质量百分比为：
C：0.08％-0.12.0％、Mn：1.6％-2.1％、Si：0.4％-0.9％、Cr：1.4％-2.0％、Cu：0.3％-0.6％、Ni：1.6％-2.0％、P≤0.09％、S≤0.008％、Ti：0.05％-0.08％、Ce：0.01％-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，采用权利要求1所述的焊丝对钢板进行气体保护焊；焊接电流270-330A，焊接电压24-30V。
3.根据权利要求2所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，气体保护焊时采用多层多道焊焊接方式，层间温度为120-160℃。
4.根据权利要求2所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，所述气体保护焊的焊接速度为15-18cm/min。
5.根据权利要求2所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，所述气体保护焊中采用的保护气由CO2和Ar气组成，Ar的体积比为10％～30％。
6.根据权利要求2所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，两个所述钢板焊接前，对其焊接侧进行加工，使两个所述钢板对接固定后，坡口呈X型，且所述坡口的上部和下部的角度均为60°。
7.根据权利要求6所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺，其特征在于，所述坡口的上部和下部的尺寸不同。
8.一种回火工艺，其特征在于，权利要求2～7任一权利要求所述的一种屈服强度大于800MPa高强度桥梁钢的焊接工艺所得到的焊缝，经510～530℃加热并保温1～2h后空冷。
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