CN102717206A - 一种具有耐火特性的埋弧实芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有耐火特性的埋弧实芯焊丝，其化学成分重量百分比为：C：0.03％～0.12％、S≤0.015％、P≤0.03％、Si：0.1％～0.4％、Mn：1.25％～1.8％、Ni：0.2％～0.55％、Mo：0.25％～0.6％、Cr：0.2％～0.55％、Ti：0.15％～0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明埋弧实芯焊丝具有良好的高温屈服强度，能满足490MPa级别耐火钢的焊接要求；与碱性烧结焊剂匹配，工艺良好，脱渣容易；在保证高温强度的同时，具备低的碳当量，熔敷金属的冲击韧性良好。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及一种具有耐火特性的埋弧实芯焊丝。
背景技术
随着现代建筑向大跨度、超高层发展，为减轻整体结构的重量，缩短工期，增大空间，对建筑用钢材提出了越来越高的要求，建筑用钢正向高强度、高性能、大型化方向发展。由于高层和超高层的钢结构建筑的日益增加，对高楼火灾的防范措施也在不断增强，钢结构自身抵御火灾能力要求也越来越高。因此高层建筑用钢的耐火能力越来越引起人们的关注。80年代末日本开展了耐火钢的研究，通过在钢中添加微量耐热性高的Cr、Mo、Nb等合金元素，开发了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢。在国内，各大钢厂从90年代末开始从事耐火钢方面的研究。到目前为止，宝钢、武钢和鞍钢已经研制开发了多个系列的高性能建筑用系列新钢种，这其中就包括高性能耐火耐候建筑结构钢，并成功应用于中国南极站、北京国家大剧院的建筑。
钢结构中的高强及耐火建筑钢材的大规模，推动了建筑高强钢焊接技术及焊接材料的发展。但相对于钢材的迅猛发展，焊接工艺和焊接材料的开发比较滞后，国内建筑钢材所需焊接材料，除焊条基本上可从国内择优采购外，相应的气保护实芯焊丝和埋弧焊丝与国外发达国家相比仍有很大差距，一些重点工程中的焊接材料基本上全部依赖进口。在我国现阶段的焊材开发中，尚没有出现具有耐火特性的专用耐火钢埋弧焊材，如专利号为200610025064.2的“一种高性能建筑用埋弧焊丝及盘条”和专利号为CN92113132.1的“低碳高锰、硅微钛、铝高韧性埋弧焊丝”，它们只是作为普通的建筑钢用埋弧焊丝，其性能结果中都没有焊材耐火性能的专述。日本作为开发耐火钢较早的国家，在开发钢种的同时，也对其专用焊材进行了深入的研究，如专利号为JP02200393A的“SUBMERGED ARC WELDING WIRE AND FLUX FOR FIRERESISTANT STEEL”(埋弧焊丝与焊剂)和专利号为JP02052196A的“WELDING WIRE FOR FIRE RESISTANT STEEL”(CO2气体保护焊焊丝)都是专门针对耐火钢材的焊接。JP02200393A所陈述的埋弧焊丝在化学成分中主要有C 0.01～0.15％，Si≤0.5％，Mn 0.4～2.5％，Mo 0.06～0.08％，Nb 0.003～0.030％，其他为Fe和杂质元素，其中(Mo+20Nb)的含量必须控制在0.15～1.25％之间。此焊丝主要依靠Nb和Mo的联合作用，特别强调了Nb元素对高温强度的影响。其成分中没有Ti元素的添加，忽略了Ti元素对焊缝区针状铁素体形成的促进作用以及对焊缝韧性的改善作用。该焊丝还必须匹配专用的埋弧焊剂，在应用条件上有所限制。JP02052196A所陈述的气体保护焊丝在化学成分中主要有C 0.03～0.12％，Si0.4～1.00％，Mn 0.9～2.5％，Mo 0.1～0.5％，Nb 0.005～0.025％，Cu≤0.5％，P≤0.030％，S≤0.030％，其他为Fe和杂质元素。该焊丝焊接过程中采用CO2气体保护，与埋弧焊工艺不同。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术所存在的缺陷，根据耐火钢焊接专用埋弧焊材缺乏的现状和建筑耐火钢焊接应用的要求，提出一种冶炼成分合理，高温力学性能良好，能满足490MPa级别耐火钢焊接用的具有耐火特性的埋弧实芯焊丝。该焊丝熔敷金属的室温抗拉强度Rm≥550MPa，屈服强度≥460MPa，600℃高温屈服强度≥250MPa，且低温冲击韧性和焊接工艺性能良好。
本发明是这样实现的：该埋弧实芯焊丝的化学成分重量百分比为：C0.03％～0.12％、S≤0.015％、P≤0.03％、Si 0.1％～0.4％、Mn 1.25％～1.8％、Ni 0.2％～0.55％、Mo 0.25％～0.6％、Cr 0.2％～0.5％、Ti 0.15％～0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明合金系的设计原则是：该焊丝主要通过焊缝区合金元素的微合金化手段来实现，应用固溶强化、第二相析出强化等高温强化机制，来满足耐火钢焊接的高温强度要求。
本发明焊丝化学成份的设计原则如下：
Mo：钼是提高钢的高温强度最为有效的元素。目前已有的耐火钢中均以钼作为高温强化元素。钼固溶于铁素体中，强化了铁素体基体，高温下钼在铁素体中扩散速度较慢，显著提高了钢的高温强度与蠕变强度。同时固溶的钼容易晶界上偏聚，起强化晶界的作用。Mo还可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟先共析铁素体的转变而有利于形成贝氏体结构，并强烈抑制珠光体转变，高位错密度的贝氏体组织呈现了良好的高温性能。同时Mo在渗碳体内的固溶度仅为4％，极易析出碳化物，在高温时Mo与C、N结合形成碳氧化物，发生钉扎作用，这些碳化物可以导致在高温下的二次硬化，使高温屈服强度增强。为使得焊丝有显著的高温性能，焊丝中Mo含量不低于0.25％，同时Mo作为一种贵金属元素，不易多加，较高的Mo含量也容易增加焊缝金属的淬硬性，因此应控制在0.6％以下。
Ti：微量的Ti在钢中生成难溶的细小弥散的第二相粒子，钉扎奥氏体晶界，抑制热影响区奥氏体晶粒长大，改善焊后韧性，而且这种细小弥散分布析出相对加热时阻止奥氏体晶粒的长大，阻碍拉伸过程中塑性滑移都会起到有利作用。Ti与氧结合力强，在焊接过程中容易烧损，添加量一般不低于0.15％，其在焊缝中过渡系数甚微，适量使用即可，此焊丝添加量控制在0.35％以下。
Cr：Cr可以有效地提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能，可以有效地提高钢的高温强度。Cr在铁素体中的扩散系数较高，容易与碳结合形成碳化物。鉴于Cr具有的高温强化作用，且焊丝成本的控制，其含量控制在0.2％～0.5％之间。
Mn：Mn作为微合金钢焊缝金属中的主要合金元素，显著影响奥氏体扩散，Mn是奥氏体稳定元素，使奥氏体相变移向较低的温度。Mn作为此焊丝中主要的脱氧剂，含量不低于1.25％。它还具有细化晶粒和固溶强化的作用。但Mn元素的过量会造成焊缝成型不美观，超过2％还会影响焊缝的韧性，因此极限添加量设定为1.8％。
Si：Si元素是缩小γ区的元素，能显著提高珠光体相变温度，在较高的温度下形成较为粗大的碳化物。Si也是作为重要的脱氧元素加入的，它对焊缝组织和性能的影响，主要是通过与氧的作用而体现出来的，特别是当Mn-Si同时存在时，Mn/Si比例合适时，脱氧效果较好，还有助于改善韧性。埋弧焊过程中Si元素可大量通过焊剂过渡到焊缝中，因此在焊丝中添加量要比气体保护焊时较少，处于0.1％～0.4％之间。
Ni：Ni是扩大γ相区的元素，还可使CCT曲线右移，因而可促使针状铁素体的形成，使焊缝韧性提高。焊缝中Ni元素对韧性的影响一般受到Mn元素添加量的影响，当两种元素处于最佳配比时，焊缝金属有最佳的强韧性匹配，在此焊丝中Ni元素的含量在0.2％～0.55％之间。
本发明埋弧实芯焊丝具有良好的高温屈服强度，并能满足耐火钢应用要求；与碱性烧结焊剂匹配，工艺良好，脱渣容易；在保证高温强度的同时，具备低的碳当量，熔敷金属的冲击韧性良好。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的描述。
本发明实施例在200kg真空电炉完成焊丝钢的冶炼，其化学成分见表1。然后轧制成Φ5.5mm盘条，盘条经过机械除锈→酸洗→硼化→烘干→拉拔→砂洗→碱洗→酸洗→活化→化学镀铜→清洗→烘干→定径抛光→层绕→包装等工序，最终实芯焊丝的直径为Φ4mm。
本发明熔敷金属焊接实验采用规格20×120×300mm的试板，表面去除锈污。焊接电流520～550A，焊接电压28～30V，焊接速度23.5～25m/s，匹配焊剂选用经350℃保温2h烘干的SJ101和伊萨10.62焊剂，焊后检测熔敷金属相关力学性能。其结果见表2和表3。
从实施例可以看出，本发明埋弧实芯焊丝具备良好的低温冲击韧性，600℃高温屈服强度达到室温屈服的70％强，可以满足490MPa级别建筑耐火钢的焊接工艺要求。
表1本发明实施例埋弧实芯焊丝的化学成分
表2本发明实施例焊丝熔敷金属的性能
表3本发明实施例焊丝熔敷金属性能冲击性能
Claims (1)
1.一种具有耐火特性的埋弧实芯焊丝，其特征在于该焊丝的化学成分重量百分比为：C 0.03％～0.12％、S≤0.015％、P≤0.03％、Si 0.1％～0.4％、Mn 1.25％～1.8％、Ni 0.2％～0.55％、Mo 0.25％～0.6％、Cr 0.2％～0.5％、Ti 0.15％～0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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