CN110802343B - 一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条 - Google Patents

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Abstract

一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条，属于焊接材料技术领域；尤其适用于屈服强度420～620MPa级别的耐候钢板的手工焊焊接，该焊条由药皮和焊芯组成，焊芯的熔敷金属化学成分按质量百分比为：C 0.010～0.085，Si 0.1～0.4，Mn 0.8～1.50，Cr 0.15～0.45，Ni 0.8～1.50，Cu 0.2～0.4，Ti 0.02～0.09，B 0.001～0.003，S≤0.015，P≤0.015，余量为铁及不可避免的杂质。优点在于，焊条熔敷金属的成分设计合理，施焊后所得熔敷金属和焊接接头具有良好综合性能，尤其是‑40℃和‑60℃的低温冲击韧性，且耐腐蚀性能良好。

Description

一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条，尤其适用于屈服强度420～620MPa级别的耐候钢板的手工焊焊接，采用该焊条实施焊接后熔敷金属及接头具有高强、高韧、耐腐蚀的特点。
背景技术
在经济区承包了超过3000个工程，其中涉及众多建筑、交通等基础设施建设项目。目前，每年由普通钢铁腐蚀产生的损失巨大，超半数以上的钢材直接曝露于大气中使用。耐候钢是一种能够生成锈层抵御大气腐蚀的钢铁结构材料，经合理的养护能够使用上百年。免涂装耐候钢更可以在免除涂装的条件下，直接曝露于大气中使用，从而大大减少养护成本。因此，使用免涂装耐候钢作为结构材料能够产生巨大的经济效益。
近年，一种具有高强度、低屈强比、高冲击韧性、易焊接、耐候性良好等特点的免涂装耐候钢被成功研发。为保证结构安全及使用寿命，耐候钢必须与具有相近强度和耐蚀性的焊接材料配合使用。然而，目前市面上已有的焊接材料均无法与该类钢铁材料实现良好的性能匹配。
耐候指数是表征钢铁材料耐大气腐蚀能力的重要指标。美国标准和日本标准有不同的计算方法用以计算耐候指数。研究表明，当钢材的美标耐候指数I＞6.0时，钢材具有明显的耐大气腐蚀能力。当耐候指数I＞6.5时，耐候钢铁材料能够在免涂装条件下使用，从而大大提升了耐候性能并减少了养护成本。而日本标准中的耐候系数V值能适用于评价高Ni含量的耐候钢。与此同时，由于焊接接头组织和成分极不均匀，容易成为腐蚀的薄弱区，因此对焊接材料的耐蚀性往往具有更高的要求。
国标GB/T 714-2015《桥梁用结构钢》规定D级耐候桥梁钢KV2(-20℃)＞120J，E级耐候桥梁钢KV2(-40℃)＞120J，F级耐候桥梁钢KV2(-60℃)＞47J。因此，为保证钢桥的结构安全，与该类桥梁用耐候钢相匹配焊接材料也应该具有优良的低温冲击韧性。在未来，耐候钢还将被应用到更多高寒低温环境中，这要求相匹配的焊接材料具有优良的低温韧性。因此，研制一种耐蚀性能与免涂装耐候钢匹配，兼具优良的强度、低温韧性和可焊性的焊条是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条，解决了免涂装耐候钢缺少相配套的手工焊条问题；高性能且具有耐候性的配套手工焊条。采用该种焊条形成的熔敷金属及焊接接头兼具高强度、良好的低温冲击韧性，-40℃和-60℃低温韧性优良，耐候性能良好。焊条焊接时的电弧稳定、飞溅小、脱渣性能良好，成型美观。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
本发明由药皮和焊芯组成，焊芯的熔敷金属化学成分按质量百分比为：C0.010～0.085，Si0.1～0.4，Mn 0.8～1.50，Cr 0.15～0.45，Ni 0.8～1.50，Cu 0.2～0.4，Ti 0.02～0.09，B 0.001～0.003，S≤0.015，P≤0.015，余量为铁及不可避免的杂质。
所述焊条适用于屈服强度420～620MPa级免涂装耐侯桥梁钢的焊接。
所述的药皮为钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型或低氢型中的一种。
所述焊条的熔敷金属屈服强度Rel421～622MPa，抗拉强度Rm为502～702MPa，延伸率A为22％～32％，断面收缩率＞70％，-40℃冲击吸收功KV2为120～315J，-60℃冲击吸收功KU2为103～236J。
所述焊条的熔敷金属的自腐蚀电位为-507～-359mV。
所述的药皮为钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型或低氢型中的一种。
本发明的焊条的熔敷金属各合金元素作用及含量选择如下：
C是固溶强化元素，随着C含量的增加，屈服强度和抗拉强度升高，但过高的C含量将严重危害焊缝金属韧性降低和抗裂性能。于此同时，考虑到高性能的免涂装耐候桥梁钢一般为超低碳型钢材，故本发明在保障强度、韧性和抗裂性能的前提下，将C含量控制为0.010～0.085wt.％。
Si在焊接过程能保障焊缝金属充分脱氧，避免其他氧化物夹杂形成。过高或过低的Si都强度有明显的影响，Si还与Mn元素共同作用控制焊缝内的针状铁素体占比，从而影响焊缝金属韧性。为此，本发明控制焊条中Si含量在0.10～0.4wt.％。
Mn也具有脱氧作用，同时Mn还能够脱硫。Mn的强化作用明显，添加Mn元素能有效降低相变温度。过量的Mn含量将导致侧板条铁素体等组织增加，不利于低温韧性和抗裂性能。于此同时，Mn与Si控制在一定比，能够联合脱氧和优化组织性能。因此，本发明将焊条中的Mn含量控制为0.8～1.5wt.％。
Cr是主要耐侯元素之一，Cr含量过高会导致低温韧性下降，综合考虑力学性能和耐蚀性的影响，故本发明焊条的Cr含量为0.15～0.45wt.％。
Ni也是主要的耐侯元素。添加Ni能促进针状铁素体的形成，提高焊缝金属韧性。Ni还可以降低Cr对韧性的损害，从而本发明将Ni含量定为0.8～1.5wt.％。
Cu是第三种主要耐侯元素。在焊条中添加一定量的Cu能够显著提升焊缝金属的耐蚀性能，故本发明焊条的Cu含量为0.2～0.4wt.％
Ti和B为脱氧元素和细化晶粒元素。Ti与奥氏体中N反应生成TiN及氧化夹杂颗粒，可作为针状铁素体的形核核心，能有效阻止晶粒长大，提高焊缝金属低温韧性。B聚集于晶界抑制晶粒长大。本发明将Ti含量控制为0.02～0.10wt.％，B含量控制为0.001～0.004wt.％。
S和P为不可避免的杂质元素，降低S和P含量有利于获得良好的低温冲击韧性、塑性和抗裂性，故本发明的焊条S含量不超过0.015，P含量不超过0.015。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的高性能耐侯焊条所得的熔敷金属具有与免涂装耐候桥梁钢相近的耐蚀性能，焊条熔敷金属的成分设计合理，施焊后所得熔敷金属和焊接接头具有良好综合性能，尤其是-40℃和-60℃的低温冲击韧性，且耐腐蚀性能良好；该焊条满足免涂装耐侯桥梁钢高强度、高韧性系列钢种的焊接技术要求。
2)本发明的高性能免涂装耐侯桥梁钢用焊条用于高强高韧免涂装耐侯桥梁钢的焊接，焊条具有优良的焊接工艺性能。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
本发明由药皮和焊芯组成，所述焊条的熔敷金属化学成分按质量百分比为：C0.010～0.085，Si0.1～0.4，Mn 0.8～1.50，Cr 0.15～0.45，Ni 0.8～1.50，Cu 0.2～0.4，Ti 0.02～0.09，B 0.001～0.003，S≤0.015，P≤0.015，余量为铁及不可避免的杂质；(实施例中的具体成分见表1).
下面将结合具体的实施例对本发明所述的焊条进行解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。本发明的实施例中的焊条采用下列步骤制得：焊芯加工(除锈、拉拔、核直切断)，药皮制备(药皮原材料粉碎和筛分，粘合剂调制)，压涂成型和烘干(焊条涂料配置、压涂成形、烘干)得到。这些步骤为焊条制造领域常用的步骤，因此本技术方案不在对这些制造步骤进行详细描述。
采用板厚16mm的F级420MPa免涂装耐候钢，坡口形式为10°，间隙为16mm，采用实施例中的焊条进行熔敷金属焊接，层间温度控制在100～150℃之间，焊接热输入控制为12～18kJ/cm。焊接后，对熔敷金属分别进行化学成分分析、拉伸试验(室温)、低温冲击试验和电化学测量。
本案实施例中的焊条进行焊接后熔敷金属化学成分质量百分配比见表1。
表1实施例中的焊条熔敷金属成分质量百分配比(余量为铁及杂质)
药皮类型 C Si Mn Cr Ni Cu Ti B S P
1 纤维素型 0.085 0.16 1.14 0.45 1.50 0.27 0.045 0.0010 0.015 0.0070
2 钛钙型 0.073 0.40 1.05 0.33 1.15 0.20 0.035 0.0027 0.0092 0.0077
3 钛铁矿型 0.054 0.32 1.50 0.24 0.90 0.30 0.035 0.0028 0.0081 0.010
4 钛铁矿型 0.034 0.20 1.02 0.2 1.02 0.40 0.027 0.0034 0.0066 0.0073
5 低氢型 0.024 0.20 1.12 0.19 1.14 0.26 0.022 0.0025 0.0060 0.0092
6 低氢型 0.035 0.28 1.25 0.15 1.10 0.21 0.024 0.0020 0.0046 0.0082
7 钛型 0.010 0.10 0.88 0.20 1.18 0.27 0.020 0.0016 0.0039 0.0137
8 钛型 0.038 0.22 1.10 0.25 1.37 0.27 0.024 0.0036 0.0046 0.015
9 氧化铁型 0.036 0.18 0.80 0.18 0.80 0.22 0.10 0.0040 0.0045 0.0095
表2列出了本案实施例中的焊条经焊接后，所获得熔敷金属的力学性能和电化学性能。
表2焊缝金属的力学性能和电化学性能
Figure BDA0002270250600000051
由表2可以看出，采用上述实施例中的焊条进行焊接后所获得熔敷金属在室温具有较高的强度、较好的塑性和较佳的抗裂性能，在低温下拥有良好的冲击韧性，尤其是具有优良的-40℃和-60℃低温冲击韧性，良好的耐蚀性能，由此说明本发明的焊条能够与各种屈服强度420～620MPa级的免涂装耐候桥梁钢材相匹配，是一种适用于桥梁建筑领域的手工焊焊接材料。
以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种免涂装耐候桥梁钢用高性能耐侯焊条，包括药皮和焊芯，其特征在于：
焊条的熔敷金属化学成分按质量百分比为：C0.010～0.085，Si0.1～0.4，Mn 0.8～1.50，Cr 0.15～0.45，Ni 0.8～1.50，Cu 0.2～0.4，Ti 0.02～0.09，B 0.001～0.003，S≤0.015，P≤0.015，余量为铁及不可避免的杂质；
药皮为钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型或低氢型中的一种；
该焊条适用于屈服强度420～620MPa级耐侯桥梁钢的焊接；
所述焊条的熔敷金属屈服强度Rel为421～622MPa，抗拉强度Rm为502～702MPa，延伸率A为22％～32％，断面收缩率＞70％，-40℃冲击吸收功KV2为120～315J，-60℃冲击吸收功KU2为103～236J；
所述焊条的熔敷金属的自腐蚀电位为-507～-359mV。
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