CN103111772A - 一种低温韧性优异的耐候气保焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温韧性优异的耐候气保焊丝，其化学成分按重量百分比计为：C0.05～0.10，Si0.20～0.60，Mn1.20～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Cr0.20～0.60，Ni1.8～3.5，Cu0.10～0.50，还包含Ti0～0.01，Zr0～0.01中的一种或者两种，余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊丝所得熔敷金属具有较好的耐候性，强度高，低温韧性好，-60℃冲击韧性≥100J，-80℃冲击韧性≥80J。可应用于低温韧性要求较高的桥梁、建筑等领域用耐候钢材的焊接。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别是涉及一种适用于抗拉强度550MPa级以上耐候钢的气体保护焊丝。
背景技术
耐候钢的使用大大降低了保护涂层的使用，从而使生产成本大大降低，工期缩短。目前，耐候钢逐渐在桥梁、建筑等大型焊接结构中得到应用，而此类钢板的大规模应用，需要有焊接用耐候气体保护焊丝与之配套。
气体保护焊由于其操作方便灵活，效率高等优点在结构焊接中得到广泛运用。耐候气体保护焊配套焊丝需要在满足普通力学性能的条件下，其焊接接头应具有与母材相当的耐候性；同时，为适应某些寒冷地区的服役条件，应保证焊缝及热影响区具有较好的低温冲击韧性。目前能够满足-60℃及更低温度下冲击功的耐候钢正在桥梁等领域得到应用，比如耐候桥梁钢Q345/460qENH，使用该类耐候钢可免除涂漆工艺，节约了成本。焊接接头作为焊接构件中相对较薄弱的部位，理应使其具备比母材更优越的性能，以保证整体构件的安全性。
现有专利如中国专利CN100460135C，CN101049660A，CN101658984B，其熔敷金属都具有较高的抗拉强度，且具有良好的塑性和低温韧性，但都不具备耐候性能。
中国专利CN1127390C，CN1290661C，CN1301825C，CN102029481A，其焊缝性能好，且具有较好的耐候性，但焊丝成分中都含有0.03～0.3不等的Ti，部分还含有一定含量的B元素，Ti-B系虽对焊缝金属的低温韧性有益，但较高含量的Ti会造成炼钢时钢液黏稠，容易在连铸过程中造成水口堵塞，难以实现多炉钢水的连浇，而微量的B元素易造成连铸坯表面裂纹，影响盘条质量，且增加材料的淬硬性，导致在正常生产工艺下得到的盘条强度过高，过高强度的盘条在拉拔过程中易断丝，而退火工艺又会增加较大的生产成本。
另有中国专利CN101357425，其综合性能优良，但低温冲击局限在-40℃，没有更低温下冲击韧性的相关表述，不适合在某些严寒地区及对低温韧性要求严格的环境下使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足低温韧性要求的耐候气体保护焊丝，使用该种焊丝所得的熔敷金属综合性能良好，屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，尤其是具有优异的低温韧性，焊缝金属的韧脆转变温度在-80℃以下；而且，所得熔敷金属及焊接接头具有良好的耐大气腐蚀性能。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
低温韧性优异的耐候气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计为：C0.05～0.10，Si0.20～0.60，Mn1.20～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Cr0.20～0.60，Ni1.8～3.5，Cu0.10～0.50，还包含Ti0～0.01，Zr0～0.01中的一种或两种，余量为铁及不可避免的杂质。
C元素是合金钢中不可缺少的元素，能有效提高焊缝强度，但过高的C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量不宜过高，控制在0.05～0.10。
Mn能够提高焊缝的强度及淬透性，有利于细化焊缝组织。优选Mn1.20～1.60。
Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用。但Si的脱氧产物容易形成硅酸盐类夹渣，低熔点的硅酸盐容易导致结晶裂纹，还会增加熔渣与熔化金属的粘度，造成严重的飞溅，所以Si含量不宜过高，控制Si含量0.20～0.60。
Cr-Ni-Cu成分体系在本发明中的应用，主要是为了满足焊缝金属的耐候性，与母材相匹配。而且Cr元素还可增加焊缝中针状铁素体的含量，提高焊缝的强度和低温韧性，过高的Cr会提高脆性转变温度，控制其含量Cr0.20～0.60；随着Ni元素含量的提高，晶界铁素体比例降低，针状铁素体细化，对韧性有利，但当Ni含量在3.5％以上时，会产生马氏体而影响韧性，所以控制其含量Ni1.8～3.5；Cu的固溶强化作用也能提高焊缝的强度，含量过高会增加焊缝的热脆性，控制其含量Cu0.10～0.50。
Ti是强脱氧剂、脱氮剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物(TiO，TiN)质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性，但过高的Ti含量会导致焊缝韧性恶化，而且Ti含量较高时会使钢液黏稠，不利于炼钢的连铸过程，控制Ti含量0～0.01。
Zr元素具有较好的细化晶粒作用，微量Zr元素的加入，在焊缝中形成大量细小的ZrO2质点，一来促进焊缝针状铁素体形核，二来起到一定止裂作用，大幅降低了焊缝韧脆转变温度，同时对提高焊缝强度有一定贡献。但当Zr含量过高时，其细化晶粒的作用不再增强，反而会促进M-A组元形成从而导致焊缝韧性下降。考虑到Zr在熔池中易烧损，将其含量设置为0～0.01。
P，S作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量P≤0.020，S≤0.015。
本发明焊丝经过电炉或转炉冶炼、连铸、轧制、拉拔、镀铜、绕盘等工序制成。
另外，本发明焊丝在焊接时配合气体为Ar+5％CO2。该种保护气体配比可以保证焊缝金属中的氧含量在200ppm以下，有利于焊缝中形成细小弥散的氧化物颗粒，促进针状铁素体形核，以保证焊缝具有优异的低温韧性。
与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：
1.通过较低的C-Si-Mn成分设计，采用常用的Ni-Cr-Cu耐候体系，通过较高的Ni含量及添加微量Ti和Zr，并控制各元素的优化范围，使焊缝获得优异的低温韧性，焊缝金属Akv(-60℃)≥100J，Akv(-80℃)≥80J，韧脆转变温度低于-80℃，能够满足极寒地区耐候钢材的焊接加工要求；
2.配合Ar+5％CO2保护气体，焊缝氧含量＜200ppm，搭配高含量的Ni，使得焊缝具有优异的低温韧性；
3.微量添加Ti元素，不添加B元素，避免了连铸坯表面裂纹和内部质量不均的缺点，并且在常规轧制工艺下盘条抗拉强度＜550MPa，利于拉拔；
4.采用本发明焊丝制得的熔敷金属具备较好的耐候性能；同时，熔敷金属的抗拉强度≥550MPa，伸长率≥22％。
具体实施方式
以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：
采用100t电炉炼钢经连铸制得方坯，经过高速无扭转轧机轧制得到盘条，然后经过拉丝、镀铜等工艺制得直径1.2mm的气保焊丝。焊丝钢盘条抗拉强度522MPa，制得焊丝的主要化学成分(重量百分比)为：C0.09，Si0.52，Mn1.47，P0.013，S0.007，Cr0.47，Ni1.92，Cu0.21，Ti0.008，Zr0.007，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例2：
采用100t电炉炼钢经连铸制得方坯，经过高速无扭转轧机轧制得到盘条，然后经过拉丝、镀铜等工艺制得直径1.2mm的气保焊丝。焊丝钢盘条抗拉强度538MPa，制得焊丝的主要化学成分(重量百分比)为：C0.06，Si0.45，Mn1.40，P0.010，S0.008，Cr0.50，Ni2.81，Cu0.38，Zr0.005，余量为铁及不可避免的杂质。
以Ar+5％CO2气体作为保护气体，焊接参数为电流：315±5A，电压：30.5±1V，焊接速度：33cm/min，进行熔敷金属试验，所得熔敷金属的力学性能见表1。
表1实施例焊丝熔敷金属的力学性能
对熔敷金属进行耐候试验，选取普通结构钢SM490A作为参照钢，并选取耐候集装箱板SPA-H同时进行试验。采用周浸试验方法，试验条件如下：
试验溶液：0.01mol/L的NaHSO3蒸馏水溶液
试验温度：45±2℃
试验湿度：70±5％RH
每一循环周期：60min(12min湿+48min干)
试验连续进行72小时，取样吹干并干燥处理。参照钢腐蚀片表面呈土黄色，锈层疏松易脱落，除锈后凹坑明显，表面不平整；SPA-H及实施例熔敷金属的腐蚀片表面成灰黑色，锈层致密不易脱落，表现出良好的耐候性能，除锈后SPA-H及实施例熔敷金属的腐蚀片表面平整，未见明显下陷的凹坑，其耐候性能较均匀。称重并计算相对腐蚀失重率，试验结果见表2。结果表明实施例焊丝熔敷金属和SPA-H具有相当的耐候性能，能够满足耐候性能要求。
表2实施例焊丝的耐蚀性能
| 相对腐蚀失重率 | |
| SM490A(参照钢) | 1 |
| SPA-H | 0.52 |
| 实施例1 | 0.54 |
| 实施例2 | 0.51 |
以Ar+5％CO2气体作为保护气体，焊接参数为电流：330±5A，电压：29±1V，焊接速度：33cm/min，进行焊接接头试验。试验母材为30mm厚的耐候桥梁钢Q460qENH，其化学成分和力学性能见表3。对接头进行力学性能试验，其结果见表4。接头焊缝金属主要由细小的针状铁素体组成，晶界铁素体含量少，且其尺寸小；粗晶区组织主要由贝氏体组成，且原奥氏体尺寸较小；以上显微组织构成保证了焊缝区及粗晶区都具有较高的低温韧性。对焊缝金属和母材钢板Q460qENH进行电化学试验，将焊缝金属和母材分别取样、冷镶、打磨并抛光，在0.01mol/L的NaHSO3蒸馏水溶液中稳定后测试其腐蚀电位：母材-553毫伏，实施例1焊缝金属-561毫伏，实施例2焊缝金属-548毫伏。焊缝与母材的腐蚀电位差异不明显，说明由实施例焊丝制得的焊缝具有与母材相当的耐候性能。力学实验和电化学试验表明实施例1和实施例2焊丝焊接的接头综合性能能够满足耐候钢材的焊接技术条件。
表3Q460qENH的化学成分(wt.％)和力学性能
| C | Si | Mn | P | S | YS(MPa) | UTS(MPa) | E1.(％) |
| 0.06 | 0.2 | 1.49 | 0.010 | 0.008 | 475 | 570 | 25 |
| Ni | Cr | Cu | Nb | Ti | vE-40(J) | vE-60(J) | |
| 0.23 | 0.45 | 0.23 | 0.07 | 0.016 | 180 | 153 |
表4Q460qENH焊接接头的力学性能
Claims (1)
1.一种低温韧性优异的耐候气保焊丝，其成分按重量百分比计为：C0.05～0.10，Si0.20～0.60，Mn1.20～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Cr0.20～0.60，Ni1.8～3.5，Cu0.10～0.50，还包含Ti0～0.01，Zr0～0.01中的一种或者两种，余量为铁及不可避免的杂质。
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