CN109175779B

CN109175779B - 一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝

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Publication number: CN109175779B
Application number: CN201811239052.9A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 连明洋; 孟迪; 王靖博; 王瑞娟; 陈志民
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109175779A

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝。药芯焊丝由冷轧钢带包裹药芯粉制成，药芯粉占焊丝总质量的15%~18%。药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.0%~1.5%，Cr 1.2%~2.2%，Nb 0.2%~0.3%，Ni 2.0%~3.0%，Ti 0.1%~0.2%，FeSi45硅铁粉3.5%~6.0%，ZrF₂ 1.8%~3.0%，Cu 1.0%~1.5%，Mn 6.5%~7.8%，余量为铁粉。本发明药芯焊丝的制备方法简单，焊缝熔敷金属具有较高的抗拉强度和下屈服强度，屈强比小，低温时的冲击韧性满足使用要求，且耐大气腐蚀性能强。

Description

一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，更具体的是涉及一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝。

技术背景

药芯焊丝是一种新的焊接材料，也称为管状焊丝，目前可用于自动焊、半自动焊、气体保护焊，药芯焊丝可以通过调整药粉的合金成分种类和比例，很方便地设计出各种不同用途的焊接材料，因为其合金成分可灵活方便的调整，焊缝金属质量好，与母材的适应性强，焊接生产效率高。

我国的桥梁用钢经历了一个比较漫长的发展过程，建设完工的桥梁所使用钢板的屈服强度从235MPa到345MPa再到370MPa级别逐渐发展到420MPa级别。桥梁用钢除了要有高的抗拉强度，还要求有一定的屈强比；屈强比愈小，结构抗破坏的潜在能力愈强，一旦超载，也能由于塑性变形被及早发现而不致发生毁灭性破坏。另外，耐大气腐蚀要求也是衡量桥梁钢的焊缝熔敷金属是否合格的重要指标。

我国2015年开工建设的沪通大桥采用的屈服强度级别为500MPa的新一代桥梁钢Q500qE，该材料的屈强比与其塑性、疲劳裂纹扩展速率、低应力循环性能和断裂韧性关系不大，延伸率在20%以上，具有良好的塑性和较好的止裂能力以及对应力集中的再分配能力。另外，Q500qE高性能桥梁钢母材韧脆转变温度比Q370qE和Q345qD桥梁钢大大降低，具有良好的低温冲击韧性，焊缝金属韧脆转变温度与Q370qE桥梁钢焊缝相当。随着温度的降低，Q500qE母材的断裂韧性在温度降至－40℃以下后，有较大幅度的降低。铁路钢桥5种典型构造细节的疲劳试验表明，Q500qE高性能钢与目前普遍使用的Q370qE桥梁钢对比，其典型构造细节的疲劳强度都略有提高，Q500qE高性能钢的疲劳性能能够满足铁路钢桥的要求（“500MPa级高性能钢(Q500qE)在铁路钢桥中的应用研究”，田越，中国铁道科学研究院，2010年）。

焊接材料与母材的匹配，其强度、韧性、化学成分对于焊接效果非常重要，现有技术中对桥梁钢Q500qE配套的药芯焊丝研究开发的很少。

国家技术监督局于2015年9月11日发布了新标准GB/T 714－2015《桥梁用结构钢》（2016年6月1日实施）代替了GB/T 714－2008，其中最主要的改动是对低温冲击吸收能量值（KV₂）值进行了大幅度的调整，将原来－40℃时的KV₂值由47J提高到120J，而且在附录B中增加了推荐的屈强比（Q345q、Q370q、Q420q均不大于0.85，Q460q~Q690q协议，即可参照0.85执行），在附录C中提出了利用钢的化学成分预测钢的耐腐蚀性指数I的计算公式，按ASTM相关标准钢材有较好的耐大气腐蚀性指数值I应不小于6.0。

中国专利CN104588919B公开了一种高强度桥梁钢Q500qE配套药芯焊丝，是采用钛型渣系制备的焊丝，焊丝具有良好的工艺性能，通过在药芯成分中加入Ni、Cr、Cu和Sb使熔敷金属力学性能和耐腐蚀性能符合要求。但该专利申请日为2014年12月1日，按其权利要求生产的焊丝得到的结果已不符合新国家标准的规定，主要表现在其实施例1，2，3中的－40℃时的KV₂值（测试3个试样）分别为“101J、105J、102J”，“98J、93J、104J”，“112J、100J、105J”，这一点不符合2015年新标准的规定（≥120J）；另外实施例1，2，3中的屈强比分别为0.87、0.86、0.87，已高出新标准的推荐值（≤0.85）；还有，该专利并没有通过钢的耐腐蚀性指数计算公式计算钢材的耐大气腐蚀性指数值I，现通过计算其实施例1，2，3对应三个值I分别为7.149、3.790、5.699，只有实施例1符合ASTM相关标准要求（I≥6.0），实施例2和3的I值与要求有一定差距，说明其熔敷金属的耐腐蚀性能并不理想。

中国专利CN105772983B公开了一种高强度桥梁钢Q500qE配套药芯焊丝及其制备方法，其申请日为2016年1月18日，是在新的国家标准已公布但未实施的期间内，其权利要求中对合金元素进行了规定并对原材料的质量及纯度进行了严格控制。在说明书中第0024段说明得到的是“耐磨堆焊药芯焊丝”，与其有益效果（说明书中第0028段）中说明的“熔敷金属力学性能和熔敷金属耐腐蚀性能满足桥梁钢Q500qE的焊接要求”没有一致性；另外，具体实施方式中并未列出实施例得到的下屈服强度值及抗拉强度值，也就无法计算其屈强比是否符合新的国家标准“不大于0.85”的推荐要求，而对新的国家标准中大幅提高的－40℃时的KV₂值（最小值由47J提高到120J）也未提及，更没有按钢的耐腐蚀性指数计算公式计算钢材的耐大气腐蚀性指数值I。综合以上，该专利基本仍按GB/T 714－2008进行的设计及实验。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，该药芯焊丝的熔敷金属化学成分、力学性能和耐腐蚀性能可以满足桥梁钢Q500qE的焊接要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.0%~1.5%，Cr 1.2%~2.2%，Nb 0.2%~0.3%，Ni 2.0%~3.0%，Ti 0.1%~0.2%，FeSi45硅铁粉3.5%~6.0%，ZrF₂ 1.8%~3.0%，Cu 1.0%~1.5%，Mn 6.5%~7.8%，余量为铁粉。

所述纳米氮化硼的粒径为30~70nm。

所述FeSi45硅铁粉为雾化硅铁粉，其化学成分按质量百分比计：Si 45.0%~47.0%，Mn 0~0.7%，Cr 0~0.5%，P 0~0.04%，S 0~0.02%，余量为Fe。

所述药芯质量占药芯焊丝总质量（即填充率）的15%~18%。

所述药芯粉80目通过率为100％。

所述Cr的纯度≥99.6%，所述Nb的纯度≥99.9%，所述Ni的纯度≥99.9%，所述Ti的纯度≥99.9%，所述ZrF₂的纯度≥99.0%，所述Cu的纯度≥99.6%，所述Mn的纯度≥99.6%。

所述焊丝直径为1.2~2.8mm。

所述外皮为宽度10~14mm、厚度0.4~0.8mm的低碳冷轧钢带，钢带的化学成分中的质量百分比为：C 0~0.035%，Mn 0.2%~ 0.35%，Si 0~0.028%，S 0~0.01%，P 0~0.01%，余量为Fe；钢带的抗拉强度为220~450MPa，伸长率不小于38％。

一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，其制备步骤如下：

（1）选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制；

（2）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度150℃±5℃，干燥时间50~60min；

（3）筛粉：将干燥后的粉分别用80目筛网过筛，过筛后保存细粉；

（4）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入混粉机内，进行搅拌混合，搅拌混合后成混合药粉；

（5）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳冷轧钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤（4）得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，将其拉拔至1.2~2.8mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装即可。

本发明所述的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝中的各化学元素的设计原理为：

FeSi45雾化硅铁粉：硅除了具有很好的脱氧作用外，硅还固溶在铁素体和奥氏体中，可以提高焊缝金属的强度；同时，添加一定含量的硅还可以增加焊缝金属的流动性，使得焊丝在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能。雾化硅铁粉中的“雾化”是指在熔炼硅铁过程中用高压水雾化生产，其生产过程中杂质含量少，纯净度高。

Cr：Cr可提高熔敷金属的耐蚀性，另外还可以细化铁素体晶粒，增加金属二次组织的强韧性，但不能太高，否则会增大冷裂纹敏感性并降低韧性，本技术方案中熔敷金属中Cr的质量百分比控制在0.15%~0.40%范围内，按填充率15%~18%计算，药芯中Cr含量为Cr 1.2%~2.2%。

Nb：Nb有很好的耐蚀性，并降低碳、氧等杂质元素的含量，提高熔敷金属的耐蚀性，而且Nb还可在一定程度上提高熔敷金属的冲击韧性。

Ni：Ni可以提高熔敷金属的强度和冲击韧性，尤其是提高熔敷金属的低温冲击韧性，并降低脆性转变温度，而且Ni有极好的耐大气腐蚀能力。

Ti：Ti作为脱氧剂，可以与氧形成钛的氧化物，与碳形成碳化钛，可作为晶内二次焊缝组织的形核质点，细化晶粒，提高熔敷金属的力学性能。

纳米氮化硼：①在电弧热输入的作用下，一部分氮化硼分解为B元素和N元素，其中的B可固溶于奥氏体晶界，强化了晶界效应，抑制先共析铁素体的形核与长大，避免晶界形成晶界铁素体，而由于Ti的存在，使Ti与氧优先作用，保护B不被氧化，以保证硼的作用发挥；分解出的N元素一部分挥发，一部分固溶于铁中，形成间隙式固溶体，使熔敷金属的低温冲击韧性有显著的提高；②没有来得及分解的纳米氮化硼则作为形核质点，细化熔敷金属的晶粒，增大其强度和韧性；纳米氮化硼表面原子数目增多，比表面积大，比表面能高，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，同时纳米氮化硼表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数远大于常规材料，这一点对提高熔敷金属的冲击韧性有明显的作用。从①和②两点来看，纳米氮化硼的加入有效利用B元素和N元素来提高低温冲击韧性，未分解部分作为形核质点细化晶粒，另外由于其纳米尺寸的结构很容易与其他原子结合，就不会在熔敷金属中生成尺寸大小不均匀的夹杂物，对熔敷金属的综合力学性能尤其是低温冲击韧性的提高有显著作用。

ZrF₂：Zr可有提高熔敷金属的低温冲击韧性；焊接过程中产生的氟离子与氢反应，可以降低熔敷金属的残余氢含量，进而提高其低温冲击韧性。

Cu：提高耐蚀性，增强抗大气腐蚀性能；而当Cu的质量百分比小于0.50%时，其作用主要表现为固溶强化，本技术方案采用Cu的固溶强化作用，控制其在熔敷金属中的质量百分比为0.10%~0.30%。

Mn：Mn是增加焊缝金属强韧性的有益元素，锰含量的增加不仅有利于防止焊缝金属出现热裂纹，还有利于焊缝金属的脱氧。不过，若锰含量过高就容易导致熔敷金属出现偏析和裂纹，也容易使熔敷金属的碳当量过大，有降低焊缝金属韧性的风险。因而，本技术方案中将Mn元素在药粉中的质量百分比控制在7.8%以下，确保熔敷金属中Mn的质量百分比不大于1.8%（指碳钢药皮和药粉中的Mn共溶入熔敷金属内）。

本发明的有益效果是：①通过电弧作用下的氮化硼分解出的B和N元素强化晶界并提高低温冲击韧性；未分解的纳米氮化硼颗粒可利用其纳米结构细化晶粒并减小夹杂物的产生，进而提高熔敷金属的综合力学性能；②通过加入Nb、Ni、Cu等元素提高熔敷金属的耐腐蚀性，而且Nb、Ni可有效提高熔敷金属的低温冲击韧性；③通过添加Mn元素来提高熔敷金属的强度和韧性以及抗裂性能；④通过添加ZrF₂，利用F来进一步降低熔敷金属中的H含量，而且Zr元素也可以有效提高低温冲击韧性；⑤本发明的药芯焊丝通过在Q500qE上施焊表明：焊丝的焊接工艺性能良好、焊缝脱渣容易、成型美观，其熔敷金属化学成分、力学性能和耐腐蚀性能可满足桥梁钢Q500qE的焊接要求，屈强比≤0.83，－40℃的KV₂值大幅提高，耐大气腐蚀性指数值I≥6.415。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。

实施例1：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的15％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.5%，Cr 2.2%，Nb 0.3%，Ni3.0%，Ti0.2%，FeSi45硅铁粉5.8%，ZrF₂ 2.8%，Cu 1.45%，Mn 7.6%，余量为铁粉。

实施例2：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的15％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.8mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.35%，Cr 1.8%，Nb 0.25%，Ni 2.5%，Ti 0.15%，FeSi45硅铁粉4.5%，ZrF₂ 2.5%，Cu 1.3%，Mn 7.3%，余量为铁粉。

实施例3：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的15％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.8mm的焊丝，即本发明的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.0%，Cr 1.2%，Nb 0.2%，Ni2.0%，Ti 0.108%，FeSi45硅铁粉3.5%，ZrF₂1.8%，Cu 1.0%，Mn 6.5%，余量为铁粉。

对比例1：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的15％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝。

本对比例与实施例2药芯成分及用量除无“纳米氮化硼”外，其他完全相同。

对比例2：

首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的15％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.8mm的焊丝。

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米氮化硼”外，其他完全相同。

将实施例1、2、3和对比例1、2得到的焊丝在桥梁钢Q500qE上施焊，焊接电流为180~260A，焊接电压为20~26V，焊接速度为18mm/s，气体流量为20L/min。按GB/T 25776―2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》进行工艺性能评定，按GB/T223系列标准进行熔敷金属化学成分分析，按GB/T 2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》和GB/T 2650－2008《焊接接头冲击试验方法》进行力学性能测试，并计算屈强比及耐大气腐蚀性指数值I，其中I按下式计算：

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(%Cu)²

药芯焊丝的熔敷金属化学成分如表1所示。

药芯焊丝的熔敷金属力学性能及耐腐蚀性能如表2所示。

以上实施例及对比例表明：①本发明中未添加“纳米氮化硼”时，其他元素的合理设计满足焊缝熔敷金属的耐大气腐蚀要求，下屈服强度满足使用要求，但抗拉强度则不符合要求，而屈强比也不符合要求，低温冲击吸收能量值则低于要求值；②本发明中添加“纳米氮化硼”时，元素的合理设计满足焊缝熔敷金属的耐大气腐蚀要求，下屈服强度、抗拉强度、屈强比、低温冲击吸收能量值均符合要求。

需要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组成物成分及用量，特别是在药芯粉中添加了“纳米级氮化硼”，并确定了各组分的合理范围，通过多种元素的复合强化实现了确保使用强度的前提下，有效提高低温冲击韧性、缩小屈强比、增强耐大气腐蚀性能。特别是“纳米级氮化硼”的加入，其中的B可固溶于奥氏体晶界，强化晶界效应，抑制先共析铁素体的形核与长大，部分N固溶于铁中形成间隙式固溶体，显著提高熔敷金属的低温冲击韧性；未分解的“纳米级氮化硼”表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数增大，细化熔敷金属的晶粒，增大其强度和低温冲击韧性，提高了焊缝的综合力学性能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，其特征在于，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米氮化硼1.0%~1.5%，Cr 1.2%~2.2%，Nb 0.2%~0.3%，Ni 2.0%~3.0%，Ti 0.1%~0.2%，FeSi45硅铁粉3.5%~6.0%，ZrF₂1.8%~3.0%，Cu 1.0%~1.5%，Mn 6.5%~7.8%，余量为铁粉；所述纳米氮化硼的粒径为30~70nm，所述FeSi45硅铁粉为雾化硅铁粉，药芯粉80目通过率为100%，所述药芯质量占药芯焊丝总质量的15%~18%。

2.根据权利要求1所述的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述外皮为宽度10~15mm、厚度0.4~0.8mm的低碳冷轧钢带。

3.根据权利要求1所述的桥梁钢Q500qE焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.2~2.8mm。