CN111037155B

CN111037155B - 一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂

Info

Publication number: CN111037155B
Application number: CN201911410257.3A
Authority: CN
Inventors: 韦性竹; 何秀; 陈建雄
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111037155A

Abstract

本发明涉及焊材技术领域，具体公开了一种850MPa级耐候高强钢配套焊剂及其生产和使用方法，该焊剂由多种矿石原料和少量合金粉料混合而成，包括萤石：(17～33)％；镧系稀土：(0.1～0.5)％；锆英砂：(16～21)％；锰铁合金：(2.5～4)％；电熔镁砂：(20～37)％；天然硅灰石：(2～9)％；铝矾土：(12～26)％；固体水玻璃：(2～4)％的主要成份及粘结剂，将主成份按比例混合均匀后加入粘结剂(20‑21.5)％造粒，再经(200‑230)℃低温烘焙、(680‑730)℃高温烧结、筛分，得到碱度为2.8‑3.0、目数为20～50目的本发明焊剂制品。使用时配合专用焊丝，所得熔敷金属化学成分为C≤0.10％；Mn：(1.0‑2.2)％；Si:≤0.60％；S≤0.015％；P≤0.020％；Cr≤0.60％；Mo：(0.20‑0.60)％；Ni：(2.00‑3.30)％；Cu≤0.25％；余量为Fe元素。

Description

一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂

技术领域

本发明属于焊材技术领域，具体涉及850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂。

背景技术

焊接钢桥已展现出向大跨距、高钢级发展的趋势。国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项中的“高性能桥梁用钢应用技术研究及示范工程应用”(2017YFB0304800)项目之课题五，本课题主要目标之一：研制开发屈服强度690MPa级低屈强比耐候桥梁钢板及其配套焊材(Q690qENH钢板的理论抗拉强度为Rm≥810MPa)。在实际中研发中，考虑到新研发的Q690qENH钢板生产中因其厚度差异容易出现拉伸强度波动，尤其是薄板的实际抗拉强度可能达到850MPa甚至更高。基于大桥建造的施工，对焊接材料熔敷金属强度需要求与Q690qENH钢板的实际强度实现等强度匹配，以获得更好的焊接接头综合性能，然而目前Q690qENH钢板用的埋弧焊焊剂焊接后的熔敷金属的强度的抗拉强度在810MPa左右，与850MPa的Q690qENH钢板强度不匹配。

而对于钢材而言，随着钢中合金元素的增加，强度级别也相应的提高，钢的焊接性却逐渐变差，尤其是800～1000MPa级别的高强钢，强度的轻微增加对焊接性的都会有较大的影响。

专利CN201910005188.1公开了一种桥梁用800MPa耐候高强钢配套焊剂及其制备方法，但由于850Mpa高强钢与800MPa高强钢的焊接性存在较大差异：(1)850Mpa高强钢在热影响区的淬硬倾向更明显，冷裂纹、热裂纹敏感性较大、粗晶区脆化；(2)850MPa高强钢成型存在强度高、结构应力大、回弹大、成型精度低等缺点，加之建造地域广、工况条件差、工艺条件控制难度大，增加了焊接缺陷产生的倾向；因此不能直接将800高强钢的焊剂应用在850Mpa高强钢上。并且由于桥梁中使用到的钢结构的体积较庞大，使得在焊接之前不易实现预热、在焊后进行消氢处理存在一定的操作难度，往往温度无法达到预期的预热、后热温度。而目前多数焊剂在使用时，需要对母材进行预热和焊后消氢处理，但如果母材预热处理和焊接后消氢处理不充分，会导致焊缝存在强度低、低温韧性差、耐候性差、较高的裂纹敏感性等缺点，影响桥梁结构的整体质量。

目前，对于850Mpa的Q690qENH钢板还没有专用的埋弧焊剂，现有的埋弧焊剂也不能直接用于焊接。

发明内容

本发明的目的在于：解决上述现有技术中的不足，提供一种850MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，该焊剂结合850MPa母材Q690qENH成分设计了一种高导电性CaF2-Si02-CaO渣系，配合专用焊丝焊接母材进行合金过渡，既能在焊接时承受大线能量焊接，并且焊后的焊缝金属具有与所用抗拉强度Rm≥850MPa的耐候高强钢本体相近的强度，抗拉强度达到860-910MPa，能与母材钢板冶炼过程中出现的各种强度进行匹配，熔敷金属具有低S、低P、超低氢、高韧性、良好的抗腐蚀性、低裂纹敏感性等优良性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种850MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：以质量分数计包括以下组份；

萤石：(17～33)％；镧系稀土：(0.1～0.5)％；锆英砂：(16～21)％；锰铁合金：(2.5～4)％；电熔镁砂：(20～37)％；天然硅灰石：(2～9)％；铝矾土：(12～26)％；固体水玻璃：(2～4)％。

进一步的，以质量分数计包括以下组份；

萤石：22％；镧系稀土：0.5％；锆英砂：17.0％；锰铁合金：2.5％；电熔镁砂：37.0％；天然硅灰石：5.0％；铝矾土：12.0％；固体水玻璃：4.0％。

进一步的，以质量分数计包括以下组份；

萤石：30.0％；镧系稀土：0.4％；锆英砂：16％；锰铁合金：3.0％；电熔镁砂：24.0％；天然硅灰石：4.0％；铝矾土：20.6％；固体水玻璃：2.0％。

进一步的，以质量分数计包括以下组份；

萤石：17％；镧系稀土：0.2％；锆英砂：21％；锰铁合金：3.8％；电熔镁砂：20.0％；天然硅灰石：9.0％；铝矾土：26.0％；固体水玻璃：3.0％。

进一步的，以质量分数计包括以下组份；

萤石：33％；镧系稀土：0.1％；锆英砂：19.0％；锰铁合金：4.0％；电熔镁砂：23.0％；天然硅灰石：6.9％；铝矾土：12.0％；固体水玻璃：2.0％。

一种850MPa耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：将所述各组份混合均匀，再加入组份总量20-21.5％低浓度的粘结剂后，搅拌均匀，使粉末状原材料结合成颗粒状；S2:造粒；S3:于200-230℃低温烘烤40min；S4:采用20目筛网筛出较大颗粒，破碎大颗粒；S5:680-730℃高温烧结40min，采用50目筛网筛除较细颗粒后，制得所述焊剂。

进一步的，所述焊剂的颗粒为20～50目。当焊剂的颗粒度太大，覆盖后焊剂颗粒间隙过大，对电弧氛围的保护不够容易受空气的影响，故选20目筛网，筛除大颗粒的焊剂；颗粒度太小，或者细粉过多，焊接时透气性不好，焊接时产生的气体不易排出，容易产生压坑等缺陷，故选择50目筛网来筛除细粉。

进一步的，所述焊剂的碱度为2.8-3.0。

进一步的，所述粘接剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。

一种熔敷金属，由上述850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，配合焊丝焊接而得，所述熔敷金属以质量分数计包括以下组份；

C≤0.10；Mn：1.0-2.2；Si:≤0.60；S≤0.015；P≤0.020；Cr≤0.60；Mo：0.20-0.60；Ni：2.00-3.30；Cu≤0.25；余量为Fe元素。

在本发明的焊剂中，萤石是碱性氟化物，起到造渣、稀释、去氢的作用，是降低的焊缝的扩散氢的主要材料，可增加焊剂的碱性，提高焊缝的韧性，有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性；萤石的是高电离物质，可提高电弧导电性，焊接时在电弧作用下电离出F-，可降低电弧气氛中氢的分压和熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度。本发明焊剂中加入(17～33)％的萤石，含量能起到稳定电弧的作用，含量超过33％则会导致电弧不稳并产生有毒气体NaF和KF，熔渣变硬，交流可焊性变差。

锆英砂具玻璃光泽，性脆，加热至1530℃分解为酸性氧化物二氧化锆和二氧化硅，在熔渣中主要起造渣的作用，可改善脱渣性能，二氧化锆：二氧化硅≈2:1。本发明焊剂中，二氧化锆代替部分二氧化硅加入，能有效降低焊剂碱度，提高焊剂的熔点和粘度，使电弧稳定燃烧，改善焊缝成型；降低焊缝金属表面裂纹率，改善焊接结构的质量。在本发明焊剂中，结合850MPa级耐候高强钢的特点，为了得到良好的工艺和机械性能，将锆英砂的含量控制在(16～21)％。

萤石和锆英砂一起加入，锆英砂的硬度为7.5，硬度较高，可降低高温时熔渣的粘度，也使熔渣的硬度提高；萤石因受热生成F-，在高温的电弧气氛中，能促使锆英砂中的二氧化硅晶体在较低的温度下发生晶形转变，体积膨胀达4.7％，使晶体结构疏松，增加表面裂缝，从而使生成的熔渣硬而脆，焊后冷却时，熔渣膨胀，因比表面积增大而自行崩裂，对脱渣有良好的作用，便于大厚板深窄间隙焊道的焊接。

本发明的焊剂中，采用经电熔炉在约1500℃温度下熔炼的电熔镁砂，经电熔炉提炼的镁砂具有超低的S、P，保证焊缝熔覆金属低S、P的特点。电熔镁砂是作为造渣材料，对焊缝形状的控制非常重要，对于本发明中CaF₂-Si0₂-CaO的碱性渣系，电熔镁砂能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢。但因熔点较高，焊接时熔渣粘度急剧增大，熔渣由长渣变短渣，熔渣熔化温度和凝固温度提高，抑制渣的流动性使焊缝成形变差，摊开性不好，焊道中央凸起，熔渣变硬，脱渣困难。在本次发明中，为了保证焊缝性能，将MgO加入量控制在(20-37)％。

天然硅灰石是碱性氧化物，以梨树地区产品为例，晶粒为长条羽毛状，根据矿场的不同晶粒长度略有差异，因其晶粒特点，在高温烘焙焊剂成型时，焊剂各组分以天然硅灰石为媒介，紧密的结合在一起在，能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能。本焊剂发明中加入量控制在(2～9)％。

铝矾土是两性氧化物，在本发明焊剂渣系中呈酸性，具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂。通过大量的试验对比，增加一定量的铝矾土可减少压坑及产生压坑的倾向，但过高的铝矾土含量会使焊缝弧度更尖且不平滑，易产生气孔和麻点，渣壳变硬，铝矾土含量过低又使焊缝表面凹凸不平，出现压坑及咬边等缺陷，影响焊缝成形，因此将铝矾土的添加量控制在(12～26)％。

在本发明的焊剂中，锰铁合金含量在(2.5-4.0)％。锰的加入可提高焊缝的强度和低温冲击韧性，被还原的锰与S反应生产[MnS],降低焊缝中S含量，减少热裂纹的产生；在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响。

水玻璃中含有大量电离电位较低的Na₂O和K₂O，适量的含量能提高电弧稳定性，并增加焊剂碱度。本发明焊剂中，固体水玻璃的含量大于4％时，焊缝中[H]含量有增加的趋势，同时电弧过长对操作不利，因此将焊剂中固体水玻璃含量控制在(2～4)％。

镧系稀土作为活性剂，对焊缝金属有净化作用，能改善焊缝组织和细化晶粒，改变夹杂物的形态、大小和分布，具有脱氧、脱氢、脱硫的作用，能降低焊缝金属中的有害元素含量，提高焊缝金属低温冲击韧性，但是加入过少或过量，有效作用变差比较明显。本发明的焊剂中控制在(0.1～0.5)％为最佳。

本发明的有益效果是：

1、桥梁用850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂目前尚为空白。因桥梁钢结构的重量与体积庞大，在焊接前不便预热，焊后不便消氢处理，且施焊时不同程度存在焊接电弧不稳，焊道窄，焊道表面中心凸起，焊缝成形较差，脱渣性能不好等弊病，且很难使焊接工艺性能和机械性能以及工程实际的可操作性同时达到最佳。本发明焊剂解决了以上难点，不仅具有良好的工艺性能，且具有良好的塑韧性。

2、本发明设计了一种高导电性CaF2-Si02-CaO渣系，其碱度约2.8-3.0。通过改变熔渣的硬度、渣壳的微观组成方式以及粘度、熔点等，改善渣的流动性和渣壳的脱渣性，并对焊缝表面的抗裂纹敏感性形成好的影响；对熔敷金属进行微合金化，使熔敷金属晶粒细化，提高塑韧性；焊剂中加入镧系稀土，细化焊缝金属的晶粒，减少了晶界边缘低熔点物质的凝聚，降低S、P等有害元素含量，得到的焊剂结晶水含量少，扩散氢较低。

3、本发明的焊剂配合专用焊丝焊接850Mpa级耐候高强钢时，通过使用合理的焊接工艺，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低，承受(15-30)KJ/cm范围的热输入，焊接后的焊接接头抗拉强度(860-910)Mpa，屈服强度(727～770)Mpa，延伸率(17～22)％，-40℃冲击功KV2≥120J，硬度HV10(330～370)，试验的所有弯曲试样在弯曲角度为180°，弯曲直径为4倍壁厚条件下全部合格；熔敷金属具有优异的耐候性能，耐候指数为10～13，具有低裂纹敏感性、较低的屈强比和良好的耐候性，且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足桥梁用钢对焊缝性能的要求，为850MPa级耐候高强钢实际安装提供了质量保证。

具体实施方式

依照本发明中焊剂的成分范围，以及本发明中制备焊剂的方法，取表1的组份含量，并按照下面所述实施例1-4所述方法制备焊剂。

表1实施例1-4及对比列的焊剂组分含量

实施例1：

按上表1中的实施例1组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入20％水玻璃搅拌混合，使各种粉末状原材料混合形成颗粒，造粒，再经200℃低温烘烤、700℃高温烧结、筛分，即得到碱度为3.0的焊剂1号。

实施例2：

按上表1中的实施例2的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入21％钠水玻璃混合，造粒，将得到的颗粒经230℃低温烘烤、730℃高温烧结、筛分，得碱度为2.9的焊剂1号。

实施例3：

按上表1中的实施例3的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入21.5％钠水玻璃混合造粒，再经220℃低温烘烤、680℃高温烧结、筛分，即得碱度为3.0的焊剂3号。

实施例4：

按上表1中的实施例4的组份含量，将各原料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入21％钠水玻璃混合造粒，再经210℃低温烘烤、710℃高温烧结、筛分，即得碱度为2.8的焊剂4号。

对比例：

按照上述表1中的组份含量，采用实施例1相同的制备方法，制备出相应的焊剂。

实验例：

试验试板为25mm厚的850MPa桥梁用钢板Q690qE母材。将上述实施例1-4制备的焊剂以及对比例制备的焊剂，配合专用埋弧焊丝XY-S80QNH进行焊接试验，所述专用焊丝成份(按重量百分比计)为：C 0.077％、Mn 1.86％、Si 0.30％、S 0.003％、P 0.006％、Cr0.42％、Ni 3.0％、Mo 0.31％、Cu 0.02％、Ti 0.003％、Al 0.015％，余量为Fe的焊丝组合。

实施例1-4制备的焊剂，焊接时焊接工艺优良，脱渣容易，焊缝成型美观、直线度良好，无压坑、夹渣、气孔、裂纹等缺陷。

对比例制备的焊剂，在焊接时工艺不佳：因萤石过高，[HF]分压增大，造成电弧不稳，焊道表面波纹粗大有弧度尖，脱渣变差，在坡口中焊接出现鼓包、焊瘤情况；又因锆英砂含量较多，渣壳的硬度较大，在坡口中焊接，焊渣不易敲碎容易卡在坡口中，操作困难焊接效率低；锰合金含量低，焊缝强度不能达到设计要求，且熔池脱氧不足，焊缝表面被氧化呈现蓝色，脱S不足，熔敷金属S含量增加，裂纹敏感系数CTOD值较低，抗开裂性能越差。

按相关国家检测标准，分别对焊缝进行性能检测，得到如下表2和表3所示的试验结果：

表2实施例1-4及对比例的熔敷金属化学成分检测结果(质量分数)％

	C	Mn	Si	S	P	Cr	Mo	Ni	Cu
										实施例1	0.056	1.54	0.31	0.0027	0.012	0.42	0.24	2.98	0.07
实施例2	0.046	1.61	0.28	0.0016	0.009	0.42	0.20	2.89	0.06
										实施例3	0.052	1.76	0.29	0.0017	0.009	0.47	0.27	3.05	0.06
实施例4	0.046	1.80	0.32	0.0022	0.009	0.48	0.24	3.12	0.07
										对比例	0.053	1.23	0.32	0.0041	0.012	0.47	0.25	3.14	0.06

表3实施例1-4以及对比例的力学性能检测结果

在上表3中，抗拉强度是指焊接接头的抗拉强度，硬度是指焊缝的硬度。

弯曲试验：横向面、背弯和侧弯，弯曲角度为180°，弯曲直径为4倍壁厚。

本说明书所述各项实施例中，25mm厚试板焊前无需预热、焊后无需消氢处理，并且在4组焊接实验中，焊接时电弧稳定、脱渣性好，焊缝性能稳定，S、P、杂质含量、扩散氢含量低，有良好的抗腐蚀性、抗裂性和耐候性。而对比例的焊剂因萤石过高，[HF]分压增大，造成电弧不稳，焊道表面波纹粗大有弧度尖，脱渣变差，在坡口中焊接容易出现鼓包、焊瘤情况。对比例的焊剂的焊接工艺较差，无法进行试板焊接。

本发明的焊剂焊接后的焊缝具有与850MPa级耐候高强钢本体相近的高强度、高韧性、扩散氢含量低、良好的抗腐蚀性及较低的硬度等特点；适用于大线能量焊接,得到焊缝成形美观，无顶部夹渣的健全的高韧性的焊缝金属；经裂缝尖端开口位移试验，焊缝和热影响区有较高的CTOD值，抗脆性断裂性能较好。

Claims

1.一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：以质量分数计包括以下组份；

萤石：22％；

镧系稀土：0.5％；

锆英砂：17.0％；

锰铁合金：2.5％；

电熔镁砂：37.0％；

天然硅灰石：5.0％；

铝矾土：12.0％；

固体水玻璃：4.0％。

2.一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：以质量分数计包括以下组份；

萤石：30.0％；

镧系稀土：0.4％；

锆英砂：16％；

锰铁合金：3.0％；

电熔镁砂：24.0％；

天然硅灰石：4.0％；

铝矾土：20.6％；

固体水玻璃：2.0％。

3.一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：以质量分数计包括以下组份；

萤石：17％；

镧系稀土：0.2％；

锆英砂：21％；

锰铁合金：3.8％；

电熔镁砂：20.0％；

天然硅灰石：9.0％；

铝矾土：26.0％；

固体水玻璃：3.0％。

4.一种850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，其特征在于：以质量分数计包括以下组份；

萤石：33％；

镧系稀土：0.1％；

锆英砂：19.0％；

锰铁合金：4.0％；

电熔镁砂：23.0％；

天然硅灰石：6.9％；

铝矾土：12.0％；

固体水玻璃：2.0％。

5.一种如权利要求1-4任一所述的850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将所述各组份混合均匀，再加入组份总量20-21.5％的粘结剂，搅拌均匀；

S2:造粒；

S3:于200-230℃低温烘烤40min；

S4:采用20目筛网筛出较大颗粒，破碎大颗粒；

S5:680-730℃高温烧结40min，采用50目筛网筛除较细颗粒后，制得所述焊剂。

6.根据权利要求5所述的850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的制备方法，其特征在于：所述焊剂的颗粒为20～50目。

7.根据权利要求5所述的850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的制备方法，其特征在于，所述焊剂的碱度为2.8-3.0。

8.根据权利要求5所述的850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。

9.一种熔敷金属，其特征在于，由权利要求1-4任一所述的850MPa级耐候高强钢配套埋弧焊焊剂，配合焊丝焊接而得，所述熔敷金属以质量分数计包括以下组份；

C≤0.10；

Mn：1.0-2.2；

Si:≤0.60；

S≤0.015；

P≤0.020；

Cr≤0.60；

Mo：0.20-0.60；

Ni：2.00-3.30；

Cu≤0.25；余量为Fe元素。