Q500qE高強(qiáng)度橋梁鋼埋弧焊用YSF105Q燒結(jié)焊劑的研制

2018-06-28 01:49:46，，，，

機(jī)械制造文摘(焊接分冊) 2018年2期

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(1.錦州航星航空科技有限公司，遼寧錦州 121219；2.錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧錦州 121000；3.錦州萬得焊材有限公司，遼寧錦州121213)

0 前言

中國橋梁用鋼的發(fā)展起步較早，20世紀(jì)60～80年代開發(fā)了16Mnq，15MnVq，15MnVNq等橋梁用鋼。其中16Mnq鋼應(yīng)用廣泛，但沖擊韌性偏低。20世紀(jì)80年代九江大橋采用15MnVNq鋼，但由于采用提高強(qiáng)度的V元素，導(dǎo)致鋼板低溫沖擊韌性和焊接性能差。90年代開發(fā)了14MnNbq(Q370q)鐵路橋梁用鋼，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，可以滿足橋梁建設(shè)的要求。2007年Q420qE鋼通過原鐵道部組織的評(píng)審，并成功應(yīng)用于京滬高鐵南京大勝關(guān)長江大橋，鋼板厚度為12～68 mm。

滬通鐵路長江大橋?yàn)樗木€鐵路六車道公路合建橋梁，主航道橋采用主跨1 092 m的兩塔五跨斜拉橋方案，鐵路為四線，公路為六車道，建成后將成為世界上首座跨度超千米的公鐵兩用斜拉橋。要求采用更高強(qiáng)度的Q500qE鋼建造關(guān)鍵部位構(gòu)件，但是以往的焊接材料不能滿足其高強(qiáng)度、高韌性的要求。因此研制適應(yīng)Q500qE鋼焊接用的燒結(jié)焊劑成為重要課題。

高堿度渣系的燒結(jié)焊劑容易獲得高韌性焊縫，但要獲得高強(qiáng)度、高韌性的焊縫金屬和良好的焊接工藝性能仍具有很大的技術(shù)困難，特別是焊接厚度大于32 mm，甚至是60 mm的大厚鋼板時(shí)，由于多層多道焊接，后焊的焊道對(duì)前道焊縫起到熱處理的作用，使焊縫組織發(fā)生變化，容易造成焊縫金屬低溫沖擊吸收能量下降和接頭強(qiáng)度大幅度波動(dòng)。

因此，采用原來的埋弧焊用燒結(jié)焊劑已不能滿足高強(qiáng)度、高韌性的要求。若要滿足Q500qE鋼種的接頭強(qiáng)度，提高焊縫金屬低溫沖擊韌性是研制Q500qE高強(qiáng)度橋梁鋼埋弧焊用燒結(jié)焊劑的技術(shù)關(guān)鍵。此外，由于大跨度高強(qiáng)度橋梁鋼厚板埋弧對(duì)接焊時(shí)焊前不預(yù)熱、焊后不進(jìn)行熱處理，所以研制的燒結(jié)焊劑必須滿足在母材焊前不預(yù)熱、焊后焊縫金屬不進(jìn)行熱處理的要求。

1 技術(shù)要求

1.1 Q500qE橋梁鋼技術(shù)要求

Q500qE橋梁鋼需達(dá)到GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)，Q500qE橋梁鋼碳當(dāng)量(CEV)按成分采用式(1)計(jì)算，并符合表1規(guī)定,即

(1)

Q500qE橋梁鋼鋼材的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)(Pcm)可以代替碳當(dāng)量評(píng)估鋼材的焊接性，Pcm按式(2)計(jì)算，Pcm≤0.23，即

(2)

Q500qE橋梁鋼化學(xué)成分測量結(jié)果、碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。Q500qE橋梁鋼的力學(xué)性能測量結(jié)果如表3所示。

1.2 滬通鐵路長江大橋埋弧焊要求

1.2.1焊接工藝性能要求

采用H10Mn2NiE，H08Mn2NiE等焊絲配合YS-SJ105燒結(jié)焊劑的焊接工藝性能，在焊接過程中，熔渣的熔點(diǎn)、黏度適中，當(dāng)熔池凝固時(shí)，焊縫表面不產(chǎn)生氣體壓痕。熔渣表面張力較小，焊后脫渣容易，且焊縫邊緣過渡平穩(wěn)，表面光滑，焊縫外觀成形質(zhì)量好。

1.2.2埋弧焊焊接接頭力學(xué)性能要求

Q500qE高強(qiáng)度橋梁鋼對(duì)接埋弧焊接，焊前不預(yù)熱、焊后不進(jìn)行熱處理，其焊接接頭力學(xué)性能應(yīng)符合表3要求。

表1 Q500qE橋梁鋼的碳當(dāng)量要求

表2 Q500qE橋梁鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)、CEV和Pcm

表3 Q500qE橋梁鋼力學(xué)性能

1.2.3焊縫金屬的碳當(dāng)量、焊接冷裂紋敏感性指數(shù)和抗裂試驗(yàn)的要求

焊縫金屬的碳當(dāng)量應(yīng)小于0.46，焊接冷裂紋敏感性指數(shù)應(yīng)小于0.23。斜Y形坡口拘束抗裂試驗(yàn)和T形接頭拘束抗裂試驗(yàn)的表面和斷面裂紋率為0%。

2 燒結(jié)焊劑配方設(shè)計(jì)

2.1 燒結(jié)焊劑渣系確定

為了保證熔敷金屬具有良好的低溫沖擊韌性，采用高堿度氟堿型渣系。這種渣系含有大量的堿性氟化物和氧化物，如CaF2，MgO，CaO等，在焊接過程中，有利于凈化焊縫金屬，降低S，P雜質(zhì)含量；減少合金元素的燒損，有利于向焊縫金屬中過渡合金元素；高堿度的渣系，降低焊縫金屬的氧含量，低溫狀態(tài)下容易得到高韌性的焊接接頭。

為了保證良好的電弧穩(wěn)定性、脫渣性能、焊縫成形等性能，采取在焊劑中添加K2O，Na2O等低電離電位堿性氧化物；調(diào)整離子鍵的組分(FeO，MnO，CaO，MgO，Al2O3)與極性鍵組分(TiO2，SiO2)的比例，降低熔渣的表面張力；調(diào)整熔渣的高溫狀態(tài)的黏度，使焊縫成形美觀、過渡平滑、無咬邊等表面缺陷。

添加SeO2，SeO2是表面活性氧化物，改變液態(tài)金屬的表面性質(zhì)，使氫難以進(jìn)入液態(tài)金屬，從而降低了熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量，改善焊縫低溫沖擊韌性和降低裂紋敏感性。

2.2 焊劑組成的選擇及其作用

CaF2：36%～38%，CaF2是不可缺少的造渣成分，具有提高焊劑堿度、稀釋熔渣、降低熔渣熔點(diǎn)的作用，同時(shí)能顯著降低熔敷金屬中氧含量和降低熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。焊劑中的CaF2含量小于36%時(shí)，由于形成焊接熔渣量不足，熔渣的熔點(diǎn)過高，流動(dòng)性差，焊道的外觀形狀惡化，同時(shí)無法起到降低焊縫金屬中氧含量和降低熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的效果。另一方面，焊劑中CaF2含量大于38%時(shí)，電弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生斷弧現(xiàn)象。熔渣的流動(dòng)性大，容易造成焊縫成形不整齊。因此，焊劑中CaF2含量控制在36%～38%范圍內(nèi)。CaF2以螢石或者冰晶石等形式添加。

MgO：13%～15%，MgO是不可缺少的造渣成分，具有提高焊劑堿度、顯著降低熔敷金屬中氧含量的作用。MgO的熔點(diǎn)高達(dá)2 800 ℃，給與焊劑耐高溫性，大熱輸入焊接時(shí)，是保證焊縫成形的重要成分。較大熱輸入焊接時(shí)，焊縫形狀穩(wěn)定。焊劑中的MgO含量小于13%時(shí)，由于形成焊接熔渣量不足，焊道的外觀形狀惡化。焊劑中MgO含量大于15%時(shí)，熔渣的表面張力增大，熔渣的黏度提高，焊道根部的熔渣擠壓熔融金屬，焊道呈蛇形。因此，焊劑中MgO含量控制在13%～15%范圍內(nèi)。MgO的原料以重?zé)V砂形式添加。

CaO：1%～3%，CaO是提高焊縫金屬韌性的堿性造渣成分。具有提高焊劑堿度、顯著降低熔敷金屬中氧含量的作用。CaO小于1%時(shí)，堿性熔渣量不足，焊道的外觀形狀惡化，同時(shí)得不到降低熔敷金屬中氧含量的效果。另一方面，焊劑中CaO含量大于3%時(shí)，熔渣的密度和表面張力增大，熔渣流動(dòng)性差，焊道形狀不好，脫渣性能下降。因此，焊劑中CaO含量控制在1%～3%范圍內(nèi)。CaO的來源于大理石、硅灰石等。

Na2O/K2O：1%～2%，Na2O或K2O具有穩(wěn)定電弧的作用。焊劑中的Na2O或K2O的合計(jì)小于1%時(shí)，電弧不穩(wěn)定，焊道凸凹不平；焊劑中的Na2O或 K2O的合計(jì)大于2%時(shí)，焊劑耐吸潮性下降，容易產(chǎn)生麻坑或壓痕。因此Na2O，K2O含量合計(jì)為1%～2%。Na2O或K2O的主要來源是鉀長石以及粘結(jié)劑的鈉水玻璃、鉀鈉水玻璃。

Al2O3：27.5%～29%，Al2O3是改善粘渣的必要成分。Al2O3的分解壓比FeO小，屬于相對(duì)穩(wěn)定的氧化物，不提高熔敷金屬氧含量。Al2O3是熔點(diǎn)為2 050 ℃的高溫耐火材料，是焊劑在大熱輸入條件下保證焊縫成形的重要成分。焊劑中Al2O3含量小于27.5%時(shí)，大熱輸入焊接時(shí)，焊后焊道粘渣，焊縫成形不好。焊劑中Al2O3含量大于29%時(shí)，焊縫窄，呈凸?fàn)詈缚p，與母材熔合不好，產(chǎn)生夾渣。因此，焊劑中的Al2O3含量控制在27.5%～29%范圍內(nèi)。Al2O3主要以氧化鋁、鋁礬土、焦寶石等形式添加。

SiO2：14%～18%，SiO2是獲得良好工藝性能的必要成分。但是SiO2是具有降低熔渣堿度、提高熔敷金屬氧含量作用的成分。焊劑中SiO2含量小于14%時(shí)，焊縫成形不好，焊接工藝性能不理想。焊劑中SiO2含量大于18%時(shí)，降低焊劑的堿度，提高熔敷金屬中的氧含量，降低熔敷金屬的韌性。因此，焊劑中的SiO2含量控制在14%～18%范圍內(nèi)。SiO2以硅灰石、焦寶石等形式添加以及粘結(jié)劑帶入。

SeO2：0.5%～1.0%，SeO2是表面活性氧化物，添加SeO2改變液態(tài)金屬的表面性質(zhì)，使氫難以進(jìn)入液態(tài)金屬，從而降低了熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量。SeO2的添加量在：0.5%～1.0%為宜，低于0.5%時(shí)，效果不明顯，超過1.0%時(shí)，造成焊縫成形不好。

根據(jù)焊劑的性能要求經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，確定了焊劑的配方。焊劑的配方見表4。

2.3 焊劑具體實(shí)施方案

詳細(xì)的YSF105Q燒結(jié)焊劑實(shí)施配方有3種，各種化學(xué)組成、焊劑的堿度(按照國際焊接學(xué)會(huì)推薦的堿度公式計(jì)算)。見表5。綜合考慮焊縫金屬低溫沖擊韌性和焊接工藝性能，最后選定F1編號(hào)作為生產(chǎn)的配方。

表4 燒結(jié)焊劑的配方范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表5 YSF105Q燒結(jié)焊劑實(shí)施配方

3 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

3.1 YSF105Q燒結(jié)焊劑與焊絲組合的焊接工藝性能

使用研制的F1～F3 YSF105Q燒結(jié)焊劑配合H10Mn2NiE焊絲在焊接過程中性能均良好，均可達(dá)到焊接工藝的性能要求。焊接過程中電弧穩(wěn)定。熔渣的熔點(diǎn)和黏度適中，當(dāng)熔池凝固時(shí)，焊縫表面不產(chǎn)生氣體壓痕，具有良好的焊縫成形。熔渣表面張力較低，焊后脫渣容易，且焊縫邊緣過渡平穩(wěn)，表面光滑,均無咬邊現(xiàn)象。焊縫外觀成形質(zhì)量好，具有良好的焊接工藝性能，如圖1所示。

圖1 焊縫表面形貌

3.2 焊接接頭的化學(xué)成分及力學(xué)性能

采用H10Mn2NiE焊絲配合研制F1的YSF105Q燒結(jié)焊劑進(jìn)行大跨度高強(qiáng)度、板厚32～60 mm的滬通鐵路長江大橋等高強(qiáng)度Q500qE橋梁鋼對(duì)接埋弧焊焊接。Q500qE母材厚度組合及焊接規(guī)范見表6。接頭形式如圖2所示。

圖2 接頭形式

3.2.1焊縫金屬化學(xué)成分及碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)

焊縫金屬化學(xué)成分及碳當(dāng)量和焊接裂紋敏性指數(shù)如表7所示。從表7中可以看出，焊縫金屬的碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)均滿足母材和橋梁設(shè)計(jì)要求。

表6 Q500qE母材厚度組合與焊接規(guī)范

表7 焊縫金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)、碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)

3.2.2焊縫金屬力學(xué)性能

試驗(yàn)用Q500qE材質(zhì)板厚有32 mm，50 mm和60 mm三種規(guī)格，焊縫金屬焊接規(guī)范見表6。熔敷金屬及接頭拉伸和接頭硬度力學(xué)性能及低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見表8和表9。

3.3 抗裂性焊接試驗(yàn)

抗裂性焊接試驗(yàn)分為斜Y形坡口拘束抗裂試驗(yàn)和T形接頭拘束抗裂試驗(yàn)兩種形式，試驗(yàn)接頭如圖3所示。試驗(yàn)用焊接規(guī)范參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表10。T形接頭拘束抗裂試驗(yàn)也采用32 mm，50 mm和60 mm三種規(guī)格，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表11。