耐候鋼埋弧焊絲配套焊劑合金化研究

蔡俊，楊恒闖，續(xù)杰，劉東

武漢鐵錨焊接材料股份有限公司 湖北武漢 430084

1 序言

耐候鋼指通過添加少量合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti及Re等，使其耐大氣腐蝕性能獲得明顯改善的一類低合金鋼。耐候鋼目前在橋梁建設(shè)中的，應(yīng)用范圍越來越廣。采用耐侯橋梁鋼主要有以下優(yōu)點[1]：①節(jié)約橋梁初期建造成本；工廠不用涂裝。②降低橋梁全壽命成本：減少了后期維修養(yǎng)護(hù)要求。③采用不涂裝工藝后減少環(huán)境污染。一般認(rèn)為，當(dāng)耐候鋼其耐候指數(shù)≥6或6.5時，使用時可免涂裝使用。從2010年至今，我國耐候鋼橋進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期，配套焊接材料的需求也迅猛增長。本文旨在研發(fā)一種用于Q420qNH耐候鋼埋弧焊絲的配套焊劑，通過對焊劑進(jìn)行合金化處理，達(dá)到其與焊絲搭配時耐候指數(shù)≥6.5。

2 焊劑合金化試驗過程

2.1 合金元素的作用

Cu是常見的耐腐蝕元素，含有Cu元素的鋼在腐蝕過程中，其表面產(chǎn)生Cu元素富集現(xiàn)象，在腐蝕層和Cu的富集層之間形成一層致密的氧化銅中間層，可減緩組織腐蝕介質(zhì)繼續(xù)向內(nèi)侵蝕[2]。Ni元素可提高鋼的自腐蝕電位，增加鋼的穩(wěn)定性。Mo元素也可提高鋼的耐蝕性，促進(jìn)非晶態(tài)氧化膜的形成，從而減緩腐蝕速率[3]。

2.2 焊絲的選用

焊絲選用符合《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼及不銹鋼焊劑材料》標(biāo)準(zhǔn)中的TH550-NQ-Ⅲ，其化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值及實測值見表1。當(dāng)埋弧焊絲TH550-NQ-Ⅲ選用市售SJ101焊劑時[4，5]，由其熔敷金屬化學(xué)成分計算的耐候指數(shù)達(dá)不到6.5，耐候指數(shù)計算公式見式（1）。為使耐候指數(shù)≥6.5，采用埋弧焊絲TH550-NQ-Ⅲ時，可以通過將焊劑合金化的方式提高焊縫金屬的耐候指數(shù)，從而提高焊縫的耐候性能[6]。

表1 TH550-NQ-Ⅲ焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

耐候指數(shù)計算公式如下：

2.3 焊劑合金化試驗方案

研究的焊劑以FB型氟堿性燒結(jié)焊劑為基礎(chǔ)，通過添加Ni、Cu、Mo合金對其進(jìn)行合金化處理，通過檢測熔敷金屬力學(xué)性能及計算耐候指數(shù)確定Ni、Cr、Mo合金的添加范圍。氟堿性燒結(jié)焊劑的成分見表2，在焊劑中設(shè)計的Ni、Cu、Mo合金添加量見表3，共設(shè)計6組試驗，其中試驗編號為S1～S3焊劑的Cu、Mo含量不變，添加不同含量的Ni合金；試驗編號為S4～S6的焊劑在S1～S3試驗的基礎(chǔ)上保持Mo含量不變，但提高了Cu含量，在提高Cu含量的條件下調(diào)整Ni含量。

表2 氟堿性燒結(jié)焊劑成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

試驗編號為S1～S6的焊劑其堿度在1.6～1.7pH之間，當(dāng)合金成分變化時，以SiO2為變量進(jìn)行了調(diào)整。

表3 焊劑化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.4 熔敷金屬試驗

將試驗焊劑S1～S6委托焊劑廠按照氟堿性焊劑的配比制備。將焊絲TH550-NQ-Ⅲ分別與編號為S1～S6的焊劑進(jìn)行熔敷金屬試驗，母材為460鋼板，460鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4，尺寸為500mm×200mm×20mm，焊接參數(shù)見表5。

表4 460鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能

表5 焊接參數(shù)

2.5 試驗結(jié)果

熔敷金屬力學(xué)性能見表6，化學(xué)成分及相應(yīng)的耐候指數(shù)計算結(jié)果見表7。

表6 熔敷金屬力學(xué)性能

表7 熔敷金屬化學(xué)成分及耐候指數(shù)計算結(jié)果

3 分析與討論

3.1 Ni元素和Cu元素對力學(xué)性能的影響

由表5和表6可知，編號S1～S6的試驗結(jié)果中，力學(xué)性能均較好。對比S1、S2和S3可知，隨著Ni合金添加量的增加，低溫沖擊吸收能量有上升趨勢，但增量不大。對比S4、S5和S6可知，低溫沖擊吸收能量隨著Ni合金添加量的增加而提升，與S1、S2和S3的變化趨勢相同。

對比S1與S4、S2與S5、S3與S6，未見力學(xué)性能有明顯變化。故Cu的添加量在0.2%～0.9%之間變化時對力學(xué)性能影響不顯著。

3.2 Ni元素和Cu元素對耐候指數(shù)的影響

對比S 1～S 6共6組試驗計算的耐候指數(shù)，S1～S3的耐候指數(shù)均＞6.5，而S4～S6的耐候指數(shù)均＜6.5。由表6可見，隨著Ni合金添加量的增加，耐候指數(shù)略有提升；而當(dāng)Cu元素含量增加時，其耐候指數(shù)明顯下降。

3.3 工藝性能分析

試驗焊劑S1～S6的合金成分變化時，以SiO2為變量調(diào)整，堿度未發(fā)生明顯變化。按照表5的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接時，焊接工藝未見明顯變化，焊縫成形美觀，波紋細(xì)膩，脫渣良好，可操作性佳。

4 結(jié)束語

通過對耐候鋼配套埋弧焊絲用焊劑進(jìn)行合金化處理，以焊絲TH550-NQ-Ⅲ為試驗對象，研究了焊劑中不同Ni、Cu、Mo合金添加量對熔敷金屬力學(xué)性能和耐候指數(shù)的影響。

1）按照設(shè)計的合金添加量，6組不同合金含量的焊劑與焊絲TH550-NQ-Ⅲ匹配的熔敷金屬力學(xué)性能均較好，工藝性能優(yōu)異。

2）隨著Ni合金添加量和堿度的增加，耐候指數(shù)略有上升，低溫沖擊吸收能量也有上升趨勢，但增量不大，說明Ni元素對強度沒有明顯的影響。

3）當(dāng)Cu含量在0.2%～0.9%變化時，隨著Cu合金添加量的增加，其對性能沒有明顯影響，但耐候指數(shù)明顯降低。

4）S1～S3試驗焊劑均可滿足熔敷金屬力學(xué)性能要求和耐候指數(shù)要求，工藝性也良好。