建筑用耐火鋼焊條J460FR的研制

胡鵬亮，陳林恒，張學剛，李 偉，陳 波

1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000

2.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035

0 前言

建筑結(jié)構(gòu)大致可以分為四大類：土木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)。目前，世界上各國的建筑物正由其他三種結(jié)構(gòu)向鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展。但是，普通建筑用鋼在350℃以上時高溫屈服強度迅速下降，低于室溫屈服強度的1/2，達不到設(shè)計要求［1-3］。而建筑用耐火鋼要求在600℃時，屈服強度仍能保持室溫時的2/3，同時具有較好的塑性。因此在發(fā)生火災(zāi)時，耐火鋼結(jié)構(gòu)的建筑具有更高的安全性［4］。

目前，國內(nèi)外對耐火鋼材的性能機理研究比較完整，但是對不同級別耐火鋼配套焊材的研究相對較少。調(diào)查表明，目前僅有少數(shù)公司，如日本神鋼對耐火鋼配套焊材進行了開發(fā)研究，國內(nèi)暫無焊材生產(chǎn)商進行研制［5］。因此，為解決南京鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Q460FRE耐火鋼的焊接問題，對其配套焊接材料J460FR焊條進行了研制。

1 試驗方法及要求

1.1 試件制備

熔敷金屬力學性能試驗采用Q235鋼板，在坡口堆焊兩層J460FR過渡層，坡口示意如圖1所示。坡口形式為V型對接坡口，坡口角度β=45°，坡口根部間隙b=16 mm，試板尺寸350 mm×300 mm×20 mm。進行平焊位置焊接，焊接工藝參數(shù)如表1所示。力學性能試驗分別在焊態(tài)和600℃×3 h模擬二次火災(zāi)條件下進行。

圖1 坡口示意Fig.1 Schematic diagram of groove

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

1.2 化學成分分析

按照GB/T 25777-2010標準制備熔敷金屬化學分析用試樣，其化學成分應(yīng)與母材成分相當。耐火鋼Q460FRE化學成分如表2所示。

表2 耐火鋼Q460FRE化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 2 Chemical composition of Q460FRE fire-resistant steel（wt.%）

1.3 力學性能試驗

力學性能試驗取樣位置如圖2所示，試樣直徑Φ10 mm，按照GB/T 228.1-2010標準進行熔敷金屬室溫拉伸試驗，按照GB/T 229-2020標準進行-40℃沖擊試驗。室溫拉伸及沖擊試驗在焊態(tài)下進行，熔敷金屬力學性能要求如表3所示。

圖2 取樣位置Fig.2 Sampling location

表3 熔敷金屬力學性能要求Table 3 Requirements for mechanical properties of deposited metal

1.4 抗二次火災(zāi)試驗

根據(jù)南京鋼鐵股份有限公司的技術(shù)要求，對焊接接頭進行抗二次火災(zāi)評估試驗。將焊接接頭經(jīng)過600℃×3 h模擬二次火災(zāi)熱處理后，再按照GB/T 2651-2008標準進行600℃高溫拉伸試驗。抗二次火災(zāi)能力要求如表4所示。

表4 抗二次火災(zāi)能力要求Table 4 Requirements for secondary fire resistance

2 成分設(shè)計及性能研究

2.1 成分設(shè)計

相關(guān)研究表明［6］，堿性渣系有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性。研發(fā)的J460FR焊條采用堿性渣系，以CaCO3-CaF2-TiO2-SiO渣系為基礎(chǔ)，該渣系含有較多的大理石、螢石以及鐵合金。

藥皮中加入大理石可以提高熔渣的堿度，增加熔渣表面張力。但大理石含量過高會增加藥皮熔點，使焊條藥皮熔化不均勻，導致電弧不穩(wěn)；含量過低會導致點互吹力不夠，保護不好，電弧不穩(wěn)。螢石可以增加熔渣流動性并增強脫氫，螢石含量過高會導致藥皮熔點太低，焊接時出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象；含量過低會導致流動性變差，去氫效果不明顯。硅鐵主要作為脫氧劑，同時作為合金添加。硅鐵含量過高會導致焊縫強度過高，同時降低焊縫金屬的低溫沖擊韌性；含量過低會使焊縫脫氧不足。純堿與海藻酸鈉可改善焊條的壓涂性，增加藥皮的塑性與光滑性［7］。

通過調(diào)整藥皮中各組分的比例，改善藥皮熔化的均勻性和電弧穩(wěn)定性，從而提高焊條全位置焊的工藝性能。由于耐火鋼材料對高溫強度有一定的要求，焊縫強度容易獲得，同時要平衡滿意的韌性指標，需要考慮焊接工藝影響，優(yōu)化化學成分和控制雜質(zhì)元素。焊縫的強度和韌性可通過主要元素進行調(diào)整。

碳：C溶入基體形成間隙固溶體，可以顯著增加基體的強度，隨著碳含量的增加，材料的抗拉強度和屈服強度均會提高，但是斷后伸長率和沖擊韌性均下降。同時C是影響碳當量和焊接裂紋敏感性系數(shù)的主要元素，C含量過高會增加焊接時產(chǎn)生冷裂紋的傾向；少量的C在材料中形成微合金碳化物。

錳：Mn能擴大奧氏體相區(qū)，推遲γ-α的轉(zhuǎn)變，使焊縫組織的轉(zhuǎn)變溫度接近針狀鐵素體形成溫度，從而提高焊縫金屬強度并改善韌性，同時Mn還是良好的脫氧劑和脫硫劑。

硅：Si主要以固溶強化的形式提高鋼的強度，可以減少C在奧氏體中的溶解度，促使C脫溶以碳化物的形式析出，但Si含量過多會降低材料的塑韌性。

氧：控制熔敷金屬中的含氧量，在保持焊道成形和脫渣性的條件下，含氧量越低韌性越好。

氮：N和V、Ti等元素結(jié)合易形成脆化組織，導致焊縫組織脆化，應(yīng)對焊縫金屬中的N含量加以控制。

雜質(zhì)元素：控制焊芯的雜質(zhì)元素含量，如S、P、N、O、H含量，保證焊縫金屬具有較高的韌性。

國外耐火鋼手工焊條采用Ni-Mo或Ni-Cr-Mo的合金系統(tǒng)［8］。因此，在研制的J460FR焊條中也加入了一定量Mo以改善其高溫拉伸性能。

2.2 耐火鋼耐火機理

研究表明耐火鋼的耐火機理是組織的強化和組織穩(wěn)定性的提高。其中組織的強化主要是細晶強化、析出強化和固溶強化［9］。

2.2.1 細晶強化

細晶強化是鋼的主要強化方式之一。當溫度低于等強溫度時，晶粒的晶界強度高于晶內(nèi)強度，在此溫度下，細化晶粒增加了晶界面積，從而提高了耐火鋼的強度。

2.2.2 析出強化

高溫下的熱作用會增加位錯活動，同時原子擴散速率的提高也促進了位錯的滑移。而穩(wěn)定的析出相可以更有效地阻止位錯運動，為第二相提供較高的固溶溫度，保障第二相粒子在高溫下產(chǎn)生析出強化；第二相在基體中均勻分布，由此帶來的強度高于基體的強度。

2.2.3 固溶強化

某些金屬元素能以固溶形式存在于鐵素體中，起到強化基體的作用。固溶強化可以減緩各元素在基體中的擴散速度，固溶效果與兩種元素的原子半徑和電負性有關(guān)，原子半徑和電負性差別較大，可以使晶格應(yīng)變增加，位錯的交互作用增強，得到較好的強化效果［10］。

2.3 Mo元素對耐火鋼性能的影響

Mo元素是提高鋼的高溫強度最有效的合金元素，大部分的Mo在鐵素體中以固溶形式存在，強化了鐵素體基體。有學者研究認為［11-12］，含Mo耐火鋼在正火后粒狀組織較多，鐵素體晶粒尺寸隨正火溫度變化不大，而無Mo耐火鋼鐵素體晶粒長大。高溫下Mo在鐵素體中的擴散速度較慢，因此可以明顯提高鋼的高溫強度和屈服強度。同時，當Mo含量≤0.5%時，隨著Mo含量的增加，高溫強度增長明顯，但Mo含量＞0.5%時，高溫強度增長幅度減弱。因此，應(yīng)將Mo含量控制在0.5%以下。

在600℃×3 h模擬二次火災(zāi)條件下，用600℃高溫拉伸的屈服強度來描述熔敷金屬抗二次火災(zāi)的能力。Mo含量對熔敷金屬抗二次火災(zāi)能力的影響如圖3所示。當Mo含量在0.1%～0.5%時，熔敷金屬抗二次火災(zāi)能力隨Mo含量的增加而明顯增強；當Mo含量＞0.5%時，熔敷金屬抗二次火災(zāi)能力隨Mo含量增加而增強的效果減弱。

圖3 Mo含量對熔敷金屬抗二次火災(zāi)能力的影響Fig.3 Effect of Mo content on secondary fire-resistance of deposited metal

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 焊接工藝性

采用研制的耐火鋼J460FR焊條，以160 A電流進行平焊，其焊接工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，飛濺小，脫渣容易。焊道成形美觀，表面有金屬光澤。圖4、圖5分別為焊條平焊脫渣前與脫渣后的宏觀形貌。

圖4 J460FR焊條平焊脫渣前Fig.4 Before deslagging of downhand welding with J460FR electrode

圖5 J460FR焊條平焊脫渣后Fig.5 After deslagging of downhand welding with J460FR electrode

3.2 熔敷金屬化學成分

J460FR焊條的熔敷金屬化學成分如表5所示，滿足技術(shù)要求。

表5 J460FR熔敷金屬化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 5 Chemical composition of J460FR deposited metal（wt.%）

3.3 熔敷金屬力學性能

J460FR焊條熔敷金屬力學性能如表6所示，其拉伸性能和沖擊韌性都滿足技術(shù)要求，且余量較大，-40℃沖擊吸收能量平均值達到93 J。

表6 熔敷金屬力學性能Table 6 Mechanical properties of deposited metal

3.4 顯微組織

熔敷金屬焊態(tài)、模擬二次火災(zāi)狀態(tài)的顯微組織分別如圖6～圖9所示。

圖6 焊態(tài)焊縫中心顯微組織Fig.6 Microstructure of as-welded weld center

圖7 焊態(tài)重熱過熱區(qū)顯微組織Fig.7 Microstructure of as-welded overheated zone

圖8 熱處理態(tài)焊縫中心顯微組織Fig.8 Microstructure of weld center in heat treatment state

圖9 熱處理態(tài)重熱過熱區(qū)顯微組織Fig.9 Microstructure of overheated zone in heat treatment state

試驗結(jié)果表明，焊縫中心呈柱狀晶，組織為先共析鐵素體和貝氏體；重熱區(qū)中過熱位置晶粒尺寸較大，也由先共析鐵素體和貝氏體組成。經(jīng)600℃×3 h熱處理后，焊縫中心和重熱過熱區(qū)組織均為先共析鐵素體和貝氏體回火組織，回火作用使貝氏體產(chǎn)生碳化物析出，導致其強度降低。

3.5 耐火性能試驗

針對南京鋼鐵股份有限公司的技術(shù)條件，J460FR焊條的耐火性能由其抗二次火災(zāi)能力進行評估。將對接接頭焊縫及熔敷金屬進行600℃×3 h的熱處理來模擬二次火災(zāi)狀態(tài)，隨爐冷卻再進行600℃高溫拉伸試驗。

按照GB/T 228.2-2015標準進行熔敷金屬600℃高溫拉伸試驗，按照GB/T 2651-2008標準進行對接接頭600℃高溫拉伸試驗。試驗結(jié)果分別如表7、表8所示。

表7 抗二次火災(zāi)熔敷金屬力學性能Table 7 Mechanical properties of secondary fire-resistance deposited metal

表8 抗二次火災(zāi)對接接頭力學性能Table 8 Mechanical properties of secondary fire-resistance butt joint

試驗結(jié)果表明，經(jīng)600℃×3 h的模擬二次火災(zāi)熱處理后，屈服強度明顯下降，但仍滿足技術(shù)要求。

3.6 焊接工藝評定

焊接工藝評定選用的母材為南京鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Q460FRE耐火鋼板，按照GB 50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》進行焊接工藝評定，選用試板尺寸為500 mm×150 mm×20 mm，坡口形式為V型對接坡口，焊接位置為平焊。焊接工藝參數(shù)如表9所示。

表9 焊接工藝參數(shù)Table 9 Welding parameters

試件外觀未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊滿、未熔合、焊瘤、氣孔、夾渣等缺陷，焊縫外觀尺寸符合Ⅰ級焊縫要求。射線探傷符合國家標準GB/T 3323-2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》的有關(guān)規(guī)定，焊縫質(zhì)量為BⅠ級。

3.6.1 對接接頭拉伸試驗

拉伸試樣的加工及試驗應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》的規(guī)定，取全截面拉伸試樣，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 工藝評定拉伸結(jié)果Table 10 Tensile results of procedure qualification

3.6.2 對接接頭彎曲試驗

彎曲試樣的加工及試驗應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》的規(guī)定，取4件全截面?zhèn)葟澰嚇?，試樣厚?0 mm，彎心直徑40 mm，彎曲角度180°，彎曲試驗均合格，見表11。

表11 工藝評定彎曲結(jié)果Table 11 Bending results of procedure qualification

3.6.3 對接接頭沖擊試驗

沖擊試樣的加工及試驗應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T 2560-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》的規(guī)定，分別取焊縫中心及熱影響區(qū)的沖擊試樣，缺口加工位置如圖10所示，沖擊試驗結(jié)果如表12所示。

圖10 對接接頭沖擊試樣缺口加工位置Fig.10 Notch machining position of impact sample of butt joint

表12 工藝評定沖擊試驗結(jié)果Table 12 Impact results of procedure qualification

試驗結(jié)果表明，工藝評定焊態(tài)拉伸、側(cè)彎和沖擊結(jié)果以及抗二次火災(zāi)能力均滿足技術(shù)要求，研制的J460FR焊條可用于Q460FRE耐火鋼的焊接。

4 結(jié)論

（1）Mo元素對焊縫的高溫拉伸屈服強度有顯著影響，當Mo含量在0.1%～0.5%時，其抗二次火災(zāi)能力隨Mo含量的增加而增強；當Mo含量＞0.5%時，其抗二次火災(zāi)能力增強效果減弱。

（2）經(jīng)模擬二次火災(zāi)（600℃×3 h）熱處理后，焊縫中心和重熱過熱區(qū)組織均為先共析鐵素體和貝氏體回火組織，回火作用使貝氏體產(chǎn)生碳化物析出，導致其強度降低。

（3）新研制的J460FR焊條具有一定的耐火能力和抗二次火災(zāi)能力，各項性能均滿足設(shè)計要求，可用于Q460FRE耐火鋼的焊接。