Q500qE高强度桥梁钢埋弧焊用YSF105Q烧结焊剂的研制

2018-06-28，，，，

机械制造文摘(焊接分册) 2018年2期

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(1.锦州航星航空科技有限公司，辽宁锦州 121219；2.锦州市特种设备监督检验所，辽宁锦州 121000；3.锦州万得焊材有限公司，辽宁锦州121213)

0 前言

中国桥梁用钢的发展起步较早，20世纪60～80年代开发了16Mnq，15MnVq，15MnVNq等桥梁用钢。其中16Mnq钢应用广泛，但冲击韧性偏低。20世纪80年代九江大桥采用15MnVNq钢，但由于采用提高强度的V元素，导致钢板低温冲击韧性和焊接性能差。90年代开发了14MnNbq(Q370q)铁路桥梁用钢，具有优良的低温冲击韧性，可以满足桥梁建设的要求。2007年Q420qE钢通过原铁道部组织的评审，并成功应用于京沪高铁南京大胜关长江大桥，钢板厚度为12～68 mm。

沪通铁路长江大桥为四线铁路六车道公路合建桥梁，主航道桥采用主跨1 092 m的两塔五跨斜拉桥方案，铁路为四线，公路为六车道，建成后将成为世界上首座跨度超千米的公铁两用斜拉桥。要求采用更高强度的Q500qE钢建造关键部位构件，但是以往的焊接材料不能满足其高强度、高韧性的要求。因此研制适应Q500qE钢焊接用的烧结焊剂成为重要课题。

高碱度渣系的烧结焊剂容易获得高韧性焊缝，但要获得高强度、高韧性的焊缝金属和良好的焊接工艺性能仍具有很大的技术困难，特别是焊接厚度大于32 mm，甚至是60 mm的大厚钢板时，由于多层多道焊接，后焊的焊道对前道焊缝起到热处理的作用，使焊缝组织发生变化，容易造成焊缝金属低温冲击吸收能量下降和接头强度大幅度波动。

因此，采用原来的埋弧焊用烧结焊剂已不能满足高强度、高韧性的要求。若要满足Q500qE钢种的接头强度，提高焊缝金属低温冲击韧性是研制Q500qE高强度桥梁钢埋弧焊用烧结焊剂的技术关键。此外，由于大跨度高强度桥梁钢厚板埋弧对接焊时焊前不预热、焊后不进行热处理，所以研制的烧结焊剂必须满足在母材焊前不预热、焊后焊缝金属不进行热处理的要求。

1 技术要求

1.1 Q500qE桥梁钢技术要求

Q500qE桥梁钢需达到GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》标准，Q500qE桥梁钢碳当量(CEV)按成分采用式(1)计算，并符合表1规定,即

(1)

Q500qE桥梁钢钢材的焊接冷裂纹敏感性指数(Pcm)可以代替碳当量评估钢材的焊接性，Pcm按式(2)计算，Pcm≤0.23，即

(2)

Q500qE桥梁钢化学成分测量结果、碳当量和焊接冷裂纹敏感性指数计算结果如表2所示。Q500qE桥梁钢的力学性能测量结果如表3所示。

1.2 沪通铁路长江大桥埋弧焊要求

1.2.1焊接工艺性能要求

采用H10Mn2NiE，H08Mn2NiE等焊丝配合YS-SJ105烧结焊剂的焊接工艺性能，在焊接过程中，熔渣的熔点、黏度适中，当熔池凝固时，焊缝表面不产生气体压痕。熔渣表面张力较小，焊后脱渣容易，且焊缝边缘过渡平稳，表面光滑，焊缝外观成形质量好。

1.2.2埋弧焊焊接接头力学性能要求

Q500qE高强度桥梁钢对接埋弧焊接，焊前不预热、焊后不进行热处理，其焊接接头力学性能应符合表3要求。

表1 Q500qE桥梁钢的碳当量要求

表2 Q500qE桥梁钢化学成分(质量分数，%)、CEV和Pcm

表3 Q500qE桥梁钢力学性能

1.2.3焊缝金属的碳当量、焊接冷裂纹敏感性指数和抗裂试验的要求

焊缝金属的碳当量应小于0.46，焊接冷裂纹敏感性指数应小于0.23。斜Y形坡口拘束抗裂试验和T形接头拘束抗裂试验的表面和断面裂纹率为0%。

2 烧结焊剂配方设计

2.1 烧结焊剂渣系确定

为了保证熔敷金属具有良好的低温冲击韧性，采用高碱度氟碱型渣系。这种渣系含有大量的碱性氟化物和氧化物，如CaF2，MgO，CaO等，在焊接过程中，有利于净化焊缝金属，降低S，P杂质含量；减少合金元素的烧损，有利于向焊缝金属中过渡合金元素；高碱度的渣系，降低焊缝金属的氧含量，低温状态下容易得到高韧性的焊接接头。

为了保证良好的电弧稳定性、脱渣性能、焊缝成形等性能，采取在焊剂中添加K2O，Na2O等低电离电位碱性氧化物；调整离子键的组分(FeO，MnO，CaO，MgO，Al2O3)与极性键组分(TiO2，SiO2)的比例，降低熔渣的表面张力；调整熔渣的高温状态的黏度，使焊缝成形美观、过渡平滑、无咬边等表面缺陷。

添加SeO2，SeO2是表面活性氧化物，改变液态金属的表面性质，使氢难以进入液态金属，从而降低了熔敷金属的扩散氢含量，改善焊缝低温冲击韧性和降低裂纹敏感性。

2.2 焊剂组成的选择及其作用

CaF2：36%～38%，CaF2是不可缺少的造渣成分，具有提高焊剂碱度、稀释熔渣、降低熔渣熔点的作用，同时能显著降低熔敷金属中氧含量和降低熔敷金属扩散氢含量。焊剂中的CaF2含量小于36%时，由于形成焊接熔渣量不足，熔渣的熔点过高，流动性差，焊道的外观形状恶化，同时无法起到降低焊缝金属中氧含量和降低熔敷金属扩散氢含量的效果。另一方面，焊剂中CaF2含量大于38%时，电弧不稳定，容易产生断弧现象。熔渣的流动性大，容易造成焊缝成形不整齐。因此，焊剂中CaF2含量控制在36%～38%范围内。CaF2以萤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，具有提高焊剂碱度、显著降低熔敷金属中氧含量的作用。MgO的熔点高达2 800 ℃，给与焊剂耐高温性，大热输入焊接时，是保证焊缝成形的重要成分。较大热输入焊接时，焊缝形状稳定。焊剂中的MgO含量小于13%时，由于形成焊接熔渣量不足，焊道的外观形状恶化。焊剂中MgO含量大于15%时，熔渣的表面张力增大，熔渣的黏度提高，焊道根部的熔渣挤压熔融金属，焊道呈蛇形。因此，焊剂中MgO含量控制在13%～15%范围内。MgO的原料以重烧镁砂形式添加。

CaO：1%～3%，CaO是提高焊缝金属韧性的碱性造渣成分。具有提高焊剂碱度、显著降低熔敷金属中氧含量的作用。CaO小于1%时，碱性熔渣量不足，焊道的外观形状恶化，同时得不到降低熔敷金属中氧含量的效果。另一方面，焊剂中CaO含量大于3%时，熔渣的密度和表面张力增大，熔渣流动性差，焊道形状不好，脱渣性能下降。因此，焊剂中CaO含量控制在1%～3%范围内。CaO的来源于大理石、硅灰石等。

Na2O/K2O：1%～2%，Na2O或K2O具有稳定电弧的作用。焊剂中的Na2O或K2O的合计小于1%时，电弧不稳定，焊道凸凹不平；焊剂中的Na2O或 K2O的合计大于2%时，焊剂耐吸潮性下降，容易产生麻坑或压痕。因此Na2O，K2O含量合计为1%～2%。Na2O或K2O的主要来源是钾长石以及粘结剂的钠水玻璃、钾钠水玻璃。

Al2O3：27.5%～29%，Al2O3是改善粘渣的必要成分。Al2O3的分解压比FeO小，属于相对稳定的氧化物，不提高熔敷金属氧含量。Al2O3是熔点为2 050 ℃的高温耐火材料，是焊剂在大热输入条件下保证焊缝成形的重要成分。焊剂中Al2O3含量小于27.5%时，大热输入焊接时，焊后焊道粘渣，焊缝成形不好。焊剂中Al2O3含量大于29%时，焊缝窄，呈凸状焊缝，与母材熔合不好，产生夹渣。因此，焊剂中的Al2O3含量控制在27.5%～29%范围内。Al2O3主要以氧化铝、铝矾土、焦宝石等形式添加。

SiO2：14%～18%，SiO2是获得良好工艺性能的必要成分。但是SiO2是具有降低熔渣碱度、提高熔敷金属氧含量作用的成分。焊剂中SiO2含量小于14%时，焊缝成形不好，焊接工艺性能不理想。焊剂中SiO2含量大于18%时，降低焊剂的碱度，提高熔敷金属中的氧含量，降低熔敷金属的韧性。因此，焊剂中的SiO2含量控制在14%～18%范围内。SiO2以硅灰石、焦宝石等形式添加以及粘结剂带入。

SeO2：0.5%～1.0%，SeO2是表面活性氧化物，添加SeO2改变液态金属的表面性质，使氢难以进入液态金属，从而降低了熔敷金属的扩散氢含量。SeO2的添加量在：0.5%～1.0%为宜，低于0.5%时，效果不明显，超过1.0%时，造成焊缝成形不好。

根据焊剂的性能要求经过大量的试验研究，确定了焊剂的配方。焊剂的配方见表4。

2.3 焊剂具体实施方案

详细的YSF105Q烧结焊剂实施配方有3种，各种化学组成、焊剂的碱度(按照国际焊接学会推荐的碱度公式计算)。见表5。综合考虑焊缝金属低温冲击韧性和焊接工艺性能，最后选定F1编号作为生产的配方。

表4 烧结焊剂的配方范围(质量分数，%)

表5 YSF105Q烧结焊剂实施配方

3 焊接工艺评定结果

3.1 YSF105Q烧结焊剂与焊丝组合的焊接工艺性能

使用研制的F1～F3 YSF105Q烧结焊剂配合H10Mn2NiE焊丝在焊接过程中性能均良好，均可达到焊接工艺的性能要求。焊接过程中电弧稳定。熔渣的熔点和黏度适中，当熔池凝固时，焊缝表面不产生气体压痕，具有良好的焊缝成形。熔渣表面张力较低，焊后脱渣容易，且焊缝边缘过渡平稳，表面光滑,均无咬边现象。焊缝外观成形质量好，具有良好的焊接工艺性能，如图1所示。