本發(fā)明涉及一種焊絲，具體涉及一種橋梁用高性能抗腐蝕埋弧焊焊接材料。
背景技術(shù)：
由于耐侯鋼材料能利用自身在表面形成的銹層，有效阻滯腐蝕介質(zhì)的滲入和傳輸，降低在大氣環(huán)境中的腐蝕速度。所以耐候鋼材料在橋梁行業(yè)的推廣應(yīng)用具有防銹養(yǎng)護(hù)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)日本建設(shè)省土木研究所的推算結(jié)果顯示：60年后普通鋼橋費(fèi)用為耐候鋼橋1.5倍，100年后在2倍以上。在發(fā)達(dá)國(guó)家，耐候鋼應(yīng)用體系已日趨完善，目前世界耐候鋼分為兩類。一類是焊接要求不高的耐候鋼：以銅、磷系為主，屈服強(qiáng)度一般在345mpa以下，板厚一般不超過(guò)16毫米，如美國(guó)的astma242系列和日本jis中的spa系列。二是焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼：以鉻-鎳系為主，含p量在0.04％以下，如美國(guó)的astma588和a514系列、日本的jis、sma系列。
我國(guó)的耐候鋼橋梁的推廣使用面臨較大的戰(zhàn)略機(jī)遇，如國(guó)家的“一帶一路”建設(shè)、“京津冀一體化”建設(shè)、“城鎮(zhèn)化”建設(shè)、國(guó)內(nèi)眾多城市群建設(shè)、西部大開(kāi)發(fā)建設(shè)等，還面臨著供給側(cè)改革等政策機(jī)遇，另外我國(guó)的鋼鐵、橋梁行業(yè)也具備了較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，這些都是我們耐侯鋼橋梁發(fā)展的有利因素。但過(guò)去我國(guó)橋梁用鋼的耐蝕性因素并非是最優(yōu)先考量，因?yàn)樽非蟠罂缍?，高?qiáng)度、低屈強(qiáng)比、低溫韌性和可焊性以及厚板均一性是獲得應(yīng)用的必要條件。近來(lái)，我國(guó)鐵路橋梁用鋼抗拉強(qiáng)度級(jí)別應(yīng)在500-760mpa范圍，但要求低屈強(qiáng)比，厚板無(wú)預(yù)熱焊接，優(yōu)良的低溫抗沖擊性能、耐候帶銹鋼材的抗疲勞性能。橋梁鋼總體要求是高強(qiáng)度、均質(zhì)厚板、低屈強(qiáng)比、高韌性、耐候、疲勞性能高，但我國(guó)的耐侯鋼在橋梁上的規(guī)?；瘧?yīng)用的進(jìn)展比發(fā)達(dá)國(guó)家滯后數(shù)十年。
橋梁是腐蝕損失的大戶，而針對(duì)高性能抗腐蝕橋梁的焊接材料方面選材很困難，隨著橋梁用鋼強(qiáng)度級(jí)別、韌性標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對(duì)高強(qiáng)度、高韌性、低氫型焊接材料的需求日益增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上隨著鋼橋制造向高度、重載、全焊、免涂裝、大節(jié)段制造方向發(fā)展，對(duì)焊材抗裂性能提出更高要求，擴(kuò)散氫含量要求更低、抗腐蝕性能更優(yōu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的是提供一種橋梁用高性能抗腐蝕埋弧焊焊接材料，解決現(xiàn)有埋弧焊焊接材料的抗腐蝕性能、抗裂性能及擴(kuò)散氫等綜合指標(biāo)不能滿足現(xiàn)有發(fā)展需求，綜合維護(hù)成本偏高和環(huán)境影響等技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明焊接材料各組分按重量百分比計(jì)算為，ni0.35～0.60％、cu0.30～0.40％、cr0.35～0.50％、p0.010～0.025％、si0.20～0.35％、c0.04～0.07％、mn1.20～1.60％、s0.004～0.015％，
可選成分ti≤0.08％，
余量為fe和其他元素(包括不可避免的雜質(zhì))，
同時(shí)，以上各組分的重量百分比之間還需滿足：
抗腐蝕指數(shù)i
＝26.01(％cu)+3.88(％ni)+1.20(％cr)+1.49(％si)+17.28(％p)-7.29(％cu)(％ni)-9.10(％ni)(％p)-33.39(％cu)2≥6.5，
且焊接冷裂紋敏感性系數(shù)pcm
＝(％c)+(％si)/30+(％mn+％cu+％cr)/20+(％ni)/60+(％mo)/15+(％v)/10+5(％b)≤0.20％，
上述i值一般是對(duì)于母材(板材)而言的，pcm值一般也更多應(yīng)用于母材與板材，埋弧焊絲領(lǐng)域還未引入過(guò)相關(guān)概念；
其中，ni元素是顯著提高抗腐蝕性的重要元素之一，不論是耐大氣腐蝕還是耐海水腐蝕；ni元素的另一個(gè)重要作用是能使被焊接的母材和焊接熱影響區(qū)的低溫韌性顯著提高，是改善鋼的低溫韌性的最重要合金元素，同時(shí)ni還可提高鋼的淬透性，且有一定的固溶強(qiáng)化作用，綜合來(lái)說(shuō)ni是低合金鋼中一個(gè)重要元素，可使鋼具有韌性、防腐抗酸性、高導(dǎo)磁性，并使晶粒細(xì)化，提高淬透性，增加硬度等，
然后其作為一種價(jià)值較高的貴金屬，其添加量對(duì)鋼材的成本影響比較大，綜合考慮到抗蝕性及低溫性能，同時(shí)兼顧到成本控制和焊接后的燒損情況，本發(fā)明中ni含量在0.35～0.60％；
cu元素的最重要的作用是有效提高鋼的耐侯性，同時(shí)也能提高鋼的淬透性，在鋼中也可起固溶及沉淀強(qiáng)化作用，但cu含量過(guò)高的情況下，鋼加熱時(shí)易產(chǎn)生裂紋，也增加冷裂紋敏感性，惡化鋼板表面性能，而與ni一起又可以更有利于獲得良好的低溫韌性，增加鋼的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，
本發(fā)明中得益于ni元素的存在，在cu含量0.30～0.40％時(shí)，可以防止上述裂紋的產(chǎn)生，提高抗腐蝕性；
cr0.35～0.50％，該元素能提高焊縫中針狀鐵素體含量并細(xì)化鐵素體晶粒，能顯著提高鋼的機(jī)械性能和耐磨性，增加鋼淬火的變形能力，增加鋼的硬度、彈性、抗磁性、耐蝕性和耐熱性等；其與上述ni與cu元素一起作用時(shí)，其抗腐蝕性能更佳，該元素范圍充分兼顧到了抗蝕性能與冷裂紋敏感性；
p0.010～0.025％，p元素是有效的抗腐蝕元素，同時(shí)也能使鋼的強(qiáng)度及硬度顯著提高，但過(guò)高的p元素會(huì)使焊縫的塑性及韌性下降，特別是使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，提高了鋼的冷脆性，所以會(huì)被嚴(yán)格控制上限值范圍，
為了充分保證焊材的抗腐蝕性，在p含量的小范圍內(nèi)特別限定了其下限數(shù)值；
si0.20～0.35％，si元素是焊縫的主要脫氧劑之一，有利于減少焊縫中氣孔的產(chǎn)生，從而提高焊接接頭的質(zhì)量；適量的si也可以提高焊縫的強(qiáng)度，并且增加焊接時(shí)焊縫鐵水的流動(dòng)性能；si元素也有利于提高焊縫的抗腐蝕性能，但一般的埋弧焊焊接材料的si元素會(huì)控制到0.10％以下(以避免硅元素過(guò)高對(duì)韌性帶來(lái)的傷害)，普通偏低，達(dá)不到抗腐蝕的作用，而本發(fā)明中si元素范圍是充分結(jié)合了其余元素的聯(lián)合影響才設(shè)定的；
c0.04～0.07％，c作為固溶強(qiáng)化元素，會(huì)促進(jìn)形成碳化物及馬氏體，但c元素是影響冷裂紋敏感性的重要元素，特別是對(duì)于焊接材料來(lái)說(shuō)，其含量越高焊材的焊接性能會(huì)越差，所以c含量會(huì)控制在一個(gè)比較低范圍以下，另外c含量低一些對(duì)低溫韌性有利，然而超低c的控制成本是非常高的，所以本發(fā)明將c含量設(shè)計(jì)限制在一個(gè)較小的上下限范圍內(nèi)；
mn1.20～1.60％，mn元素也是焊縫的主要脫氧劑之一，mn、si元素是焊縫的主要脫氧劑，減少焊縫中氣孔的產(chǎn)生；在焊接過(guò)程中它們還是碳主要的還原劑，同時(shí)它們也是保證焊縫強(qiáng)度的主要元素，尤其是mn元素能顯著提高焊縫的強(qiáng)度，mn含量超過(guò)1.0％時(shí)可明顯提高強(qiáng)度，特別耐磨，所以它也屬于強(qiáng)韌性元素和奧氏體穩(wěn)定化元素，
但是mn對(duì)焊接接頭韌性的影響也比較復(fù)雜，低合金鋼焊縫mn含量過(guò)多，韌性下降，只有當(dāng)mn、si有合適的比例時(shí)，會(huì)改變焊縫的組織，對(duì)低溫韌性有很大的影響：當(dāng)mn、si比值為5～7倍時(shí)，焊縫組織為鐵素體加針狀鐵素體，當(dāng)mn、si比值為2～4倍時(shí)，焊縫組織為細(xì)針狀鐵素體，本發(fā)明中埋弧焊焊接材料的mn元素為si元素的6倍，但配合htf-101g焊劑(即sj101q型焊劑，下同)焊接后得到的mn、si比值為3倍左右，本發(fā)明的mn元素范圍充分考慮到了焊縫金屬的強(qiáng)度、低溫韌性、焊接流動(dòng)性和冷裂紋敏感性等綜合指標(biāo)；
s0.004～0.015％；s通常被認(rèn)為是一種雜質(zhì)元素來(lái)加以控制，因?yàn)閟含量過(guò)高時(shí)會(huì)降低鋼的低溫韌性和z向性能，若鋼中含有s化物夾雜會(huì)使鋼的耐侯性降低，但作為焊接材料，其焊縫的流動(dòng)性也是影響焊縫外在質(zhì)量的一個(gè)重要因素，我們發(fā)現(xiàn)一定量的s含量能夠改善焊縫的流動(dòng)性，所以我們特別限制了s元素的下限數(shù)值；
ti是焊縫中細(xì)化晶粒的重要元素，它作為一種強(qiáng)氮化物元素，有助于控制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，有利于提高焊縫的低溫韌性，但過(guò)高的ti元素會(huì)對(duì)焊接時(shí)的焊縫流動(dòng)性有影響，所以本發(fā)明中ti作為了一個(gè)添加參考元素，根據(jù)使用場(chǎng)合需要更高的低溫韌性還是更漂亮的焊接外觀來(lái)選擇使用。
本發(fā)明橋梁用高性能抗腐蝕埋弧焊焊絲與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明的埋弧焊焊接材料是在目前普通橋梁的高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、高韌性、高疲勞性能的基礎(chǔ)上，隨著鋼橋制造向高度、重載、全焊、免涂裝、大節(jié)段制造方向發(fā)展，與之相匹配的抗腐蝕性能更優(yōu)、抗裂性能更高，擴(kuò)散氫含量更低、且性價(jià)比更高的埋弧焊焊接材料，焊接材料的抗腐蝕指數(shù)i值達(dá)到6.5以上、與htf-101g焊劑配合使用后其熔敷金屬的抗腐蝕指數(shù)i值達(dá)到6.8以上，焊接材料的焊接冷裂紋敏感性系數(shù)pcm在0.20％以下，與htf-101g焊劑匹配焊接后得到的熔敷金屬焊縫通過(guò)水銀法測(cè)得的擴(kuò)散氫含量在4ml/100g以下，達(dá)到超低氫等級(jí)；熔敷金屬成分的astmg101-01耐侯指數(shù)i≥6.8；
本發(fā)明的埋弧焊焊接材料成分設(shè)計(jì)充分考慮到了焊接工藝的影響，如焊縫流動(dòng)性、si、s等元素的影響、脫氧性、脫渣性、如mn、si聯(lián)合元素的影響等等，所以具有優(yōu)良的焊接可操作性，能提高電弧穩(wěn)定性，提高焊接操作效率，焊縫接頭成型優(yōu)良；
本發(fā)明的埋弧焊焊接材料成分設(shè)計(jì)充分考慮到了各元素在焊接這個(gè)二冶煉過(guò)程中對(duì)焊后熔敷性能的綜合影響，包括ni、cu、cr、p、si的抗腐蝕性能的聯(lián)合作用提高、ni、cr、c、mn、si的強(qiáng)度穩(wěn)定性提高和低溫韌性提高，尤其還設(shè)計(jì)了ti元素對(duì)不同場(chǎng)合橋梁焊接的需求，所以可以得到更穩(wěn)定的高抗腐蝕、高強(qiáng)度、優(yōu)低溫韌性的焊縫金屬；
本發(fā)明的埋弧焊焊接材料設(shè)計(jì)由于成分控制合理，所以其冶煉制造成本也相對(duì)合理，成品性價(jià)比會(huì)很高，同時(shí)其使用后的免涂裝也體現(xiàn)出更環(huán)保、維護(hù)成本更低的特點(diǎn)；
所以使用該焊材焊接，其抗裂性能優(yōu)良、擴(kuò)散氫含量低，且焊接后得到的焊縫抗腐蝕性能優(yōu)良，不僅其防腐效應(yīng)可維持70年以上，且其焊接部位也不需要油漆涂裝，所以可以減少建設(shè)時(shí)間，節(jié)約維護(hù)成本，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，有利于保護(hù)建設(shè)和使用過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境。
具體實(shí)施方式
統(tǒng)一采用200kg真空感應(yīng)電爐冶煉鋼坯，再經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的軋制、表面處理、拉拔、鍍銅、分卷等工序制成直徑為3.98mm的埋弧焊絲，通過(guò)上述工藝流程分別制作三個(gè)實(shí)施例，三個(gè)案例焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)以及其抗腐蝕指數(shù)、冷裂紋敏感性系數(shù)參見(jiàn)表1：
表1
由表1可見(jiàn)三個(gè)案例實(shí)驗(yàn)焊接材料抗腐蝕指數(shù)i值都達(dá)到6.5以上，而一般現(xiàn)有的抗腐蝕材料都超不過(guò)6；其冷裂紋敏感性系數(shù)均都低于0.20％，而一般的焊接材料的冷裂紋敏感性系數(shù)經(jīng)常高于0.20％。表明本發(fā)明的埋弧焊焊接材料具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和焊接性能。
將表1中各實(shí)施例制備的埋弧焊絲配合htf-101g焊劑(兩者質(zhì)量比為1：1)進(jìn)行熔敷金屬試板焊接，焊接工藝為：焊劑經(jīng)過(guò)300℃、2小時(shí)烘焙，置于烘箱中隨用隨??；試板和墊板材質(zhì)選用主橋主梁和索塔主結(jié)構(gòu)用耐侯鋼q420qfnh，焊接試板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為：400×150×20mm，單面坡口15°，焊接墊板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為：430×50×12mm，焊接電流580a、焊接電壓32v、焊接速度6mm/秒、層間溫度150±15℃、焊接道次12道6層，
同時(shí)將國(guó)外常用抗腐蝕鋼awsa5.23中的eni1k埋弧焊材按上述工藝進(jìn)行焊接來(lái)作為比較例1、將國(guó)內(nèi)目前常用的高性能橋梁用埋弧焊焊材h08mn2e材料按上述工藝進(jìn)行焊接來(lái)作為比較例2、將國(guó)內(nèi)目前常用的普通埋橋梁用埋弧焊焊材h08mn2e材料按上述工藝進(jìn)行焊接來(lái)作為比較例3，所得的相應(yīng)熔敷金屬化學(xué)成分、抗腐蝕指數(shù)、機(jī)械性能、低溫韌性、擴(kuò)散氫含量如表2所示，
表2
由表2可見(jiàn)：(1)使用本發(fā)明的埋弧焊焊接材料其抗腐蝕指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)外現(xiàn)有抗腐蝕類焊接材料，且其抗腐蝕性能指數(shù)超過(guò)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有橋梁用高性能埋弧焊焊接材料近一倍，是橋梁用普通埋弧焊焊接材料的2.3倍，充分體現(xiàn)出其優(yōu)異的抗腐蝕性能；(2)在機(jī)械性能方面包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率與國(guó)外焊材相接近，雖然其延伸率略低于國(guó)內(nèi)常用的兩種焊接材料，但在橋梁板上作為重要的低溫韌性指標(biāo)即低溫沖擊功方面，本發(fā)明的焊接材料更具優(yōu)勢(shì)，尤其是在-60℃下的低溫韌性更具優(yōu)勢(shì)；(3)在擴(kuò)散氫方面，使用本發(fā)明的焊接材料得到的焊縫均在3ml/100g以下，所以其焊縫性能更加穩(wěn)定。