橋梁高強(qiáng)鋼用藥芯焊絲YCJ110K3—1的研制

孟慶潤(rùn) 呂奎清 王勇

Q620E橋梁鋼具有高強(qiáng)、高韌性，焊接性良好等特點(diǎn)。隨著鋼板強(qiáng)韌性等級(jí)提高，對(duì)焊接材料也提出較高要求，為滿足高強(qiáng)鋼對(duì)焊接材料的要求，研制出與Q620E鋼材相匹配的YCJ110K3—1藥芯焊絲是十分必要的。

1. 焊絲配方設(shè)計(jì)

（1）渣系選擇 焊絲采用以金紅石為主，加上一定量石英和氧化鎂的TiO2-SiO2-MgO渣系，該渣系特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)良好的全位置焊接，便于工程實(shí)際操作。采用鎂鋁等強(qiáng)氧化劑脫氧，降低焊縫中O、N含量。選用富氬氣體（80%Ar+20%CO2）作為保護(hù)氣體，增加合金過渡系數(shù)。通過加入稀土氧化物凈化焊縫，提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。

（2）合金系統(tǒng)選擇 焊絲合金系為Mn-Si-Ti-B，同時(shí)加入稀土元素。通過控制Mn、Si、Ti、B在焊縫中含量，提高焊縫金屬低溫沖擊韌性。當(dāng)焊縫中wMn=0.8%~1.4%，wSi=0.3%~0.55%時(shí)，得到較多針狀鐵素體組織。低合金鋼焊縫中Ti、B可以大幅提高焊縫韌性。

Ti與O的親和力很大，焊縫中Ti是以微小顆粒氧化物形式（TiO）彌散分布于焊縫中，可以促進(jìn)焊縫金屬晶粒細(xì)化。這些小顆粒TiO還可以作為針狀鐵素體（AF）的形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)AF的生成。Ti在焊縫中保護(hù)B不被氧化，B可以作為原子偏聚于晶界，降低晶界能，抑制先共析鐵素體的形核和長(zhǎng)大，促進(jìn)生成針狀鐵素體，改善焊縫組織韌性。焊縫中Ti-B最佳值為wTi=0.03%～0.05%，wB=0.0040%～0.0065%。

2. YCJ110K3—1藥芯焊絲性能分析

（1）焊接參數(shù) 選用 Q620E鋼板，板厚20mm，在焊接過程中采用小擺動(dòng)的焊接手法，進(jìn)行多層多道焊接。焊接參數(shù)如表1所示。

（2）力學(xué)性能 熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能、對(duì)接接頭力學(xué)性能分別如表2~表4所示。

表1 焊接參數(shù)

表2 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 熔敷金屬力學(xué)性能

表4 對(duì)接接頭力學(xué)性能

（3）熔敷金屬金相組織 焊縫組織中以針狀鐵素體為主，還含有部分細(xì)小的貝氏體和馬氏體。大量針狀鐵素體保證了焊接接頭具有較好的沖擊韌性。

（4）熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)定 按照GB／T3965—1995的要求，用水銀法檢測(cè)熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。試驗(yàn)條件：電弧電壓28V、焊接電流260A、環(huán)境溫度24℃、環(huán)境濕度37%、保護(hù)氣體為富氬。擴(kuò)散氫含量測(cè)試結(jié)果如表5所示。由表5可知，擴(kuò)散氫含量均值3.7mL/100g，檢測(cè)結(jié)果＜5.0mL∕100g，達(dá)到了超低氫水平。這對(duì)于提高焊絲抗冷裂紋具有重要意義。

3. 焊接電弧工藝性分析

（1）試驗(yàn)參數(shù) 選取兩種焊絲，分別為YCJ110K3—1和國(guó)外樣品，焊絲直徑均為1.2mm，采用時(shí)代公司產(chǎn)NB—500氣體保護(hù)焊機(jī)。保護(hù)氣體為富氬氣體（80%Ar+20%CO2），預(yù)設(shè)電壓為24.5V，氣體流量為18L/min，干伸長(zhǎng)為18mm。采用直流反接極性，用HA—XII—4E型德國(guó)漢諾威分析儀測(cè)試焊接電弧物理指數(shù)，焊接采樣時(shí)間每次分別10s。

（2）電弧物理指數(shù)測(cè)試 表6為兩種藥芯焊絲電弧物理指數(shù)測(cè)試結(jié)果。熔滴短路周期變異系數(shù)ε（Tc）可以用來表征熔滴過渡周期特征信息，ε（Tc）值越小，表明焊接過程越穩(wěn)定，熔滴尺寸細(xì)小。因此ε（Tc）可以作為評(píng)價(jià)藥芯焊絲工藝性的判據(jù)。由表6可以發(fā)現(xiàn)，YCJ110K3—1焊絲ε（Tc）值低于樣品焊絲，說明熔滴過渡穩(wěn)定，工藝性良好。

（3）短路頻率測(cè)試 采用漢諾威分析儀對(duì)兩種藥芯焊絲進(jìn)行測(cè)試，分析儀設(shè)置最小短路時(shí)間T：1min=1 000μs，閾值電壓UN=18V，短路時(shí)間組寬ΔT1=100μs，短路周期組寬ΔTc=500μs。圖1是兩種藥芯焊絲短路時(shí)間T1頻次疊加圖。短路過渡形態(tài)所占比例較多時(shí)，短路頻率較高。噴射過渡形態(tài)所占比例較多時(shí)，由于短路情況較少，總的短路頻率較少。當(dāng)焊絲為完全的噴射過渡時(shí)，短路頻率基本接近于零。焊接時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的短路出現(xiàn)的頻率越少，說明噴射過渡的傾向越大，工藝性越好。

由圖1看出，YCJ110K3—1焊絲在該參數(shù)下總的短路頻率較少，說明其噴射過渡的傾向較大，工藝性較好。

（4）高速攝影 YCJ110 K3—1焊絲在28V/240A參數(shù)下高速攝影照片如圖2所示。從圖2可看出，熔滴過渡為噴射過渡，熔滴尺寸細(xì)小，熔滴過渡頻率高，電弧穩(wěn)定。

表5 擴(kuò)散氫含量

表6 兩種藥芯焊絲電弧物理指數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖 1

圖 2

4. 結(jié)語(yǔ)

YCJ110K3—1藥芯焊絲具有良好的綜合力學(xué)性能，低溫沖擊韌性良好；工藝優(yōu)良，焊絲擴(kuò)散氫達(dá)到超低氫水平，抗裂性優(yōu)良。該焊絲自投產(chǎn)后，用于Q620E橋梁鋼的焊接，用戶反應(yīng)良好。

[1]張文鉞．焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.