耐候钢埋弧焊丝配套焊剂合金化研究

蔡俊，杨恒闯，续杰，刘东

武汉铁锚焊接材料股份有限公司 湖北武汉 430084

1 序言

耐候钢指通过添加少量合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti及Re等，使其耐大气腐蚀性能获得明显改善的一类低合金钢。耐候钢目前在桥梁建设中的，应用范围越来越广。采用耐侯桥梁钢主要有以下优点[1]：①节约桥梁初期建造成本；工厂不用涂装。②降低桥梁全寿命成本：减少了后期维修养护要求。③采用不涂装工艺后减少环境污染。一般认为，当耐候钢其耐候指数≥6或6.5时，使用时可免涂装使用。从2010年至今，我国耐候钢桥进入了一个快速发展的时期，配套焊接材料的需求也迅猛增长。本文旨在研发一种用于Q420qNH耐候钢埋弧焊丝的配套焊剂，通过对焊剂进行合金化处理，达到其与焊丝搭配时耐候指数≥6.5。

2 焊剂合金化试验过程

2.1 合金元素的作用

Cu是常见的耐腐蚀元素，含有Cu元素的钢在腐蚀过程中，其表面产生Cu元素富集现象，在腐蚀层和Cu的富集层之间形成一层致密的氧化铜中间层，可减缓组织腐蚀介质继续向内侵蚀[2]。Ni元素可提高钢的自腐蚀电位，增加钢的稳定性。Mo元素也可提高钢的耐蚀性，促进非晶态氧化膜的形成，从而减缓腐蚀速率[3]。

2.2 焊丝的选用

焊丝选用符合《铁道车辆用耐大气腐蚀钢及不锈钢焊剂材料》标准中的TH550-NQ-Ⅲ，其化学成分标准值及实测值见表1。当埋弧焊丝TH550-NQ-Ⅲ选用市售SJ101焊剂时[4，5]，由其熔敷金属化学成分计算的耐候指数达不到6.5，耐候指数计算公式见式（1）。为使耐候指数≥6.5，采用埋弧焊丝TH550-NQ-Ⅲ时，可以通过将焊剂合金化的方式提高焊缝金属的耐候指数，从而提高焊缝的耐候性能[6]。

表1 TH550-NQ-Ⅲ焊丝化学成分（质量分数） （%）

耐候指数计算公式如下：

2.3 焊剂合金化试验方案

研究的焊剂以FB型氟碱性烧结焊剂为基础，通过添加Ni、Cu、Mo合金对其进行合金化处理，通过检测熔敷金属力学性能及计算耐候指数确定Ni、Cr、Mo合金的添加范围。氟碱性烧结焊剂的成分见表2，在焊剂中设计的Ni、Cu、Mo合金添加量见表3，共设计6组试验，其中试验编号为S1～S3焊剂的Cu、Mo含量不变，添加不同含量的Ni合金；试验编号为S4～S6的焊剂在S1～S3试验的基础上保持Mo含量不变，但提高了Cu含量，在提高Cu含量的条件下调整Ni含量。

表2 氟碱性烧结焊剂成分（质量分数） （%）

试验编号为S1～S6的焊剂其碱度在1.6～1.7pH之间，当合金成分变化时，以SiO2为变量进行了调整。

表3 焊剂化学成分（质量分数） （%）

2.4 熔敷金属试验

将试验焊剂S1～S6委托焊剂厂按照氟碱性焊剂的配比制备。将焊丝TH550-NQ-Ⅲ分别与编号为S1～S6的焊剂进行熔敷金属试验，母材为460钢板，460钢板的化学成分及力学性能见表4，尺寸为500mm×200mm×20mm，焊接参数见表5。

表4 460钢板化学成分及力学性能

表5 焊接参数

2.5 试验结果

熔敷金属力学性能见表6，化学成分及相应的耐候指数计算结果见表7。

表6 熔敷金属力学性能

表7 熔敷金属化学成分及耐候指数计算结果

3 分析与讨论

3.1 Ni元素和Cu元素对力学性能的影响

由表5和表6可知，编号S1～S6的试验结果中，力学性能均较好。对比S1、S2和S3可知，随着Ni合金添加量的增加，低温冲击吸收能量有上升趋势，但增量不大。对比S4、S5和S6可知，低温冲击吸收能量随着Ni合金添加量的增加而提升，与S1、S2和S3的变化趋势相同。

对比S1与S4、S2与S5、S3与S6，未见力学性能有明显变化。故Cu的添加量在0.2%～0.9%之间变化时对力学性能影响不显著。

3.2 Ni元素和Cu元素对耐候指数的影响

对比S 1～S 6共6组试验计算的耐候指数，S1～S3的耐候指数均＞6.5，而S4～S6的耐候指数均＜6.5。由表6可见，随着Ni合金添加量的增加，耐候指数略有提升；而当Cu元素含量增加时，其耐候指数明显下降。

3.3 工艺性能分析

试验焊剂S1～S6的合金成分变化时，以SiO2为变量调整，碱度未发生明显变化。按照表5的焊接参数进行焊接时，焊接工艺未见明显变化，焊缝成形美观，波纹细腻，脱渣良好，可操作性佳。

4 结束语

通过对耐候钢配套埋弧焊丝用焊剂进行合金化处理，以焊丝TH550-NQ-Ⅲ为试验对象，研究了焊剂中不同Ni、Cu、Mo合金添加量对熔敷金属力学性能和耐候指数的影响。

1）按照设计的合金添加量，6组不同合金含量的焊剂与焊丝TH550-NQ-Ⅲ匹配的熔敷金属力学性能均较好，工艺性能优异。

2）随着Ni合金添加量和碱度的增加，耐候指数略有上升，低温冲击吸收能量也有上升趋势，但增量不大，说明Ni元素对强度没有明显的影响。

3）当Cu含量在0.2%～0.9%变化时，随着Cu合金添加量的增加，其对性能没有明显影响，但耐候指数明显降低。

4）S1～S3试验焊剂均可满足熔敷金属力学性能要求和耐候指数要求，工艺性也良好。