肖平

1發(fā)明概述

在建筑、土木和海洋建造物領(lǐng)域的各種建造物焊接中，廣泛使用低碳鋼和高強(qiáng)鋼用電弧焊用藥芯焊絲（JIS Z3313）、耐候鋼用CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲（JIS Z3320）。如特公昭59-44159號公報(bào)、特開昭59-64195號公報(bào)、特公昭63-7879號公報(bào)中公布的鈦型焊絲，特公昭64-24124號公報(bào)、特開昭52-125437號公報(bào)中介紹了金屬氟化物為主要成分的藥芯焊絲。

在各種建造物中，特別是與生活密切相關(guān)的辦公室和居住等建筑物，使用上述專利公布的焊絲焊接時，為了確保在火災(zāi)方面的安全性，應(yīng)采用防火涂料，除在焊縫表面噴鍍?nèi)墼d、石棉和玻璃棉等基礎(chǔ)材料，并鋪毛氈外，還要包覆防火灰漿以及在上述絕熱層上鋪設(shè)金屬薄膜，即鋁、不銹鋼、薄鋼板等，其耐火涂覆工程費(fèi)甚至比焊接材料價格還高，不可避免地使建筑成本大幅度上升。在建筑法令中規(guī)定，火災(zāi)時焊縫金屬部分承受的溫度應(yīng)大于350 ℃，而350 ℃時屈服強(qiáng)度僅為常溫的60%～70%，存在建筑物倒塌的風(fēng)險。

上述建筑物使用普通焊絲時，由于價格便宜，高溫特性低，不可能利用無涂敷和輕微涂覆，必須實(shí)施價格高昂的耐火涂覆，建設(shè)成本隨著提高，建筑物利用空間減小，經(jīng)濟(jì)效率降低。

注：①特開平4309491 耐火鋼用ガスシー ルドアーク溶接用フラックス入リワイヤ度。如果使用鉬鋼和鉻鉬鋼耐熱鋼MIG焊藥芯焊絲（JIS Z3318），高溫性能好，但價格非常高，焊劑施工使用困難。此外，隨著近年來建筑物高層化的發(fā)展，由于設(shè)計(jì)技術(shù)的提高與信賴度的提高，關(guān)于耐火設(shè)計(jì)需要重新評估，1987年（昭和62年）制定并通過了建筑物新耐火設(shè)計(jì)方法，不是以前面敘述的350 ℃溫度為極限，而是根據(jù)焊縫的高溫強(qiáng)度和建筑物實(shí)際載荷，并考慮耐火涂覆能力，因此，需要開發(fā)能夠獲得600 ℃時高溫特性優(yōu)良、沖擊韌度良好，具有耐候性的焊縫金屬的焊絲；同時隨著建筑物的高層化，焊縫的疲勞問題已經(jīng)提到日程上來。發(fā)明者們通過廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整藥芯組成可以解決上述問題。發(fā)明的目的是提供獲得可以提高耐火性能和疲勞性能焊縫金屬的藥芯焊絲。

現(xiàn)在開發(fā)的耐火鋼材是為600 ℃時的高溫屈服強(qiáng)度高于常溫時的70%而設(shè)計(jì)和制造的，如果焊縫部分具有大于這種耐火鋼材的高溫屈服強(qiáng)度值，建筑物的整體也是經(jīng)濟(jì)的，只需添加微量的高價金屬元素。焊縫金屬部分可以涂覆薄層耐火層，火災(zāi)荷載小時，也可以不使用涂覆。

發(fā)明的耐火鋼用氣體保護(hù)焊藥芯焊絲，其措施是在鋼制外皮內(nèi)添加如下成分（質(zhì)量百分比，%）：TiO2：0.5%～2.4%，SiO2： 0.3%～3%，ZrO2：0.5%～4%，MgO：0.3%～3%，鐵氧化物（換算成FeO）：0.3%～3%，脫氧劑：1%～6.0%。鋼制外皮或藥芯中一方或兩方含有：Mo：0.10%～0.50%，Nb：0.005%～0.025%，（0.5Mo+10Nb）：0.1%～0.4%。添加一種或兩種Ti：0.05%～0.35%、B：0.005%～0.015%的附加成分，必要時添加一種或兩種以上的Cu：0.20%～0.60%、Cr：0.30%～0.75%、Ni：0.05%～0.70%。

2發(fā)明的內(nèi)容

發(fā)明者對各種焊絲進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，復(fù)合添加Mo與Nb對增加該高溫區(qū)域中屈服強(qiáng)度極為有效。但是，當(dāng)Nb與Mo含量多時，焊接性能惡化，所以，Nb與Mo含量的上限分別為0.025%和0.50%，最小的下限含量分別為0.005%和0.10%。

發(fā)明限定復(fù)合添加少量的Mo與Nb （0.5Mo+10Nb） 在0.1%～0.4%范圍內(nèi)。此時Nb與Mo 形成微細(xì)的氮化物，同時，由于Mo的固溶強(qiáng)化，增加了高溫強(qiáng)度，而如果單獨(dú)添加Mo，則很難獲得600 ℃時的高溫屈服強(qiáng)度。

此外，還可以在焊絲中添加Ti、B。Ti形成氧化鈦，細(xì)化焊縫金屬的顯微組織，改善韌性。含量小于0.05%時，沒有這種效果，所以下限為0.05%；含量超過0.35%時，明顯損害韌性，所以上限為0.35%。B是強(qiáng)脫氧劑和耐火物的形成元素，焊絲中添加該元素，可促進(jìn)焊縫金屬結(jié)晶形核，阻止柱狀晶長大，細(xì)化晶粒，還具有提高焊縫金屬淬火性能的效果。B含量小于0.005%，沒有這種效果，上限超過0.015%時，焊縫金屬易產(chǎn)生高溫裂紋。Ti、B與Nb、Mo一樣，從外皮、藥芯或兩者中添加為好。

以上是提高耐火性能的手段。研究者們考慮使用無涂層的耐火涂料（擴(kuò)大技術(shù)領(lǐng)域），不探討是否具有耐候性問題。其結(jié)果，耐候鋼用CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲（JIS Z3320）如果是P、W類型的成分范圍，焊態(tài)的強(qiáng)度稍高，認(rèn)為充分滿足本發(fā)明600 ℃時高溫特性的目的。因此，可在鋼制外皮或藥芯一方或兩方中添加一種或兩種以上的Cu：0.20%～0.60%、Cr：0.30%～0.75%、Ni：0.05%～0.70%。Cu也可以從焊絲表面鍍層添加。

2.1TiO2的含量

TiO2的質(zhì)量百分含量為0.5%～2.4%。

TiO2是穩(wěn)定電弧的有效成分，同時生成的熔渣具有改善焊道成形的效果。其含量小于0.5%時沒有上述的效果；超過2.4%時，電弧穩(wěn)定，但熔渣的粘度過大，提高了疲勞強(qiáng)度，但焊趾部分的均勻性差。因此，TiO2含量在0.5%～2.4%范圍內(nèi)。TiO2的來源是金紅石、高鈦渣、鈦鐵礦等。

2.2SiO2的含量

SiO2的質(zhì)量百分含量為0.3%～3%。

SiO2具有調(diào)整熔渣粘度、改善焊道成形的作用。其含量小于0.3%時，得不到這種效果；超過3%時，熔渣流動性惡化，焊道成形不好。因此，SiO2含量在0.3%～3%范圍內(nèi)。SiO2的來源是硅砂、長石、鋯英砂、硅灰石等。

2.3ZrO2的含量

ZrO2的質(zhì)量百分含量為0.5%～4%。

ZrO2具有提高熔渣的凝固點(diǎn)、防止粘渣、改善脫渣性能、使焊道有光澤的作用。其含量小于0.5%時，沒有這種效果；超過4%時，熔渣的粘度過大，焊道成形不好。因此，ZrO2含量在0.5%～4%范圍內(nèi)。ZrO2的來源是鋯英砂、鋯等。

2.4MgO的含量

MgO的質(zhì)量百分含量為0.5%～3%。

MgO的加入可以提高疲勞強(qiáng)度，水平角焊時獲得平滑焊道形狀，特別是焊趾部分平滑成形的效果。其含量小于0.5%時，沒有改善焊道成形的效果；超過3%時，熔渣的覆蓋性不好，焊道成形差。因此，MgO含量在0.5%～3%范圍內(nèi)。作為MgO的來源是燒結(jié)鎂砂、橄欖石砂（Mg2SiO4）、電容鎂砂、滑石（Mg3[Si4O10]（OH）2）等。

2.5氧化鐵的含量

氧化鐵的質(zhì)量百分含量為0.5%～3%（換算成FeO）。

氧化鐵與MgO一樣，具有水平角焊時獲得平滑焊道形狀，特別是焊趾部分平滑成形的效果。其含量小于0.5%時，沒有改善焊道成形的效果；超過3%時，與Si、Mn等脫氧劑反應(yīng)，造成脫氧不足，焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔等缺陷。因此，換算成FeO的氧化鐵添加量控制在0.5%～3%。作為氧化鐵有軋制氧化皮、磁鐵礦、鐵氧化物等。

2.6脫氧劑的含量

脫氧劑的質(zhì)量百分含量為1.0%～6.0%。

脫氧劑顧名思義，具有脫氧作用，是減少焊縫金屬中的非金屬夾雜物。提高焊縫金屬物理性能的有效成分。代表性脫氧劑有Si、Mn、Al、Mg等金屬和它們的合金。脫氧劑占焊絲重量比小于1.0%時，脫氧不足，X射線探傷性能惡化，所以下限為1.0%；其含量超過6.0%時，脫氧過剩，焊縫金屬的韌性和抗裂性能降低，因此上限是6.0%。

2.7其它成分

以上是必須成分，為了提高焊接效率可添加鐵粉。此外，作為電弧穩(wěn)定劑，添加容易電離的物質(zhì)，例如，按照需要添加Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等氧化物、氟化物和碳酸鹽等。發(fā)明的藥芯填充率占焊絲重量的8%～25%。其含量小于8%時，含有的熔渣量不充分，得不到良好的焊接工藝性能；超過25%時，熔渣量過多，焊接工藝性能惡化，同時焊絲制造時經(jīng)常產(chǎn)生斷絲等問題。

焊絲斷面形狀沒有任何限制。直徑2mm 以下的焊絲采用簡單圓筒狀形式，直徑2.4～3.2 mm的粗焊絲采用內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式。還有是無縫鋼管，表面可以進(jìn)行鍍銅處理。

3實(shí)施例

表1是試驗(yàn)用具有代表性的耐火鋼材化學(xué)成分，表2是試驗(yàn)用鋼制外皮的化學(xué)成分，表3和表4是耐火鋼焊接用藥芯焊絲的成分構(gòu)成，表5是焊接工藝性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

1～15號藥芯焊絲是發(fā)明例，16～23號焊絲是比較例，無論哪種焊絲，都是以直徑1.2 mm焊絲研究焊接工藝性能，在12.7 mm厚的JIS SM400B鋼板上進(jìn)行水平角焊，評價焊趾部分的形狀。焊接規(guī)范：焊接電流270 A；電弧電壓30 V；保護(hù)氣體為100%CO2。力學(xué)性能的研究是在表1所示化學(xué)成分的20 mm厚鋼板上開坡口，采用與焊接工藝性能相同的焊接規(guī)范，按JIS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接試板，焊接工藝性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

如表5研究結(jié)果表明的那樣，本發(fā)明例的1～15號焊絲，均具有良好的常溫和高溫的強(qiáng)度，同時沖擊韌性也高，具有良好的焊接工藝性能。比較例16號焊絲成分構(gòu)成的TiO2與Mo含量不在本發(fā)明內(nèi)，焊接工藝性能不好，同時600 ℃的高溫屈服強(qiáng)度降低。比較例17號焊絲FeO與Nb含量過多，焊接工藝性能和韌性不好。18號焊絲MgO含量不足，焊接工藝性能差。19號焊絲由于沒有添加本發(fā)明的必須成分，高溫屈服強(qiáng)度低。20～21號焊絲高溫屈服強(qiáng)度、韌性良好，但TiO2、SiO2含量過多，焊接工藝性能不好。22號焊絲Mo含量不在本發(fā)明內(nèi)，得不到高溫屈服強(qiáng)度。23號焊絲中熔渣量不夠，焊接工藝性能不好。這樣本發(fā)明以外的焊絲，高溫屈服強(qiáng)度不夠，沖擊韌性低，焊接工藝性能不好，不適于耐火鋼焊接用。

4發(fā)明的效果

開發(fā)了能夠獲得600 ℃時高溫特性優(yōu)良、而且沖擊韌度良好，具有耐候性的焊縫金屬的耐火鋼藥芯焊絲。解決了高層化建筑物的焊縫的疲勞問題，提供了提高耐火性能和疲勞性能焊縫金屬的藥芯焊絲，并在高層建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的安全性和經(jīng)濟(jì)效果。