橋梁高強鋼用藥芯焊絲YCJ110K3—1的研制

孟慶潤 呂奎清 王勇

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

1. 焊絲配方設計

（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，該渣系特點是可以實現良好的全位置焊接，便于工程實際操作。采用鎂鋁等強氧化劑脫氧，降低焊縫中O、N含量。選用富氬氣體（80%Ar+20%CO2）作為保護氣體，增加合金過渡系數。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）合金系統選擇 焊絲合金系為Mn-Si-Ti-B，同時加入稀土元素。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。當焊縫中wMn=0.8%~1.4%，wSi=0.3%~0.55%時，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，可以促進焊縫金屬晶粒細化。這些小顆粒TiO還可以作為針狀鐵素體（AF）的形核質點，促進AF的生成。Ti在焊縫中保護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大，促進生成針狀鐵素體，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 選用 Q620E鋼板，板厚20mm，在焊接過程中采用小擺動的焊接手法，進行多層多道焊接。焊接參數如表1所示。

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

表1 焊接參數

表2 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表3 熔敷金屬力學性能

表4 對接接頭力學性能

（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）熔敷金屬擴散氫含量測定 按照GB／T3965—1995的要求，用水銀法檢測熔敷金屬擴散氫含量。試驗條件：電弧電壓28V、焊接電流260A、環境溫度24℃、環境濕度37%、保護氣體為富氬。擴散氫含量測試結果如表5所示。由表5可知，擴散氫含量均值3.7mL/100g，檢測結果＜5.0mL∕100g，達到了超低氫水平。這對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）試驗參數 選取兩種焊絲，分別為YCJ110K3—1和國外樣品，焊絲直徑均為1.2mm，采用時代公司產NB—500氣體保護焊機。保護氣體為富氬氣體（80%Ar+20%CO2），預設電壓為24.5V，氣體流量為18L/min，干伸長為18mm。采用直流反接極性，用HA—XII—4E型德國漢諾威分析儀測試焊接電弧物理指數，焊接采樣時間每次分別10s。

（2）電弧物理指數測試 表6為兩種藥芯焊絲電弧物理指數測試結果。熔滴短路周期變異系數ε（Tc）可以用來表征熔滴過渡周期特征信息，ε（Tc）值越小，表明焊接過程越穩定，熔滴尺寸細小。因此ε（Tc）可以作為評價藥芯焊絲工藝性的判據。由表6可以發現，YCJ110K3—1焊絲ε（Tc）值低于樣品焊絲，說明熔滴過渡穩定，工藝性良好。

（3）短路頻率測試 采用漢諾威分析儀對兩種藥芯焊絲進行測試，分析儀設置最小短路時間T：1min=1 000μs，閾值電壓UN=18V，短路時間組寬ΔT1=100μs，短路周期組寬ΔTc=500μs。圖1是兩種藥芯焊絲短路時間T1頻次疊加圖。短路過渡形態所占比例較多時，短路頻率較高。噴射過渡形態所占比例較多時，由于短路情況較少，總的短路頻率較少。當焊絲為完全的噴射過渡時，短路頻率基本接近于零。焊接時統計得到的短路出現的頻率越少，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，熔滴尺寸細小，熔滴過渡頻率高，電弧穩定。

表5 擴散氫含量

表6 兩種藥芯焊絲電弧物理指數測試結果

圖 1

圖 2

4. 結語

YCJ110K3—1藥芯焊絲具有良好的綜合力學性能，低溫沖擊韌性良好；工藝優良，焊絲擴散氫達到超低氫水平，抗裂性優良。該焊絲自投產后，用于Q620E橋梁鋼的焊接，用戶反應良好。

[1]張文鉞．焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，1996.