一种焊接性优异的高耐候气体保护焊丝的制作方法

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种焊接性优异的高耐候气体保护焊丝。

背景技术：

由于受环境气候等因素的影响，暴露在空气中的钢结构容易腐蚀，影响钢结构的安全和维护。上世纪八十年代末，部分钢企研制了第一代耐候钢(如集装箱用SPA-H和Q345GNHL等，铁路车辆用09CuPTiRe等)。2003年国内钢企研制出了第二代耐候钢Q450，把屈服强度从第一代的345MPa升级到450MPa，耐腐蚀性能更好，且避免了涂装污染，同时降低了钢结构的维护成本。过去几年里，铁路货车厂大批量新造的产品为采用Q450NQR1高强度耐候钢制造的C70型敞车、P70型棚车、G70型罐车、L70型粮食漏斗车以及各类集装箱平板车。为了进一步提高铁路货车材料的耐腐蚀性能，2010年国内成功开发出耐腐蚀性能比Q450NQR1提高约50％的第三代高耐蚀型耐候钢S450EW，多家钢厂成功试制了S450EW。

为适应耐候钢的焊接，配套的耐候气体保护焊丝也相应得到开发，如CN1611321A公开的耐候气保焊丝，通过富氩气体保护焊接，能够获得满足550MPa级焊丝的性能要求，其具有一定耐候性能，满足焊接第二代耐候钢Q450NQR1的要求，但不能适应第三代耐候S450EW的高耐候性；CN102756219A公开的650MPa级耐候气保焊丝，解决了第三代铁道车辆用新型高耐蚀型耐候钢系列的配套气体保护焊丝问题，但由于其较高的Ni，Cr，Cu含量，并含有较高比例的Ti元素，焊接工艺性差，主要表现在：焊接时熔化金属不易铺展，焊道高耸，成型差，为了保证焊缝力学性能，采用富氩气体保护进行焊接，该焊接工艺配套焊接时焊缝指状熔深突出，易造成夹渣，裂纹等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种焊接性优异的高耐候气体保护焊丝，基于化学成分及焊接工艺配套设计原则，在满足650MPa级别力学性能的基础上，弥补了气保焊丝耐候性能不足及焊接工艺性能差的缺点，耐候性能好，且具有优异的焊接工艺性能，焊缝力学性能满足S450EW级别要求，抗拉强度≥650MPa，-40℃的冲击韧性≥100J。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种焊接性优异的高耐候气体保护焊丝，化学组成按质量百分比为计包括：C<0.02％，Mn 0.75-1.30％，Si 0.20-0.40％，P≤0.015％，S 0.016-0.030，Ni 2.2-4.0％，Cr 0.80-1.20％，Cu 0.10-0.30％，Ti 0.005-0.020，余量为铁及不可避免的杂质；其中，Ti和S元素按质量百分比含量应满足：

Ti在0.005～0.010％时，0.4×[Ti]+0.014％≤[S]≤2.0×[Ti]+0.01％；

Ti在0.010～0.015％时，0.4×[Ti]+0.014％≤[S]≤0.030％；

Ti在0.015～0.020％时，[Ti]+0.005％≤[S]≤0.030％。

以下对本发明中焊接性优异的高耐候气体保护焊丝的化学组成进行详细说明：

Ti是强脱氧剂，且与N的亲和力极高，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物(TiO₂，TiN)质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性，但较高的Ti含量会使钢液粘稠，不利于炼钢的连铸过程，同时也不利于焊缝在熔化状态时的流动性，对成形不利，因此控制Ti含量0.005～0.020％。此外，焊丝中含有S元素，传统认为，S元素应尽可能控制在较低水平，以避免其对焊缝韧性的有害作用，但研究发现，提高S含量到一定水平，并控制不同Ti与S含量的搭配，会对电弧稳定性、焊接飞溅、熔池润湿性及焊缝成形产生有利影响，且不会对焊缝韧性产生危害。因此，本发明通过控制Ti、S同时存在时的对应含量，以保证焊缝在满足力学性能要求的同时具有较好的焊接工艺性能，本发明焊丝中，Ti-S的对应含量应满足附图1阴影区的要求，即满足：0.4×[Ti]+0.014％≤[S]≤2.0×[Ti]+0.01％(0.005％≤Ti≤0.010％)；0.4×[Ti]+0.014％≤[S]≤0.030％(0.010％≤Ti≤0.015％)；[Ti]+0.005％≤[S]≤0.030％(0.015％≤Ti≤0.020％)。

C是保证焊缝强度的重要因素，但过高C含量会增加焊接过程中焊缝金属的冷裂倾向，由于本发明中含有较高的合金元素，为尽可能降低焊缝冷裂敏感性并保证焊缝强度不会过高，将C含量控制在0.02％以下。

Mn在焊缝中通过细化焊缝组织，从而提高焊缝金属的强度和韧性，同时Mn兼具焊缝脱氧作用。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，为保证焊缝具有合理强度及必要的脱氧性，设定Mn含量为0.75-1.30％。

Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用。此外，Si与Mn同样，在含量过高时会对焊缝韧性不利，并会增加焊缝裂纹敏感性，所以Si含量不宜过高，控制Si含量在0.20-0.40％。

P对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素控制在合理范围，P易在焊缝中心发生偏析，这种偏析也将促进氢致裂纹的形成，因此设置P含量不高于0.015％。

Cr-Ni-Cu成分体系在本发明中的应用，主要是为了满足焊缝金属具有与母材钢板相当的耐候性能。同时，对焊缝力学性能与工艺性能有不同影响。

Cr元素可增加焊缝中针状铁素体的含量，提高焊缝的强度和低温韧性，但过高的Cr会提高脆性转变温度，控制其含量Cr0.80-1.20％。

Ni会通过韧化铁素体基体提高焊缝金属的低温冲击韧性，同时，Ni也是提高焊缝耐候性能的重要元素。但是过高Ni含量会降低焊缝金属流动性，对焊缝成形不利，而且也会造成成本大幅上升，因此，设置Ni含量为2.2-4.0％。

Cu元素一方面利用其细化焊缝金属组织，另一方面利用其细小的析出相来同时提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。但其含量过高会增加焊缝的热脆性，因此，设置Cu含量0.10-0.30％。

优选的，所述的焊丝采用直流反接的焊接极性，可匹配100％CO₂或者Ar+20％CO₂作为保护气体进行焊接，同时，可匹配200A～350A的电流及22V～35V的电压进行焊接。在匹配CO₂焊接时具有优异的焊缝成形性；在匹配Ar+20％CO₂混合气体焊接时，焊缝具有优异的低温韧性。由于使用Ar成本较高，优选100％CO₂作为保护气体。

与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

1.本发明控制Ti、S同时存在时的对应含量，使Ti和S化学成分(质量百分比，wt％)满足：0.4×[Ti]+0.014≤[S]≤2.0×[Ti]+0.01(0.005≤Ti≤0.010)；0.4×[Ti]+0.014≤[S]≤0.030(0.010≤Ti≤0.015)；[Ti]+0.005≤[S]≤0.030(0.015≤Ti≤0.020)。可改善电弧稳定性、焊缝流动性及熔池润湿性，减缓焊接飞溅，焊缝成形好。

2.本发明焊丝可采用100％CO₂作为保护气体，并优选100％CO₂作为保护气体，与传统合金焊丝必须使用富氩气体保护焊接相比较，可降低焊接成本，且在满足耐候及力学性能要求条件下，兼具优异的焊缝成形性。

附图说明

图1为Ti和S的优选关系图；

图2为润湿性和焊缝成型符号示意图；

图3为无指状熔深的焊缝横切面图；

图4为有指状熔深的焊缝横切面图。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

按照目标成分冶炼、并浇铸成钢锭。钢锭经均匀化处理、加工成盘条；再经软化处理、酸洗、拉丝、镀铜、绕盘等工序制成焊丝，焊丝化学成分见附表1，Ti和S的优选关系如图1所示。

焊丝采用直流反接的焊接极性，匹配100％CO₂或者Ar+20％CO₂作为保护气体进行焊接，同时，可匹配200A～350A的电流及22V～35V的电压进行焊接。熔敷金属性能测试参照国标进行。焊接工艺性能测试采用平板表面堆焊的方式焊接，通过高速摄像记录焊接过程，以评判其熔滴过渡行为(飞溅)；将平板焊接焊缝机加工取其横断面，根据测量的焊缝尺寸评判其润湿性及焊缝成形性，如图2所示，通过横截面形貌观察评判其是否产生指状熔深，如图3和4所示；各项性能检测结果见附表2，评判准则见附表3。

表1实施例及对比例中焊丝化学成分

表2熔敷金属性能及焊接工艺性能

^*：评判标准及各符号意义见附表3

表3焊丝焊接工艺性能的评判准则

相对于对比例，实施例在保证焊缝具有优异的力学性能以外，兼具优异的焊接工艺性能，即：焊接飞溅低，焊缝润湿性好，焊缝成型好，且没有明显的指状熔深，解决了目前高耐候钢配套焊丝焊接工艺性差的问题。