耐火钢焊接用气保焊药芯焊丝

1发明概述

在建筑、土木和海洋建造物领域的各种建造物焊接中，广泛使用低碳钢和高强钢用电弧焊用药芯焊丝（JIS Z3313）、耐候钢用CO2气体保护药芯焊丝（JIS Z3320）。如特公昭59-44159号公报、特_昭59-64195号公报、特公昭63-7879号公报中公布的钛型焊丝，特公昭64-24124号公报、特_昭52-125437号公报中介绍了金属氟化物为主要成分的药芯焊丝。

在各种建造物中，特别是与生活密切相关的办公室和居住等建筑物，使用上述专利公布的焊丝焊接时，为了确保在火灾方面的安全性，应采用防火涂料，除在焊缝表面喷镀熔渣绵、石棉和玻璃棉等基础材料，并铺毛毡外，还要包覆防火灰浆以及在上述绝热层上铺设金属薄膜，即铝、不锈钢、薄钢板等，其耐火涂覆工程费甚至比焊接材料价格还高，不可避免地使建筑成本大幅度上升。在建筑法令中规定，火灾时焊缝金属部分承受的温度应大于350 ℃，而350 ℃时屈服强度仅为常温的60%～70%，存在建筑物倒塌的风险。

上述建筑物使用普通焊丝时，由于价格便宜，高温特性低，不可能利用无涂敷和轻微涂覆，必须实施价格高昂的耐火涂覆，建设成本随着提高，建筑物利用空间减小，经济效率降低。

注：①特_平4309491 耐火用ガスシ` ルドア`ク溶接用フラックス入リワイヤ度。如果使用钼钢和铬钼钢耐热钢MIG焊药芯焊丝（JIS Z3318），高温性能好，但价格非常高，焊剂施工使用困难。此外，随着近年来建筑物高层化的发展，由于设计技术的提高与信赖度的提高，关于耐火设计需要重新评估，1987年（昭和62年）制定并通过了建筑物新耐火设计方法，不是以前面叙述的350 ℃温度为极限，而是根据焊缝的高温强度和建筑物实际载荷，并考虑耐火涂覆能力，因此，需要开发能够获得600 ℃时高温特性优良、冲击韧度良好，具有耐候性的焊缝金属的焊丝；同时随着建筑物的高层化，焊缝的疲劳问题已经提到日程上来。发明者们通过广泛的研究，发现通过调整药芯组成可以解决上述问题。发明的目的是提供获得可以提高耐火性能和疲劳性能焊缝金属的药芯焊丝。

现在开发的耐火钢材是为600 ℃时的高温屈服强度高于常温时的70%而设计和制造的，如果焊缝部分具有大于这种耐火钢材的高温屈服强度值，建筑物的整体也是经济的，只需添加微量的高价金属元素。焊缝金属部分可以涂覆薄层耐火层，火灾荷载小时，也可以不使用涂覆。

发明的耐火钢用气体保护焊药芯焊丝，其措施是在钢制外皮内添加如下成分（质量百分比，%）：TiO2：0.5%～2.4%，SiO2： 0.3%～3%，ZrO2：0.5%～4%，MgO：0.3%～3%，铁氧化物（换算成FeO）：0.3%～3%，脱氧剂：1%～6.0%。钢制外皮或药芯中一方或两方含有：Mo：0.10%～0.50%，Nb：0.005%～0.025%，（0.5Mo+10Nb）：0.1%～0.4%。添加一种或两种Ti：0.05%～0.35%、B：0.005%～0.015%的附加成分，必要时添加一种或两种以上的Cu：0.20%～0.60%、Cr：0.30%～0.75%、Ni：0.05%～0.70%。

2发明的内容

发明者对各种焊丝进行了试验研究，结果表明，复合添加Mo与Nb对增加该高温区域中屈服强度极为有效。但是，当Nb与Mo含量多时，焊接性能恶化，所以，Nb与Mo含量的上限分别为0.025%和0.50%，最小的下限含量分别为0.005%和0.10%。

发明限定复合添加少量的Mo与Nb （0.5Mo+10Nb） 在0.1%～0.4%范围内。此时Nb与Mo 形成微细的氮化物，同时，由于Mo的固溶强化，增加了高温强度，而如果单独添加Mo，则很难获得600 ℃时的高温屈服强度。

此外，还可以在焊丝中添加Ti、B。Ti形成氧化钛，细化焊缝金属的显微组织，改善韧性。含量小于0.05%时，没有这种效果，所以下限为0.05%；含量超过0.35%时，明显损害韧性，所以上限为0.35%。B是强脱氧剂和耐火物的形成元素，焊丝中添加该元素，可促进焊缝金属结晶形核，阻止柱状晶长大，细化晶粒，还具有提高焊缝金属淬火性能的效果。B含量小于0.005%，没有这种效果，上限超过0.015%时，焊缝金属易产生高温裂纹。Ti、B与Nb、Mo一样，从外皮、药芯或两者中添加为好。

以上是提高耐火性能的手段。研究者们考虑使用无涂层的耐火涂料（扩大技术领域），不探讨是否具有耐候性问题。其结果，耐候钢用CO2气体保护焊药芯焊丝（JIS Z3320）如果是P、W类型的成分范围，焊态的强度稍高，认为充分满足本发明600 ℃时高温特性的目的。因此，可在钢制外皮或药芯一方或两方中添加一种或两种以上的Cu：0.20%～0.60%、Cr：0.30%～0.75%、Ni：0.05%～0.70%。Cu也可以从焊丝表面镀层添加。

2.1TiO2的含量

TiO2的质量百分含量为0.5%～2.4%。

TiO2是稳定电弧的有效成分，同时生成的熔渣具有改善焊道成形的效果。其含量小于0.5%时没有上述的效果；超过2.4%时，电弧稳定，但熔渣的粘度过大，提高了疲劳强度，但焊趾部分的均匀性差。因此，TiO2含量在0.5%～2.4%范围内。TiO2的来源是金红石、高钛渣、钛铁矿等。

2.2SiO2的含量

SiO2的质量百分含量为0.3%～3%。

SiO2具有调整熔渣粘度、改善焊道成形的作用。其含量小于0.3%时，得不到这种效果；超过3%时，熔渣流动性恶化，焊道成形不好。因此，SiO2含量在0.3%～3%范围内。SiO2的来源是硅砂、长石、锆英砂、硅灰石等。

2.3ZrO2的含量

ZrO2的质量百分含量为0.5%～4%。

ZrO2具有提高熔渣的凝固点、防止粘渣、改善脱渣性能、使焊道有光泽的作用。其含量小于0.5%时，没有这种效果；超过4%时，熔渣的粘度过大，焊道成形不好。因此，ZrO2含量在0.5%～4%范围内。ZrO2的来源是锆英砂、锆等。

2.4MgO的含量

MgO的质量百分含量为0.5%～3%。

MgO的加入可以提高疲劳强度，水平角焊时获得平滑焊道形状，特别是焊趾部分平滑成形的效果。其含量小于0.5%时，没有改善焊道成形的效果；超过3%时，熔渣的覆盖性不好，焊道成形差。因此，MgO含量在0.5%～3%范围内。作为MgO的来源是烧结镁砂、橄榄石砂（Mg2SiO4）、电容镁砂、滑石（Mg3[Si4O10]（OH）2）等。

2.5氧化铁的含量

氧化铁的质量百分含量为0.5%～3%（换算成FeO）。

氧化铁与MgO一样，具有水平角焊时获得平滑焊道形状，特别是焊趾部分平滑成形的效果。其含量小于0.5%时，没有改善焊道成形的效果；超过3%时，与Si、Mn等脱氧剂反应，造成脱氧不足，焊缝金属中产生气孔等缺陷。因此，换算成FeO的氧化铁添加量控制在0.5%～3%。作为氧化铁有轧制氧化皮、磁铁矿、铁氧化物等。

2.6脱氧剂的含量

脱氧剂的质量百分含量为1.0%～6.0%。

脱氧剂顾名思义，具有脱氧作用，是减少焊缝金属中的非金属夹杂物。提高焊缝金属物理性能的有效成分。代表性脱氧剂有Si、Mn、Al、Mg等金属和它们的合金。脱氧剂占焊丝重量比小于1.0%时，脱氧不足，X射线探伤性能恶化，所以下限为1.0%；其含量超过6.0%时，脱氧过剩，焊缝金属的韧性和抗裂性能降低，因此上限是6.0%。

2.7其它成分

以上是必须成分，为了提高焊接效率可添加铁粉。此外，作为电弧稳定剂，添加容易电离的物质，例如，按照需要添加Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等氧化物、氟化物和碳酸盐等。发明的药芯填充率占焊丝重量的8%～25%。其含量小于8%时，含有的熔渣量不充分，得不到良好的焊接工艺性能；超过25%时，熔渣量过多，焊接工艺性能恶化，同时焊丝制造时经常产生断丝等问题。

焊丝断面形状没有任何限制。直径2mm 以下的焊丝采用简单圆筒状形式，直径2.4～3.2 mm的粗焊丝采用内部复杂结构形式。还有是无缝钢管，表面可以进行镀铜处理。

3实施例

表1是试验用具有代表性的耐火钢材化学成分，表2是试验用钢制外皮的化学成分，表3和表4是耐火钢焊接用药芯焊丝的成分构成，表5是焊接工艺性能和力学性能试验结果。

1～15号药芯焊丝是发明例，16～23号焊丝是比较例，无论哪种焊丝，都是以直径1.2 mm焊丝研究焊接工艺性能，在12.7 mm厚的JIS SM400B钢板上进行水平角焊，评价焊趾部分的形状。焊接规范：焊接电流270 A；电弧电压30 V；保护气体为100%CO2。力学性能的研究是在表1所示化学成分的20 mm厚钢板上开坡口，采用与焊接工艺性能相同的焊接规范，按JIS标准进行焊接试板，焊接工艺性能和力学性能试验结果见表5。

如表5研究结果表明的那样，本发明例的1～15号焊丝，均具有良好的常温和高温的强度，同时冲击韧性也高，具有良好的焊接工艺性能。比较例16号焊丝成分构成的TiO2与Mo含量不在本发明内，焊接工艺性能不好，同时600 ℃的高温屈服强度降低。比较例17号焊丝FeO与Nb含量过多，焊接工艺性能和韧性不好。18号焊丝MgO含量不足，焊接工艺性能差。19号焊丝由于没有添加本发明的必须成分，高温屈服强度低。20～21号焊丝高温屈服强度、韧性良好，但TiO2、SiO2含量过多，焊接工艺性能不好。22号焊丝Mo含量不在本发明内，得不到高温屈服强度。23号焊丝中熔渣量不够，焊接工艺性能不好。这样本发明以外的焊丝，高温屈服强度不够，冲击韧性低，焊接工艺性能不好，不适于耐火钢焊接用。

4发明的效果

开发了能够获得600 ℃时高温特性优良、而且冲击韧度良好，具有耐候性的焊缝金属的耐火钢药芯焊丝。解决了高层化建筑物的焊缝的疲劳问题，提供了提高耐火性能和疲劳性能焊缝金属的药芯焊丝，并在高层建筑结构中进行了应用，取得了良好的安全性和经济效果。