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武汉铁锚焊接材料有限公司包润新 周海龙
摘 要：本文从合金配比、工艺性等方面介绍一种830 MPa级桥梁高强钢Q690E配套用YCJ83-1药芯焊丝研制过程。焊丝合金系为Mn-Si-Ti-B，同时加入稀土元素以净化焊缝，提高焊缝金属低温冲击韧性；通过对比分析证明焊丝具有良好焊接工艺性能，同时焊丝具有良好抗裂性。经过大量试验研制出符合桥梁高强钢Q690E配套用YCJ83-1药芯焊丝。
高强钢具有许多优点，包括重量轻、制造综合成本低等。近年来在现代桥梁行业等领域830MPa级高强钢逐步得到应用，Q690E桥梁钢具有高强、高韧性，可焊接性良好等特点。随着钢板强韧性等级提高，对焊接材料也提出较高要求，因此研制与其配套的强度高且韧性优良的YCJ83-1药芯焊丝十分必要[1]。本文参考GB/T 17493-2008标准中E83XT1-K5M的要求，结合我公司及市场应用情况，提出化学成分及力学性能指标要求。
1、焊丝配方设计
1.1 渣系选择
焊丝采用以金红石为主，加上一定量石英和氧化铝的TiO2—SiO2—Al2O3渣系，该渣系特点是可以实现良好的全位置焊接性，尤其是立焊操作性良好。选用富氩气体（95%Ar+5%CO2） 作为保护气体，增加合金过渡系数。通过加入氟化稀土氧化物净化焊缝，保证焊缝金属的低温冲击。采用铝粉等强氧化剂脱氧，降低焊缝中O、N含量。
1.2 合金系统选择
焊丝合金系为Mn-Si-Ti-B，同时加入稀土元素。通过控制Mn、Si、Ti、B在焊缝中含量，提高焊缝金属低温冲击韧性。当焊缝中Mn=1.5% ~1.9%，Si=0.45%~0.65%时，得到较多针状铁素体组织。低合金钢焊缝中Ti、B可以大幅提高焊缝韧性。
Ti与氧的亲和力很大，焊缝中Ti是以微小颗粒氧化物形式（TiO）弥散分布于焊缝中，可以促进焊缝金属晶粒细化。这些小颗粒TiO还可以作为针状铁素体（AF）的形核质点，促进AF的生成。Ti在焊缝中保护B不被氧化，B可以作为原子偏聚于晶界，降低晶界能，抑制先共栖铁素体的形核和长大，促进生成针状铁素体，改善焊缝组织韧性。焊缝中Ti-B最佳范围为Ti= 0.03%~0.05%，B=0.005%~0.007%[2]。
2、YCJ83-1药芯焊丝力学性能
2.1 焊接规范
焊丝规格直径1.2mm，Q690E钢板，板厚20mm，直流反接，焊接电压30V，焊接电流250A, 层温140~150℃。在焊接过程中采用小摆动的焊接手法，进行多层多道焊接。
2.2 YCJ83-1药芯焊丝力学性能
熔敷金属化学成分、力学性能、对接接头力学性能如表1、表2、表3所示。
2.3 焊接电弧工艺性分析
选取两种焊丝分别为YCJ83-1和国外样品，焊丝直径均为1.2mm，采用时代公司产NB-500气保焊机。保护气体为富氩气体（95%Ar+5%CO2）, 预设参数为30V/250A，气体流量均为18L/min，干伸长为18mm。采用直流反接极性，用HA-XII-4E型德国汉诺威分析仪测试焊接电弧物理指数，焊接采样时间每次分别10s。
2.4 试验结果及分析
表4为上述焊接参数下两种药芯焊丝电弧物理指数测试结果。
熔滴短路周期变异系数ε（Tc）可以用来表征熔滴过渡周期特征信息。ε（Tc）值越小，表明焊接过程越稳定，工艺性越好。因此ε（Tc） 可以作为评价药芯焊丝工艺性的判据。由表4可以发现，YCJ83-1焊丝ε（Tc）值低于样品焊丝，说明熔滴过渡稳定，工艺性良好[3]。测试2种焊丝在30V/250A参数下的电弧电压、焊接电流波形图，如图1、图2。
图1 YCJ83-1焊丝电弧电压、焊接电流波形图
图2 国外样品焊丝电弧电压、焊接电流波形图
由图1、图2看出，与国外样品焊丝比较，YCJ83-1焊丝波形稳定，工艺性较好。
2.5 高速摄影
图3是YCJ83-1焊丝30V/240A参数下高速摄影照片。图片中清晰的看出，熔滴过渡为喷射过渡，熔滴尺寸细小，熔滴过渡频率高，电弧稳定。
图3 YCJ83-1焊丝在30V/240A焊接电参数下高速摄影照片
2.6 斜Y型坡口焊接裂纹实验
斜Y型坡口焊接裂纹实验是一种拘束度较苛刻的冷裂纹试验方法，该实验主要考核焊接热影响区根部裂纹的状态。采用YCJ83-1药芯焊丝和Q690E钢板进行斜Y型坡口焊接裂纹实验。其它实验条件:焊接电压30V、焊接电流240A、焊接速度5.5mm/s、保护气体为富氩。实验按照GB4675.1-89规定执行。实验结果：在环境温度28℃、环境湿度20%的情况下，表面裂纹率、断面裂纹率均为零。
3、熔敷金属扩散氢含量测定
按照GB/T3965-1995的要求，用水银法检测熔敷金属扩散氢含量。实验条件：焊接电压30V、焊接电流260A、环境温度27℃、环境湿度35%、保护气体为富氩。扩散氢结果见表5。由表5可知，扩散氢含量均值3.4ml/100g，检测结果小于5.0ml/100g，达到了超低氢水平。这对于提高焊丝抗冷裂纹具有重要意义。
4、焊丝应用
该焊丝自投产后，用于Q690E桥梁钢的焊接, 用户反应良好。
5、结束语
5.1 YCJ83-1药芯焊丝具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好。
5.2 YCJ83-1药芯焊丝工艺优良，焊丝扩散氢达到超低氢水平，抗裂性优良。
5.3 YCJ83-1药芯焊丝可以适用于桥梁高强钢Q690E的焊接。
