專利名稱：用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊條。
背景技術(shù)：
據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)資料表明，疲勞是焊接結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，其原因在于焊接接頭焊趾處的應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，使焊接接頭的疲勞強(qiáng)度大幅度低于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。因此，為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性，在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強(qiáng)度作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，而不采用基本金屬的疲勞強(qiáng)度，顯然這造成極大浪費(fèi)。即使如此，在接頭處局部應(yīng)力集中作用下，仍然會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效，造成巨大損失，甚至人身傷亡事故。因此提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，國內(nèi)外關(guān)于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要方法有TIG熔修法、砂輪打磨法、局部機(jī)加工法，沖擊法、錘擊法、噴丸法、預(yù)過載法、局部壓延法、爆炸法、激光熔敷法及Gunnert方法等等。如上方法有一共同缺點(diǎn)是屬于焊后加工，即焊后增加一道工序，尤其對于大型焊接結(jié)構(gòu)件，會極大地增加勞動量和勞動成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)和不足，提供一種無須焊后加工，可大幅度降低勞動量和勞動成本的有效提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條。
本發(fā)明用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條，由焊芯和藥皮組成，其特征在于，所述的藥皮各組分及重量百分比含量(％)為大理石20-35，瑩石8-15，鈦白粉2-5，錳鐵3-8，稀土硅鐵1-6，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英2-6，金屬鉻13-28，金屬鎳10-25，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
本發(fā)明用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度焊條的藥皮各組分優(yōu)選含量為大理石25-30，瑩石9-12，鈦白粉2-4，錳鐵3-6，稀土硅鐵1-4，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英2-4，金屬鉻19-25，金屬鎳16-22，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
本發(fā)明用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度焊條的較為經(jīng)濟(jì)的藥皮組分含量為大理石28-35，瑩石11-15，鈦白粉3-5，錳鐵5-8，稀土硅鐵2-6，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英3-6，金屬鉻13-20，金屬鎳10-16，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
本發(fā)明用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度焊條的藥皮各組分最佳含量為大理石30，瑩石12，鈦白粉2，錳鐵5，稀土硅鐵1，鈦鐵合金5，鐵粉2，石英3，金屬鉻20，金屬鎳17，白土子1，堿面0.5，羧甲基纖維0.5，合成云母1。
本發(fā)明的焊條較一般焊條在疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命上具有極大的提高，而且可免去焊后加工工序，大大降低了勞動量和勞動成本。本發(fā)明可廣泛用于承受疲勞載荷的焊接結(jié)構(gòu)，尤其是焊縫數(shù)量巨大的大型焊接結(jié)構(gòu)，如橋梁、輪船、石油平臺、交通工具等等，也可用于產(chǎn)品疲勞斷裂的修復(fù)，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。測試結(jié)果表明，高疲勞強(qiáng)度的焊條較一般焊條的疲勞強(qiáng)度可提高10％—40％，疲勞壽命可提高2—25倍。


圖1用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條和普通焊條熔敷金屬的冷卻膨脹曲線圖。
圖2焊縫金屬的相變溫度對殘余應(yīng)力的影響圖。
圖3疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所用試件圖。
圖4疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所用試件俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
鋼鐵材料在冷卻過程中會產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變并伴隨體積膨脹，對于絕大多數(shù)鋼鐵材料，組織轉(zhuǎn)變在較高溫度下(大于材料的塑性溫度)結(jié)束，此時(shí)材料處于塑性狀態(tài)，因而體積膨脹不會影響焊接殘余應(yīng)力。但對于一定合金成分的鋼鐵材料，其相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)均出現(xiàn)在較低溫度，此時(shí)材料已處于彈塑性或彈性狀態(tài)，相變體積膨脹將會減少焊接熱場造成的殘余拉伸應(yīng)力，體積膨脹量越大，殘余拉伸應(yīng)力越小，甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，這將減小殘余拉伸應(yīng)力對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的不利作用，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。本發(fā)明就是要研制一種焊縫金屬在低溫下產(chǎn)生較大相變膨脹量的焊條，使焊縫金屬的殘余拉伸應(yīng)力降低或產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。
本發(fā)明和普通焊條熔敷金屬的實(shí)測冷卻膨脹曲線如圖1所示。
普通E5015焊條的冷卻過程沿著曲線1變化，其焊縫金屬的組織轉(zhuǎn)變在787℃開始，在630℃結(jié)束，相變膨脹應(yīng)變只有0.11％，而且整個(gè)相變過程均在塑性狀態(tài)，沒有相變應(yīng)力的產(chǎn)生。相變結(jié)束后，焊縫金屬體積繼續(xù)收縮，隨著溫度的降低和彈性的恢復(fù)，拉伸應(yīng)力出現(xiàn)并不斷增加至材料的屈服強(qiáng)度(隨溫度變化)維持到室溫。本發(fā)明的焊條冷卻過程沿著曲線2和3變化，在相變之前，焊縫金屬隨著溫度的降低和彈性的恢復(fù)，拉伸應(yīng)力出現(xiàn)并不斷增加至相變開始溫度時(shí)的材料屈服強(qiáng)度。在相變開始溫度Ms點(diǎn)，奧氏體開始向馬氏體轉(zhuǎn)變，但由于馬氏體數(shù)量還較少，相變膨脹應(yīng)變不足以抵消奧氏體溫度收縮應(yīng)變，曲線繼續(xù)下降，直到相應(yīng)變開始點(diǎn)Ts，曲線開始上升，即焊縫金屬的相變膨脹應(yīng)變才真正開始，直到相應(yīng)變結(jié)束點(diǎn)Tf，理論上Tf應(yīng)等于室溫，可以獲得最大的殘余壓縮應(yīng)力。Mf為馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)。相變膨脹應(yīng)變量εp越大，焊縫金屬中的殘余拉伸應(yīng)力越小，焊縫金屬才可能獲得殘余壓縮應(yīng)力，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。本發(fā)明的焊條能夠使焊縫金屬產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的關(guān)鍵有兩點(diǎn)其一，焊縫金屬相應(yīng)變結(jié)束點(diǎn)Tf在室溫附近，因?yàn)樵赥f時(shí)相膨脹應(yīng)變達(dá)到最高點(diǎn)，這時(shí)可以獲得最大的相變膨脹應(yīng)變量。其二最大相變膨脹應(yīng)變εp應(yīng)大于材料的拉伸彈性應(yīng)變εs。
焊縫金屬的相變溫度對殘余應(yīng)力的影響如圖2所示。
曲線1是縱向殘余應(yīng)力，曲線2是橫向殘余應(yīng)力。由曲線可以看出，相變溫度在100-350℃，焊縫金屬均能獲得殘余壓縮應(yīng)力，在191℃左右時(shí)，殘余壓縮應(yīng)力的值最大，此時(shí)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度提高最大。
本發(fā)明的焊條焊縫金屬組織低碳馬氏體組織，獲得馬氏體的目的是使焊縫在馬氏體相變時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，低碳馬氏體具有良好的韌性等綜合力學(xué)性能。一般的奧氏體不銹鋼焊條(18-8、25-10、25-23型)的熔敷金屬，含Ni量的范圍是8％-29％，含Cr量的范圍是16％-25％，焊縫金屬在冷卻過程中始終為奧氏體，沒有馬氏體相變。
依據(jù)以上原則和分析基礎(chǔ)，研制了適合于低碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼使用的用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條。焊芯采用H08A，采用多種元素合金化，通過藥皮過渡合金元素，以Mn-Ni-Cr系作為研制焊條的基礎(chǔ)合金系統(tǒng)，藥皮為低氫鈉型，焊芯和藥皮均應(yīng)控制含碳量以保證焊縫金屬低碳馬氏體的形成。
由圖1可以看出，相變溫度為191℃時(shí)，焊縫金屬的殘余壓縮應(yīng)力值最大，此時(shí)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度也最高。因此在相變溫度100-250℃為本發(fā)明的優(yōu)選范圍。實(shí)施例中L3-L6為此類焊條，其中L5效果最佳。
然而，相變溫度越低，則要求焊縫金屬中的合金含量越高，相對來說成本越高。由圖2可知馬氏體相變點(diǎn)溫度范圍250-350℃時(shí)，焊縫金屬的殘余壓縮應(yīng)力相對于191℃時(shí)的殘余壓縮應(yīng)力為低，但其合金含量可大幅度降低，則焊條成本也可隨之降低。為此，我們從經(jīng)濟(jì)角度和改善效果綜合考慮，設(shè)計(jì)出質(zhì)量滿足如上要求，成本相對較低的焊條。實(shí)施例中的L7-L10焊條均為此類焊條。
按常規(guī)工藝將上述實(shí)施例中各組分按比例混合，利用模數(shù)為3.0的鉀鈉水玻璃攪拌，在油壓機(jī)上制成焊條，焊芯為H08A鋼，直徑為4.0mm，涂敷后的焊條外徑為7.0mm，焊條焙燒溫度和時(shí)間為350℃×2小時(shí)。
焊芯直徑也可采用3.2mm的規(guī)格，涂敷后的焊條外徑為5.4-5.8mm；若焊芯采用直徑為4.0mm，涂敷后的焊條外徑可為6.8-7.2mm。實(shí)施例L1-L10中，各組分及重量百分比含量(％)見下表。

上述各相應(yīng)實(shí)施例中熔敷金屬主要成分范圍(％)及馬氏體相變溫度見下表。

疲勞實(shí)驗(yàn)所用試件如圖3、圖4所示。主板[1]為190×60×8mm的Q235B鋼板，其標(biāo)距段寬度為40mm；角接板[2]為50×15×8mm的Q235B鋼板。采用具有較大殘余應(yīng)力和較大應(yīng)力集中的縱向焊縫角接板焊接接頭型式，用本發(fā)明焊條和E5015焊條分別進(jìn)行焊接，角焊縫[3]圍繞角接板[2]焊接一道，焊角高度8mm左右，起弧點(diǎn)和焊弧點(diǎn)在角接板[2]的中部，焊縫電流I＝160A。在10噸高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，頻率f＝139Hz，應(yīng)力循環(huán)比r＝0.1。
上述各實(shí)施例與普通E5015焊條的疲勞實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如下。

權(quán)利要求
1.一種用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條，由焊芯和藥皮組成，其特征在于，所述的藥皮各組分及重量百分比含量(％)為大理石20-35，瑩石8-15，鈦白粉2-5，錳鐵3-8，稀土硅鐵1-6，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英2-6，金屬鉻13-28，金屬鎳10-25，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊條，其特征在于，所述的藥皮各組分含量為大理石25-30，瑩石9-12，鈦白粉2-4，錳鐵3-6，稀土硅鐵1-4，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英2-4，金屬鉻19-25，金屬鎳16-22，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊條，其特征在于，所述的藥皮各組分含量為大理石28-35，瑩石11-15，鈦白粉3-5，錳鐵5-8，稀土硅鐵2-6，鈦鐵合金4-8，鐵粉2-6，石英3-6，金屬鉻13-20，金屬鎳10-16，白土子0.2-2，堿面0.2-1，羧甲基纖維0.2-1，合成云母0.2-2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊條，其特征在于，所述的藥皮各組分含量為大理石30，瑩石12，鈦白粉2，錳鐵5，稀土硅鐵1，鈦鐵合金5，鐵粉2，石英3，金屬鉻20，金屬鎳17，白土子1，堿面0.5，羧甲基纖維0.5，合成云母1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的焊條。本發(fā)明的目的是提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度,免除焊后加工。該焊條的藥皮組分及重量百分比含量(%)為:大理石20－35,瑩石8－15,鈦白粉2－5,錳鐵3－8,稀土硅鐵1－6,鈦鐵合金4－8,鐵粉2－6,石英2－6,金屬鉻13－28,金屬鎳10－25,白土子0.2－2,堿面0.2－1,羧甲基纖維0.2－1,合成云母0.2－2。按常規(guī)工藝制造,焊芯為H08A鋼,焊條焙燒溫度和時(shí)間是350℃×2小時(shí)。該焊條可廣泛用于承受疲勞載荷的焊接結(jié)構(gòu),尤其是焊縫數(shù)量巨大的大型焊接結(jié)構(gòu),也可用于產(chǎn)品疲勞斷裂的修復(fù)。測試結(jié)果表明,本發(fā)明的焊條較一般焊條的疲勞強(qiáng)度可提高10%－40%,疲勞壽命可提高2－25倍。
文檔編號B23K35/36GK1332058SQ01130810
公開日2002年1月23日 申請日期2001年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者霍立興, 王文先, 張玉鳳, 王東坡, 荊洪陽, 楊新岐 申請人:天津大學(xué)