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  • 专辑

    • 建筑用耐火钢焊条J460FR的研制

    • Development of J460FR Fire-resistant Electrode for Building

    • 胡鹏亮

      1 ，

      陈林恒

      2 ，

      张学刚

      1 ，

      李伟

      2 ，

      陈波

      1
    • 2022年52卷第1期 页码：115-121   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.15     

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  • 胡鹏亮，陈林恒，张学刚，等.建筑用耐火钢焊条J460FR的研制［J］.电焊机，2022，52（01）：115-121. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.15.
    HU Pengliang, CHEN Linheng, ZHANG Xuegang, et al.Development of J460FR fire-resistant electrode for building[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(01): 115-121. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.01.15.
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    摘要

    为解决南京钢铁股份有限公司研制的Q460FRE耐火钢的焊接问题，进行配套焊接材料J460FR焊条的研制。研究了不同化学成分下焊条熔敷金属的力学性能，以及Mo含量对熔敷金属抗二次火灾能力的影响，并对新研制的J460FR焊条进行了焊接工艺评定。结果表明：J460FR焊条的熔敷金属具有良好的综合力学性能和一定的耐火能力；Mo含量对焊缝的高温拉伸屈服强度有较明显的影响，且Mo含量在0.1%~0.5%时效果最为显著；在600 ℃×3 h的模拟二次火灾条件下，也能保证较高的强度；焊条具有优良的焊接工艺性能和操作性能，均满足设计要求，可以用于Q460FRE耐火钢的焊接。

    译
     EN

    Abstract

    In order to solve the welding problem of Q460FRE fire-resistant steel developed by Nanjing Iron & Steel Co., LTD., the supporting welding material J460FR electrode was developed. The mechanical properties of the deposited metal under different chemical compositions and the effect of Mo content on the secondary fire-resistance of deposited metal were studied, and the welding procedure of the newly developed J460FR electrode was evaluated. The results show that the deposited metal of the newly developed J460FR electrode has good comprehensive mechanical properties and certain fire resistance, Mo content has an obvious effect on the high temperature tensile yield strength of weld, and the effect is the most significant when Mo content is 0.1%~0.5%; Under the condition of simulated secondary fire at 600 ℃ for 3 hours, the high strength can also be ensured; The electrode has excellent welding process performance and operation performance, and meets the design requirements, which can be used for the welding of Q460FRE fire-resistant steel.

    译
     EN

    关键词

    耐火钢; 抗二次火灾; J460FR焊条; 熔敷金属屈服强度

    译
     EN

    Keywords

    fire-resistant steel; secondary fire-resistance; J460FR electrode; tensile yield strength of deposited metal

    译
     EN

    0 前言

    建筑结构大致可以分为四大类：土木结构、钢筋混凝土结构、网架结构以及钢结构。目前，世界上各国的建筑物正由其他三种结构向钢结构发展。但是，普通建筑用钢在350 ℃以上时高温屈服强度迅速下降，低于室温屈服强度的1/2，达不到设计要求［

    1-3］。而建筑用耐火钢要求在600 ℃时，屈服强度仍能保持室温时的2/3，同时具有较好的塑性。因此在发生火灾时，耐火钢结构的建筑具有更高的安全性［4］。
    译
     EN

    目前，国内外对耐火钢材的性能机理研究比较完整，但是对不同级别耐火钢配套焊材的研究相对较少。调查表明，目前仅有少数公司，如日本神钢对耐火钢配套焊材进行了开发研究，国内暂无焊材生产商进行研制［

    5］。因此，为解决南京钢铁股份有限公司生产的Q460FRE耐火钢的焊接问题，对其配套焊接材料J460FR焊条进行了研制。
    译
     EN

    1 试验方法及要求

    1.1 试件制备

    熔敷金属力学性能试验采用Q235钢板，在坡口堆焊两层J460FR过渡层，坡口示意如图1所示。坡口形式为V型对接坡口，坡口角度β=45°，坡口根部间隙b=16 mm，试板尺寸350 mm×300 mm×20 mm。进行平焊位置焊接，焊接工艺参数如表1所示。力学性能试验分别在焊态和600 ℃×3 h模拟二次火灾条件下进行。

    译
     EN

    fig

    图1  坡口示意

    Fig.1  Schematic diagram of groove

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    表1  焊接工艺参数
    Table 1  Welding parameters

    直径

    Φ/mm

    焊接电流

    I/A

    道间温度

    T/℃

    焊接速度

    v/mm·min-1

    4.0 150~170 ≥150 ≥180
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    1.2 化学成分分析

    按照GB/T 25777-2010标准制备熔敷金属化学分析用试样，其化学成分应与母材成分相当。耐火钢Q460FRE化学成分如表2所示。

    译
     EN

    表2  耐火钢Q460FRE化学成分（质量分数，%）
    Table 2  Chemical composition of Q460FRE fire-resistant steel （wt.%）
    CSiMnSPCrMo
    0.05 0.19 0.78 0.002 0.010 0.50 0.20
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    1.3 力学性能试验

    力学性能试验取样位置如图2所示，试样直径Φ10 mm，按照GB/T 228.1-2010标准进行熔敷金属室温拉伸试验，按照GB/T 229-2020标准进行-40 ℃冲击试验。室温拉伸及冲击试验在焊态下进行，熔敷金属力学性能要求如表3所示。

    译
     EN

    fig

    图2  取样位置

    Fig.2  Sampling location

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    表3  熔敷金属力学性能要求
    Table 3  Requirements for mechanical properties of deposited metal
    试验温度T/℃屈服强度Rp0.2/MPa冲击吸收能量Akv2/J
    室温 420~600 —
    -40 — ≥34
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    1.4 抗二次火灾试验

    根据南京钢铁股份有限公司的技术要求，对焊接接头进行抗二次火灾评估试验。将焊接接头经过600 ℃×3 h模拟二次火灾热处理后，再按照GB/T 2651-2008标准进行600 ℃高温拉伸试验。抗二次火灾能力要求如表4所示。

    译
     EN

    表4  抗二次火灾能力要求
    Table 4  Requirements for secondary fire resistance
    状态/（℃×h）试验温度T/℃屈服强度Rp0.2/MPa
    600×3 600 ≥307
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    2 成分设计及性能研究

    2.1 成分设计

    相关研究表明［

    6］，碱性渣系有利于提高熔敷金属的冲击韧性。研发的J460FR焊条采用碱性渣系，以CaCO3-CaF2-TiO2-SiO渣系为基础，该渣系含有较多的大理石、萤石以及铁合金。
    译
     EN

    药皮中加入大理石可以提高熔渣的碱度，增加熔渣表面张力。但大理石含量过高会增加药皮熔点，使焊条药皮熔化不均匀，导致电弧不稳；含量过低会导致点互吹力不够，保护不好，电弧不稳。萤石可以增加熔渣流动性并增强脱氢，萤石含量过高会导致药皮熔点太低，焊接时出现断弧现象；含量过低会导致流动性变差，去氢效果不明显。硅铁主要作为脱氧剂，同时作为合金添加。硅铁含量过高会导致焊缝强度过高，同时降低焊缝金属的低温冲击韧性；含量过低会使焊缝脱氧不足。纯碱与海藻酸钠可改善焊条的压涂性，增加药皮的塑性与光滑性［

    7］。
    译
     EN

    通过调整药皮中各组分的比例，改善药皮熔化的均匀性和电弧稳定性，从而提高焊条全位置焊的工艺性能。由于耐火钢材料对高温强度有一定的要求，焊缝强度容易获得，同时要平衡满意的韧性指标，需要考虑焊接工艺影响，优化化学成分和控制杂质元素。焊缝的强度和韧性可通过主要元素进行调整。

    译
     EN

    碳：C溶入基体形成间隙固溶体，可以显著增加基体的强度，随着碳含量的增加，材料的抗拉强度和屈服强度均会提高，但是断后伸长率和冲击韧性均下降。同时C是影响碳当量和焊接裂纹敏感性系数的主要元素，C含量过高会增加焊接时产生冷裂纹的倾向；少量的C在材料中形成微合金碳化物。

    译
     EN

    锰：Mn能扩大奥氏体相区，推迟γ-α的转变，使焊缝组织的转变温度接近针状铁素体形成温度，从而提高焊缝金属强度并改善韧性，同时Mn还是良好的脱氧剂和脱硫剂。

    译
     EN

    硅：Si主要以固溶强化的形式提高钢的强度，可以减少C在奥氏体中的溶解度，促使C脱溶以碳化物的形式析出，但Si含量过多会降低材料的塑韧性。

    译
     EN

    氧：控制熔敷金属中的含氧量，在保持焊道成形和脱渣性的条件下，含氧量越低韧性越好。

    译
     EN

    氮：N和V、Ti等元素结合易形成脆化组织，导致焊缝组织脆化，应对焊缝金属中的N含量加以控制。

    译
     EN

    杂质元素：控制焊芯的杂质元素含量，如S、P、N、O、H含量，保证焊缝金属具有较高的韧性。

    译
     EN

    国外耐火钢手工焊条采用Ni-Mo或Ni-Cr-Mo的合金系统［

    8］。因此，在研制的J460FR焊条中也加入了一定量Mo以改善其高温拉伸性能。
    译
     EN

    2.2 耐火钢耐火机理

    研究表明耐火钢的耐火机理是组织的强化和组织稳定性的提高。其中组织的强化主要是细晶强化、析出强化和固溶强化［

    9］。
    译
     EN

    2.2.1 细晶强化

    细晶强化是钢的主要强化方式之一。当温度低于等强温度时，晶粒的晶界强度高于晶内强度，在此温度下，细化晶粒增加了晶界面积，从而提高了耐火钢的强度。

    译
     EN

    2.2.2 析出强化

    高温下的热作用会增加位错活动，同时原子扩散速率的提高也促进了位错的滑移。而稳定的析出相可以更有效地阻止位错运动，为第二相提供较高的固溶温度，保障第二相粒子在高温下产生析出强化；第二相在基体中均匀分布，由此带来的强度高于基体的强度。

    译
     EN

    2.2.3 固溶强化

    某些金属元素能以固溶形式存在于铁素体中，起到强化基体的作用。固溶强化可以减缓各元素在基体中的扩散速度，固溶效果与两种元素的原子半径和电负性有关，原子半径和电负性差别较大，可以使晶格应变增加，位错的交互作用增强，得到较好的强化效果［

    10］。
    译
     EN

    2.3 Mo元素对耐火钢性能的影响

    Mo元素是提高钢的高温强度最有效的合金元素，大部分的Mo在铁素体中以固溶形式存在，强化了铁素体基体。有学者研究认为［

    11-12］，含Mo耐火钢在正火后粒状组织较多，铁素体晶粒尺寸随正火温度变化不大，而无Mo耐火钢铁素体晶粒长大。高温下Mo在铁素体中的扩散速度较慢，因此可以明显提高钢的高温强度和屈服强度。同时，当Mo含量≤0.5%时，随着Mo含量的增加，高温强度增长明显，但Mo含量＞0.5%时，高温强度增长幅度减弱。因此，应将Mo含量控制在0.5%以下。
    译
     EN

    在600 ℃×3 h模拟二次火灾条件下，用600 ℃高温拉伸的屈服强度来描述熔敷金属抗二次火灾的能力。Mo含量对熔敷金属抗二次火灾能力的影响如图3所示。当Mo含量在0.1%~0.5%时，熔敷金属抗二次火灾能力随Mo含量的增加而明显增强；当Mo含量＞0.5%时，熔敷金属抗二次火灾能力随Mo含量增加而增强的效果减弱。

    译
     EN

    fig

    图3  Mo含量对熔敷金属抗二次火灾能力的影响

    Fig.3  Effect of Mo content on secondary fire -resistance of deposited metal

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    3 试验结果及分析

    3.1 焊接工艺性

    采用研制的耐火钢J460FR焊条，以160 A电流进行平焊，其焊接工艺性能优良，电弧稳定，飞溅小，脱渣容易。焊道成形美观，表面有金属光泽。图4、图5分别为焊条平焊脱渣前与脱渣后的宏观形貌。

    译
     EN

    fig

    图4  J460FR焊条平焊脱渣前

    Fig.4  Before deslagging of downhand welding with J460FR electrode

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    fig

    图5  J460FR焊条平焊脱渣后

    Fig.5  After deslagging of downhand welding with J460FR electrode

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    3.2 熔敷金属化学成分

    J460FR焊条的熔敷金属化学成分如表5所示，满足技术要求。

    译
     EN

    表5  J460FR熔敷金属化学成分（质量分数，%）
    Table 5  Chemical composition of J460FR deposited metal （wt.%）
    CSiMnSPNiMo
    0.05 0.27 0.84 0.003 0.007 0.59 0.48
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    3.3 熔敷金属力学性能

    J460FR焊条熔敷金属力学性能如表6所示，其拉伸性能和冲击韧性都满足技术要求，且余量较大，-40 ℃冲击吸收能量平均值达到93 J。

    译
     EN

    表6  熔敷金属力学性能
    Table 6  Mechanical properties of deposited metal

    状态

    /℃×h

    试验温度

    T/℃

    屈服强度

    Rp0.2/MPa

    冲击吸收能量

    Akv2/J

    焊态 室温 515 —
    -40 — 100，83，96
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    3.4 显微组织

    熔敷金属焊态、模拟二次火灾状态的显微组织分别如图6~图9所示。

    译
     EN

    fig

    图6  焊态焊缝中心显微组织

    Fig.6  Microstructure of as-welded weld center

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    fig

    图7  焊态重热过热区显微组织

    Fig.7  Microstructure of as-welded overheated zone

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    fig

    图8  热处理态焊缝中心显微组织

    Fig.8  Microstructure of weld center in heat treatment state

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    fig

    图9  热处理态重热过热区显微组织

    Fig.9  Microstructure of overheated zone in heat treatment state

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    试验结果表明，焊缝中心呈柱状晶，组织为先共析铁素体和贝氏体；重热区中过热位置晶粒尺寸较大，也由先共析铁素体和贝氏体组成。经600 ℃×3 h热处理后，焊缝中心和重热过热区组织均为先共析铁素体和贝氏体回火组织，回火作用使贝氏体产生碳化物析出，导致其强度降低。

    译
     EN

    3.5 耐火性能试验

    针对南京钢铁股份有限公司的技术条件，J460FR焊条的耐火性能由其抗二次火灾能力进行评估。将对接接头焊缝及熔敷金属进行600 ℃×3 h的热处理来模拟二次火灾状态，随炉冷却再进行600 ℃高温拉伸试验。

    译
     EN

    按照GB/T 228.2-2015标准进行熔敷金属600 ℃高温拉伸试验，按照GB/T 2651-2008标准进行对接接头600 ℃高温拉伸试验。试验结果分别如表7、表8所示。

    译
     EN

    表7  抗二次火灾熔敷金属力学性能
    Table 7  Mechanical properties of secondary fire-resistance deposited metal

    状态

    /℃×h

    试验温度

    T/℃

    抗拉强度

    Rm/MPa

    屈服强度

    ReL/MPa

    600×3 600 360 345
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    表8  抗二次火灾对接接头力学性能
    Table 8  Mechanical properties of secondary fire-resistance butt joint

    实验

    内容

    试验温度

    T/℃

    抗拉强度

    Rm/MPa

    屈服强度

    ReL/MPa

    断裂

    位置

    状态

    /（℃×h）

    标准值 600 — ≥307 — —
    实测值 600 355 345 母材 600×3
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    试验结果表明，经600 ℃×3 h的模拟二次火灾热处理后，屈服强度明显下降，但仍满足技术要求。

    译
     EN

    3.6 焊接工艺评定

    焊接工艺评定选用的母材为南京钢铁股份有限公司生产的Q460FRE耐火钢板，按照GB 50661-2011《钢结构焊接规范》进行焊接工艺评定，选用试板尺寸为500 mm×150 mm×20 mm，坡口形式为V型对接坡口，焊接位置为平焊。焊接工艺参数如表9所示。

    译
     EN

    表9  焊接工艺参数
    Table 9  Welding parameters

    直径

    Φ/mm

    焊接电流

    I/A

    道间温度

    T/℃

    焊接速度

    v/mm·min-1

    4.0 150~170 ≤150 ≥180
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    试件外观未发现裂纹、未焊满、未熔合、焊瘤、气孔、夹渣等缺陷，焊缝外观尺寸符合 Ⅰ 级焊缝要求。射线探伤符合国家标准GB/T 3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》的有关规定，焊缝质量为BⅠ 级。

    译
     EN

    3.6.1 对接接头拉伸试验

    拉伸试样的加工及试验应符合现行国家标准GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》的规定，取全截面拉伸试样，试验结果如表10所示。

    译
     EN

    表10  工艺评定拉伸结果
    Table 10  Tensile results of procedure qualification

    实验

    内容

    试验温度

    T/℃

    抗拉强度

    Rm/MPa

    屈服强度

    ReL/MPa

    断裂

    位置

    标准值 室温 — 420~600 —
    实测值 室温 620 530 母材
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    3.6.2 对接接头弯曲试验

    弯曲试样的加工及试验应符合现行国家标准GB/T 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》的规定，取4件全截面侧弯试样，试样厚度10 mm，弯心直径40 mm，弯曲角度180°，弯曲试验均合格，见表11。

    译
     EN

    表11  工艺评定弯曲结果
    Table 11  Bending results of procedure qualification
    试验类型弯心直径/mm弯曲角度/（°）试验结果
    侧弯 40 180 合格
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    3.6.3 对接接头冲击试验

    冲击试样的加工及试验应符合现行国家标准GB/T 2560-2008《焊接接头冲击试验方法》的规定，分别取焊缝中心及热影响区的冲击试样，缺口加工位置如图10所示，冲击试验结果如表12所示。

    译
     EN

    fig
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    图10  对接接头冲击试样缺口加工位置

    Fig.10  Notch machining position of impact sample of butt joint

    表12  工艺评定冲击试验结果
    Table 12  Impact results of procedure qualification
    实验内容试验温度T/℃缺口位置

    冲击吸收能量

    Akv2/J

    标准值 -40 — ≥34
    实测值 -40 焊缝中心 83、87、95
    -40 热影响区 262、229、205
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    试验结果表明，工艺评定焊态拉伸、侧弯和冲击结果以及抗二次火灾能力均满足技术要求，研制的J460FR焊条可用于Q460FRE耐火钢的焊接。

    译
     EN

    4 结论

    （1）Mo元素对焊缝的高温拉伸屈服强度有显著影响，当Mo含量在0.1%~0.5%时，其抗二次火灾能力随Mo含量的增加而增强；当Mo含量＞0.5%时，其抗二次火灾能力增强效果减弱。

    译
     EN

    （2）经模拟二次火灾（600 ℃×3 h）热处理后，焊缝中心和重热过热区组织均为先共析铁素体和贝氏体回火组织，回火作用使贝氏体产生碳化物析出，导致其强度降低。

    译
     EN

    （3）新研制的J460FR焊条具有一定的耐火能力和抗二次火灾能力，各项性能均满足设计要求，可用于Q460FRE耐火钢的焊接。

    译
     EN

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