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1概述
在特願平1-19691号公报中，提出了耐火钢、耐候性耐火钢用埋弧焊焊丝与焊剂组合的埋弧焊焊接方法，得到了具有良好的高温屈服强度、韧性和良好的耐候性能的焊缝金属。
上述焊接方法的特点是高温时得到了较高的抗拉强度和屈服强度，但没有考虑高温塑性，高温塑性不足时，发生火灾时的钢材破坏是脆性破坏，不能保证建筑物的安全性。
本发明的目的是提供不损害600℃时高温屈服强度和常温时耐候性，提高韧性和高温塑性优良，确保高温延展性、提高高温时的蠕变断裂寿命的耐火钢和耐候性耐火钢用埋弧焊焊接方法。主要应用于建筑和桥梁等领域中的耐候性及耐火性优良的钢（以下称耐候性耐火钢）。
发明的申请项目主要有：
（1）耐候性耐火钢含有C：0.01%～0.15%，Si≤05%，Mn：0.4%～2.5%，Cu≤0.7%，Ni≤0.5%，Cr≤1.0%，Mo：0.14%～0.8%，Nb：0.01%～0.1%，Ti≤004%，B≤00015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（2）焊丝化学成分包括C：0.01%～0.15%，Si≤05%，Mn：0.4%～2.5%，Cu≤0.7%，Ni≤0.5%，Cr≤10%，Mo≤0.8%，Nb≤0.1%，Ti≤004%，B≤0005%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（3）熔敷金属 [B]和 [Ti] 含量应满足式（1）要求。
（4）熔敷金属中[B]max和 [Ti] max含量应满足式（2）和式（3）要求。
（5）发明的粘结焊剂按照式（5）计算的碱度为L=0.2～3.5。
（6）采用120 kJ/cm大热输入量进行焊接。
2发明的内容
2.1熔敷金属中的[B]和 [Ti]含量控制
为了解决上述问题，在熔敷金属中添加Ti和B。Ti是通过Ti氧化物来控制奥氏体晶粒内组织的，B是通过抑制过剩的铁素体晶界及固定氮来提高焊缝金属的韧性。原来海洋建造物、船舶等钢结构的焊接，多用加入Ti、B的焊接材料。
发明者详细研究了熔敷金属中的Ti和B含量对高温塑性的影响，结果如图1所示。图1显示了熔敷金属中的Ti和B含量在600 ℃时对伸长率的影响。随着熔敷金属中Ti或B含量增加，伸长率显著降低。通过扫描电镜观察了高温时拉伸试样的断面，发现由于Ti或者B含量增加，高温时的破坏试样晶粒内由塑性破坏向脆性破坏变化。同时在图1中示出了引起的晶粒内塑性破坏区域与引起的晶界脆性破坏区域。因此本发明者们认为，为了确保高温延展性必须限制Ti和B的含量。
从图1可以判断，在0024 5%～0039%的O含量范围内，防止在600℃时拉伸试验的晶界破坏，确保适当的高温塑性，得到良好韧性的焊缝金属Ti和B含量如图2所示的斜线围成的部分。这里[B]max是焊缝金属中不存在Ti（Ti<0001%）时，允许B含量的上限值是0001%。[Ti]max是焊缝金属中不存在B（B<00001%）时，允许Ti含量的上限值是001%。这条斜内线部分用不等式（1）表示。 [B][B]max+ [T][T]max<1 （1）式中 ： [B]为焊缝金属中的B含量，（×10-4）%；
但是，[B]max和[Ti]max值受焊缝金属中气体成分、特别是氧的影响而变动。发明者们进一步详细研究了[B]max、[Ti]max和氧元素的影响，[B]max、[Ti]max与焊缝金属中O含量的关系可以用式（2）和式（3）表达。
如果焊缝金属中Ti和B含量限制在式（2）和式（3）范围内，就能获得高温延展性优良的焊缝金属。通过这种手段确保高温塑性，提高高温塑性与相关的蠕变断裂寿命。此外只要满足上式的含量要求，就能获得充分的韧性，但要更好地满足期望值，焊缝金属中Ti含量应满足式（4）的要求。
如果规定钢材和焊丝的[O]含量的话，[O]含量完全取决于焊剂的碱度。使用B含量非常低的钢材和焊丝时，控制焊剂中的B来源，例如通过控制焊剂中2CaCO·3B2O3·5H2O或者Na2B4O7添加量来控制[B]含量。同样，使用Ti含量低的钢材和焊丝时，[Ti]可以通过添加到焊剂中的TiO2来控制。相反，使用不含B、Ti的焊剂时，控制钢材或焊丝中[Ti]和[B]也能达到目的。
2.2元素成分和添加量控制
2.2.1钢板
复合添加Mo与微量的Nb，可以获得足够高的高温屈服强度，或者进一步通过添加Cu、Ni、Cr元素，获得充分的耐候性。
为了确保常温强度及发挥添加Mo和Nb的效果，C是必要的，C含量的下限是0.01%，超过0.15%时，将增加高温裂纹敏感性，同时韧性恶化，所以C的上限为015%。
对于Si可以从焊剂中添加，钢板不特别规定下限值，但是，如果其含量超过0.5%，熔敷金属的韧性会下降，所以Si的含量必须控制在0.5%以内。
Mn是确保强度和韧性的不可缺少的元素，含量必须大于0.4%，但超过2.5%时，将增加高温裂纹敏感性和降低韧性，所以Mn含量的上限为2.5%。
Cu是获得良好耐候性的必要元素，但超过0.7%时，韧性不好，必须控制在0.7%以下，
Ni与Cu一样，可提高耐候性，但超过0.5%时，会导致韧性恶化，所以Ni含量控制在0.5%以内。
Cr与Cu一样，可提高耐候性，但超过1.0%时，会导致韧性恶化，所以Cr含量控制在1.0%以内。
Mo与Nb同样是为了获得高温屈服强度而添加的，Mo含量0.1%以上，Nb含量0.01%以上。但是，Mo和Nb含量过多时，由于常温强度过高，韧性恶化，所以Mo含量必须控制在0.8%以下，Nb含量控制在0.1%以内。
钢材中Ti或B含量过多时，应控制焊剂或焊丝中Ti或B向焊缝金属中过渡，为避免损害高温塑性，Ti含量必须控制在004%以内，B含量必须控制在0.0015%以内。
2.2.2焊丝
焊丝成分中各种特定值的确定与上述钢板相同。但Mo和Nb也可以从焊剂中添加，不规定下限值。
2.2.3粘结焊剂
（5）3发明实施例和试验结果
使用表1中所示的W1和W2焊丝，按表2所示制成的10种粘结焊剂，在图3所示坡口形式的P1、P2、P3耐候性耐火钢（成分见表3）上按表4的焊接参数进行焊接。焊剂与钢板按表5进行组合。焊接后，按图4 所示的位置（a=7 mm）制取2个拉伸试样、蠕变试样和夏比冲击试样，进行力学性能试验。蠕变试验在温度600 ℃、载荷25 kg/mm2条件下进行。试验结果如表5所示。
在特願平1-19691号公报中，提出了耐火钢、耐候性耐火钢用埋弧焊焊丝与焊剂组合的埋弧焊焊接方法，得到了具有良好的高温屈服强度、韧性和良好的耐候性能的焊缝金属。
上述焊接方法的特点是高温时得到了较高的抗拉强度和屈服强度，但没有考虑高温塑性，高温塑性不足时，发生火灾时的钢材破坏是脆性破坏，不能保证建筑物的安全性。
本发明的目的是提供不损害600℃时高温屈服强度和常温时耐候性，提高韧性和高温塑性优良，确保高温延展性、提高高温时的蠕变断裂寿命的耐火钢和耐候性耐火钢用埋弧焊焊接方法。主要应用于建筑和桥梁等领域中的耐候性及耐火性优良的钢（以下称耐候性耐火钢）。
发明的申请项目主要有：
（1）耐候性耐火钢含有C：0.01%～0.15%，Si≤05%，Mn：0.4%～2.5%，Cu≤0.7%，Ni≤0.5%，Cr≤1.0%，Mo：0.14%～0.8%，Nb：0.01%～0.1%，Ti≤004%，B≤00015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（2）焊丝化学成分包括C：0.01%～0.15%，Si≤05%，Mn：0.4%～2.5%，Cu≤0.7%，Ni≤0.5%，Cr≤10%，Mo≤0.8%，Nb≤0.1%，Ti≤004%，B≤0005%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（3）熔敷金属 [B]和 [Ti] 含量应满足式（1）要求。
（4）熔敷金属中[B]max和 [Ti] max含量应满足式（2）和式（3）要求。
（5）发明的粘结焊剂按照式（5）计算的碱度为L=0.2～3.5。
（6）采用120 kJ/cm大热输入量进行焊接。
2发明的内容
2.1熔敷金属中的[B]和 [Ti]含量控制
为了解决上述问题，在熔敷金属中添加Ti和B。Ti是通过Ti氧化物来控制奥氏体晶粒内组织的，B是通过抑制过剩的铁素体晶界及固定氮来提高焊缝金属的韧性。原来海洋建造物、船舶等钢结构的焊接，多用加入Ti、B的焊接材料。
发明者详细研究了熔敷金属中的Ti和B含量对高温塑性的影响，结果如图1所示。图1显示了熔敷金属中的Ti和B含量在600 ℃时对伸长率的影响。随着熔敷金属中Ti或B含量增加，伸长率显著降低。通过扫描电镜观察了高温时拉伸试样的断面，发现由于Ti或者B含量增加，高温时的破坏试样晶粒内由塑性破坏向脆性破坏变化。同时在图1中示出了引起的晶粒内塑性破坏区域与引起的晶界脆性破坏区域。因此本发明者们认为，为了确保高温延展性必须限制Ti和B的含量。
从图1可以判断，在0024 5%～0039%的O含量范围内，防止在600℃时拉伸试验的晶界破坏，确保适当的高温塑性，得到良好韧性的焊缝金属Ti和B含量如图2所示的斜线围成的部分。这里[B]max是焊缝金属中不存在Ti（Ti<0001%）时，允许B含量的上限值是0001%。[Ti]max是焊缝金属中不存在B（B<00001%）时，允许Ti含量的上限值是001%。这条斜内线部分用不等式（1）表示。 [B][B]max+ [T][T]max<1 （1）式中 ： [B]为焊缝金属中的B含量，（×10-4）%；
但是，[B]max和[Ti]max值受焊缝金属中气体成分、特别是氧的影响而变动。发明者们进一步详细研究了[B]max、[Ti]max和氧元素的影响，[B]max、[Ti]max与焊缝金属中O含量的关系可以用式（2）和式（3）表达。
如果焊缝金属中Ti和B含量限制在式（2）和式（3）范围内，就能获得高温延展性优良的焊缝金属。通过这种手段确保高温塑性，提高高温塑性与相关的蠕变断裂寿命。此外只要满足上式的含量要求，就能获得充分的韧性，但要更好地满足期望值，焊缝金属中Ti含量应满足式（4）的要求。
如果规定钢材和焊丝的[O]含量的话，[O]含量完全取决于焊剂的碱度。使用B含量非常低的钢材和焊丝时，控制焊剂中的B来源，例如通过控制焊剂中2CaCO·3B2O3·5H2O或者Na2B4O7添加量来控制[B]含量。同样，使用Ti含量低的钢材和焊丝时，[Ti]可以通过添加到焊剂中的TiO2来控制。相反，使用不含B、Ti的焊剂时，控制钢材或焊丝中[Ti]和[B]也能达到目的。
2.2元素成分和添加量控制
2.2.1钢板
复合添加Mo与微量的Nb，可以获得足够高的高温屈服强度，或者进一步通过添加Cu、Ni、Cr元素，获得充分的耐候性。
为了确保常温强度及发挥添加Mo和Nb的效果，C是必要的，C含量的下限是0.01%，超过0.15%时，将增加高温裂纹敏感性，同时韧性恶化，所以C的上限为015%。
对于Si可以从焊剂中添加，钢板不特别规定下限值，但是，如果其含量超过0.5%，熔敷金属的韧性会下降，所以Si的含量必须控制在0.5%以内。
Mn是确保强度和韧性的不可缺少的元素，含量必须大于0.4%，但超过2.5%时，将增加高温裂纹敏感性和降低韧性，所以Mn含量的上限为2.5%。
Cu是获得良好耐候性的必要元素，但超过0.7%时，韧性不好，必须控制在0.7%以下，
Ni与Cu一样，可提高耐候性，但超过0.5%时，会导致韧性恶化，所以Ni含量控制在0.5%以内。
Cr与Cu一样，可提高耐候性，但超过1.0%时，会导致韧性恶化，所以Cr含量控制在1.0%以内。
Mo与Nb同样是为了获得高温屈服强度而添加的，Mo含量0.1%以上，Nb含量0.01%以上。但是，Mo和Nb含量过多时，由于常温强度过高，韧性恶化，所以Mo含量必须控制在0.8%以下，Nb含量控制在0.1%以内。
钢材中Ti或B含量过多时，应控制焊剂或焊丝中Ti或B向焊缝金属中过渡，为避免损害高温塑性，Ti含量必须控制在004%以内，B含量必须控制在0.0015%以内。
2.2.2焊丝
焊丝成分中各种特定值的确定与上述钢板相同。但Mo和Nb也可以从焊剂中添加，不规定下限值。
2.2.3粘结焊剂
（5）3发明实施例和试验结果
使用表1中所示的W1和W2焊丝，按表2所示制成的10种粘结焊剂，在图3所示坡口形式的P1、P2、P3耐候性耐火钢（成分见表3）上按表4的焊接参数进行焊接。焊剂与钢板按表5进行组合。焊接后，按图4 所示的位置（a=7 mm）制取2个拉伸试样、蠕变试样和夏比冲击试样，进行力学性能试验。蠕变试验在温度600 ℃、载荷25 kg/mm2条件下进行。试验结果如表5所示。