CN101011783A - 焊接用填充金属颗粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接用填充金属颗粒，粒径为0.1～5.0mm，其化学成分以质量百分比计，必须满足C小于0.15％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％、Cu不超过0.5％、B不超过0.09％。所述金属颗粒由废钢和铁合金经熔炼后直接粒化制成，生产工艺简单，成本比碎焊丝大大降低，产品中合金成份可根据需要自主调整，可满足碳钢、低合金高强钢、耐热钢、不锈钢等金属材料的焊接。

Description

焊接用填充金属颗粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种焊接材料及其生产方法，尤其涉及一种新型的焊接用的填充金属颗粒及其制备方法。

背景技术

随着焊接结构向大型化、高参数化方向的发展，中厚度以上的焊接结构件数量剧增。而目前采用的焊接工艺一般是埋弧焊、气体保护焊、焊条电弧焊、气电立焊等。焊接时在钢板边缘预制坡口，在背面加垫板(或衬垫)或采用较小的焊接热输入在坡口底部焊打底焊缝，然后进行多层多道焊接。焊条电弧焊要不停的更换焊条，这不仅降低了生产效率，而且还容易在焊缝的接头处产生焊接缺陷。多层多道焊接工艺的热输入较大，使得焊接热影响区较宽，过热比较严重，热影响区的性能降低，同时也易造成大的焊接应力与变形。多层多道焊不仅工作量和工人的劳动强度较大，而且浪费能源和焊接材料。因此，开发高效化的焊接材料和焊接工艺是提高焊接生产率、降低成本，提高焊接质量的重要途径。

焊接材料中，铁粉焊条和金属粉芯焊丝属于高熔敷效率的焊接材料，如中国专利CN1056454“高效碱性低氢型铁粉焊条”、CN1055893“还原钛铁矿型高效铁粉焊条”、CN1657224“低合金高强度钢用超低氢型高效铁粉焊条”等公开的铁粉焊条，CN1249980“一种金属芯型药芯焊丝”专利公开的金属粉芯焊丝等。但是，这类铁粉焊条和金属粉芯焊丝只是提高了熔敷速度，对于中厚板仍需要开坡口进行多层多道焊接。

中国实用新型专利CN2426397Y、发明专利CN1273900A提出了一种碎焊丝，焊前将这种碎焊丝均匀散布于坡口内，通过电弧熔化形成焊缝，达到了高效焊接的目的。上述碎焊丝的生产工艺是，以钢铁企业生产的焊接用的热轧线材为原料，通过多道次的冷拔后制成一定直径的细丝，然后再切丝制成圆柱体形状的碎焊丝(见《安装》杂志，2003年第5期文章“大型油罐底板焊接法-碎焊丝埋弧焊”)，其生产制造工艺较为复杂。所述碎焊丝及其生产工艺存在以下不足：首先是碎焊丝的合金成分不能自主调整，其品种受到钢铁企业生产热轧线材品种的限制；其次是高强度、合金元素含量较高的金属材料难以制成线材，特别是制备直径0.8mm以下的线材更加困难，使得这种碎焊丝难以用于高强度、耐热等金属的焊接，致使其应用领域受到极大限制；第三是碎焊丝的生产工艺复杂，原材料又来源于钢铁企业的特种焊接用热轧线材，使其生产成本居高不下。

随着大型焊接结构应用的逐渐增多，以及结构运行工况的日益苛刻(如低温、大载荷、高温等)，对低成本、使用方便、性能优异的高效化焊接材料的需求也更加迫切。

发明内容

针对现有技术的不足，特别是碎焊丝技术的不足，本发明要解决的问题是提出一种新型的焊接用的填充金属颗粒及其生产方法。

本发明的技术构思是：选择杂质(S、P、N、O等)含量较低的废钢，采用感应熔炼炉或电弧炉将其熔化成钢水，在熔化过程中采用熔渣或气氛保护，并根据欲制焊接用的填充金属颗粒成分需要添加或者不添加合金元素，借助高压液流(如水、油等)或者高压气流(如空气、氮气、惰性气体等)冲击破碎上述钢水，使其凝固后形成圆球或椭圆球状的金属颗粒，制得焊接用的填充金属颗粒。

本发明所述的焊接用填充金属颗粒，由废钢和铁合金制成，其特征在于，所述金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.1～5.0mm，其化学成分以质量百分比计，必须满足C小于0.15％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％、Cu不超过0.5％、B不超过0.09％。

其中，所述废钢是钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的板头、板边、边角料。

杂质(S、P、N、O等)含量较低，有益的合金元素含量较多且稳定，符合焊接材料用钢所要求的特性的废钢，应优先选用。如专利CN1152767C中公布的DB590钢或X70钢等废弃的板头、板边、边角料。

DB590钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.067、Si 0.305、Mn 1.439、P 0.019、S 0.008、Nb 0.041、Cu 0.108、Ti 0.021、B 0.0010；X70钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.06、Si 0.25、Mn 1.46、P 0.012、S 0.003、Mo 0.22、Ni 0.20、Cu 0.22。

因此，较为优选的方式为：

金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.5～3mm，其化学成分以质量百分比计为，C0.067％、Si 0.305％、Mn 1.439％、P 0.019％、S 0.008％、Nb 0.041％、Cu 0.108％、Ti 0.021％、B 0.0010％。

或者，金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.5～3mm，其化学成分以质量百分比计为，C 0.06％、Si 0.25％、Mn 1.46％、P 0.012％、S 0.003％、Mo 0.22％、Ni 0.20％、Cu 0.22％。

上述焊接用填充金属颗粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)废钢的选择：所述废钢的化学成分中C、S、P、O、N，以质量百分比计，必须满足C小于0.15％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％、Cu不超过0.5％、B不超过0.09％；

钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的某些板头、板边、边角料的杂质(S、P、N、O等)含量较低，有益的合金元素含量较多且稳定，含碳量控制的较低，符合焊接材料用钢所要求的特性，应优先选用。专利CN1152767C中公布的DB590钢或X70钢应首选。

(2)根据欲制焊接用填充金属颗粒的化学成分指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定是否需要添加合金剂，以及添加合金剂的种类及数量；

(3)将步骤(1)选定的废钢分为A、B两份，将A份先放入感应熔炼炉用最短的时间将其熔化，A份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有10mm～20mm深为原则；然后加入造渣剂，并将其熔化(建立起液态熔渣保护层，隔绝空气与钢水的接触)，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3mm～4mm厚的液态熔渣为原则；待液态熔渣形成后，将B份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，待B份废钢熔化后继续熔炼10～15分钟；

(4)根据步骤(2)确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完全熔化后再精炼5～12分钟；

(5)将熔炼好的钢水(过热150～200℃)和其表面的熔渣倒入下部设有导流管的保温坩埚中；

其中：所述保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径依据欲制备的颗粒粒径在6～20mm内更换选择；在漏嘴出口处同水平高度的四周设置有喷嘴，喷嘴为环缝式，呈正方形排布，所述正方形的边长为200～500mm，所述漏嘴出口位于所述正方形对角线的交点处；喷嘴进口与高压液流或者高压气流管相接，喷嘴出口喷出的高压液流或气流与漏嘴流出的钢水呈30°～60°角，且喷嘴出口喷出的高压液流或者高压气流聚焦于漏嘴出口垂直流出的钢水流上；漏嘴与喷嘴的下方设置有底部成斜坡状(斜坡与水平面的夹角为30～60°，斜坡能使凝固中的小钢滴沿斜坡运动，防止其过快沉积而相互焊结)的收集池，池中装有1.5～2m深的液体冷却介质，介质液面距喷嘴聚焦点为200～500mm(喷嘴与收集池液面的距离尽可能小，使钢水粒化成小钢滴后能够快速入水，减少空气对其的氧化作用)；

(6)更换上选定直径的漏嘴，以10～50kg/min的流量使坩埚中沉于下部的钢水由漏嘴流出，同时开启高压液流或者高压气流的喷嘴，以0.8～10MPa的压力(压力越大，金属颗粒越细小)喷射流出的钢水，待钢水全部流出后，液态熔渣弃掉，钢水在高压液流或者高压气流的冲击作用下，变为小钢滴，并被快速冷却，落入装有液体冷却介质的收集池中，小钢滴凝固后，即成为金属颗粒；

(7)取出收集池水中的金属颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为120～180℃，保温时间为20～40分钟；

(8)采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的金属颗粒，根据焊接工艺的要求按比例选用不同粒径的金属颗粒混合使用；或者，将烘干后的金属颗粒混匀后，直接使用。

上述焊接用填充金属颗粒的制备方法中，步骤(2)或(4)所述合金剂是硅铁、钼铁、铬铁、铌铁、金属镍、铜、锰铁、钛铁、钒铁、硼铁之一或部分或全部。

上述焊接用填充金属颗粒的制备方法中，步骤(3)所述造渣剂优选埋弧焊常用的焊剂431。

上述焊接用填充金属颗粒的制备方法中，步骤(5)或(6)所述高压液流优选高压水，高压气流优选高压氩气；所述收集池中的液体冷却介质优选水。

上述焊接用填充金属颗粒的制备方法中，步骤(6)所述漏嘴直径选定为6mm时，沉于坩埚下部的钢水以18～22kg/min的流量由漏嘴流出；漏嘴直径选定为8mm时，沉于坩埚下部的钢水以42～46kg/min的流量由漏嘴流出。

通常直径决定流量，漏嘴直径越小，钢水流量越慢，喷嘴出口喷出的液流或气流的压力越大，金属颗粒越细小。

漏嘴直径选定为6mm时，钢水流量18kg/min时，喷嘴出口喷出的高压水压力为10MPa，金属颗粒的尺寸可达到100～200μm，细小如粉末。

焊接用的填充金属主要用于金属材料的连接，要求焊缝具有一定的力学性能，并具有良好的抗裂性能等。

上述金属和铁合金的质量以如下国家和行业标准执行：

锰铁GB/T3795-2006，硅铁GB2272-1987，铬铁GB 5683-1987，钒铁GB 4139-2004，铌铁GB7737-1997，钼铁GB3649-1987，钨铁GB/T3648-1996，钛铁GB 3282-1987，硼铁GB/T 5682-1995，镍及镍合金板GB/T2054-2005，粗铜YS/T 70-93(中国有色金属行业标准)，没有国家和行业标准的执行生产企业标准。

使用本发明的填充金属颗粒进行焊接时，首先根据对焊缝的性能要求确定填充金属的成分，同时最好选用不同粒度的填充金属颗粒混合使用，这样可以减少颗粒之间的间隙，增加容积质量，增加单位体积的填充量。

工件上开有坡口时，首先在坡口的底部焊接打底焊缝或者在工件的背面加垫板(或衬垫)，然后在坡口内均匀散布填充金属颗粒，全位置焊缝可以采取一些措施(如磁性或着用粘接剂涂敷)固定填充金属颗粒于坡口，填充量根据焊接工艺确定。最后在填充金属的表面焊接一条焊缝(可以采用熔化极的焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等，也可以采用非熔化极的TIG焊接、等离子焊接等)，在焊接热源的作用下，填充金属颗粒由于粒度小，非常容易熔化形成熔池，由于熔池的强烈对流传热，底部剩余的填充金属也很快熔化，并且母材部位也有部分金属熔化，熔化的部分母材和填充金属颗粒凝固结晶后形成焊缝。这种工艺具有以下优点：焊接热输入一部分用于熔化填充金属，填充金属阻碍了热向母材的传输，从而降低了热影响区的过热，使得热影响区晶粒得以细化、性能改善，焊接接头的质量提高；由于填充单位质量金属的热输入降低，热输入的分布均匀，焊接的应力、变形也降低；焊缝光滑、美观，节省了能源和焊接材料，降低了成本和工人的劳动强度；对于中厚度以上材料的焊接，由于焊接层数的减少，大大提高了焊接生产效率。通过选用不同成分的填充金属，上述工艺可用于碳钢、低合金高强钢、耐热钢、不锈钢等金属材料的焊接。

本发明实施具有如下明显效果：

(1)产品的合金成分可根据需要自主调整，使用的金属颗粒的大小可通过筛分任意选择。

(2)本专利所用原材料来源广，并使废钢资源得到了更加充分合理的利用。

钢铁企业在生产板材过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量5％左右的板头和板边，钢材用户也会产生一定量的边角料。这些板头、板边目前多作为废钢处理了，有的回炉、有的用于小部件制造，没有充分发挥其成分、组织、性能稳定，杂质含量少的优越性。

(3)本发明专利的填充金属颗粒由液态金属直接粒化制取，生产工艺简单，合金成分可以根据需求任意确定。

(4)由于不用制丝，对金属成分没有特别要求，只要能够熔化成液态金属即可。因此，特别适合制备合金元素含量较多(如耐热金属)的填充金属颗粒。

(5)原材料取自废钢、生产工艺简单、合金元素的利用率较高，成本比碎焊丝大大降低。

具体实施方式

实施例1：埋弧焊用填充金属颗粒的制备及应用

填充金属颗粒的化学成分设计为(质量％)，0.08C、0.35Si、1.45Mn、0.02Nb、0.035V、0.02Ti、0.18Mo、0.24Ni，S和P不超过0.03。

(1)废钢的选择：根据填充金属的化学成分要求，选用抗拉强度610MPa级低碳微合金钢的边角料生产填充金属颗粒，边角料的化学成分为(质量％)：0.09C、1.47Mn、0.22Si、0.26Ni、0.18Mo、0.042V、0.016Ti、0.002S、0.007P。

(2)根据埋弧焊用填充金属颗粒的化学成分设计指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：

炉料总质量0.07％的钼铁(含55％Mo)、0.65％的硅铁(含45％Si)、0.075％的铌铁(含50％Nb)、0.35％的锰铁(含79％Mn)、0.1％的钛铁(含27％Ti)。

(3)将步骤(1)所选废钢分为A、B两份，将A份先放入感应熔炼炉内，以感应炉最大的功率用最短的时间将其熔化，A份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有15mm～20mm深为原则；然后加入埋弧焊用的焊剂431做为造渣剂，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3mm～4mm厚的液态熔渣为原则；待液态熔渣形成后，将B份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，熔化后熔炼12分钟。

(4)将步骤(2)选定的钼铁、硅铁、铌铁、锰铁、钛铁依次加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待铁合金完全熔化后再精炼10分钟；

(5)将步骤(4)熔炼好的钢水(过热150～200℃)和其表面的熔渣倒入下部设有导流管的保温坩埚中。

其中：所述保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径为8mm，在漏嘴出口处同水平高度的四周设置有喷嘴，喷嘴为环缝式，呈正方形排布，所述正方形的边长为300mm，所述漏嘴出口位于所述正方形对角线的交点处；喷嘴进口与高压水流管相接，喷嘴出口喷出的高压水流与漏嘴流出的钢水呈40°角，且喷嘴出口喷出的高压水流聚焦于漏嘴出口垂直流出的钢水流上；漏嘴与喷嘴的下方设置有底部成斜坡状(斜坡与水平面的夹角为45°)的收集池，池中装有1.8m深的水，水面距喷嘴聚焦点为300mm。

(6)选定的漏嘴直径为8mm，以42kg/min的流量使坩埚中沉于下部的钢水由漏嘴流出，同时开启高压水流的喷嘴，以1.2MPa的压力喷射流出的钢水，待钢水全部流出后，液态熔渣弃掉，钢水在高压水流的冲击作用下，变为小钢滴(喷射的高压水在钢水的四周能形成一个水帘，隔绝了空气，同时水雾化形成的蒸汽也降低了气氛中氧的分压(氧来源于空气)，减少了钢水的氧化)，并被快速冷却，落入装有冷却水的收集池中，小钢滴凝固后，即成为金属颗粒；

(7)取出收集池水中的金属颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为150℃，保温时间为30分钟；

(8)采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的金属颗粒，根据焊接工艺的要求按比例选用不同粒径的金属颗粒混合使用；或者，将烘干后的金属颗粒混匀后，直接使用。

将按上述方法制备的填充金属颗粒取直径0.6mm和直径0.8mm的各一半混合用于埋弧焊。

采用H08A焊丝和HJ431焊剂匹配，焊接16mm厚的控轧控冷后调质处理的钢板，钢材的力学性能为：屈服强度535MPa、抗拉强度630MPa、伸长率24％、-20℃横向冲击功180J。

焊接试件开50°的V形坡口，背面加垫板，垫板的宽度为30mm、厚度为5mm、长度与焊接试板的长度相同。将填充金属颗粒填满坡口间隙，在填充金属颗粒的上表面进行焊接，其他试验方法按JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》的有关规定进行。焊缝成型美观、变形较小。无损探伤表明，没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷，焊接接头的抗拉强度为665MPa，伸长率为21％，拉伸试样断于母材，冷弯合格，-20℃焊缝和热影响区的冲击功分别为113J、146J，力学性能指标满足工程需要。通过本发明的填充金属颗粒过渡合金元素，在焊接高强度级别的钢板时可以采用普通焊丝，降低了施工成本，这为高强度级别钢的焊接提供了一种新的途径。

实施例2：抗拉强度700MPa级气体保护焊用填充金属颗粒

填充金属颗粒的化学成分设计为(质量％)，0.08％C、0.56％Si、1.65％Mn、0.15％Ti、0.28％Mo、1.28％Ni、0.18％Cu、S和P不超过0.03。

(1)废钢的选择：根据填充金属的化学成分要求选用废钢，废钢的化学成分(质量％)为：0.06％C、0.28％Si、1.55％Mn、0.014％Ti、0.22％Mo、0.45％Ni、0.2％Cu、0.011％P、0.004％S。

(2)根据填充金属颗粒的化学成分设计指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：炉料总质量0.25％的钼铁(含55％Mo)、1.5％的硅铁(含45％Si)、0.95％的金属镍、0.6％的锰铁(含79％Mn)、2％的钛铁(含27％Ti)。

(3)将步骤(1)所选废钢分为A、B两份，将A份先放入感应熔炼炉内，以感应炉最大的功率用最短的时间将其熔化，A份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有15mm～20mm深为原则；然后加入埋弧焊用的焊剂431做为造渣剂，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3mm～4mm厚的液态熔渣为原则；待液态熔渣形成后，将B份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，熔化后熔炼10分钟。

(4)步骤(2)选定的钼铁、硅铁、金属镍、锰铁、钛铁依次加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待铁合金完全熔化后再精炼10分钟；

(5)将步骤(4)熔炼好的钢水(过热150～200℃)和其表面的熔渣倒入下部设有导流管的保温坩埚中。

其中：所述保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径为6mm，在漏嘴出口处同水平高度的四周设置有喷嘴，喷嘴为环缝式，呈正方形排布，所述正方形的边长为200mm，所述漏嘴出口位于所述正方形对角线的交点处；喷嘴进口与喷嘴进口与高压水流管相接，喷嘴出口喷出的高压水流与漏嘴流出的钢水呈35°角，且喷嘴出口喷出的高压水流聚焦于漏嘴出口垂直流出的钢水流上；漏嘴与喷嘴的下方设置有底部成斜坡状(斜坡与水平面的夹角为40°)的收集池，池中装有1.5m深的水，水面距喷嘴聚焦点为250mm。

(6)选定的漏嘴直径为6mm，以20kg/min的流量使坩埚中沉于下部的钢水由漏嘴流出，同时开启高压水流的喷嘴，以1.0MPa的压力喷射流出的钢水，待钢水全部流出后，液态熔渣弃掉，钢水在高压水的冲击作用下，变为小钢滴，并被快速冷却，落入装有冷却水的收集池中，小钢滴凝固后，即成为金属颗粒；

(7)取出收集池水中的金属颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为130℃，保温时间为40分钟；

(8)采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的金属颗粒，根据焊接工艺的要求按比例选用不同粒径的金属颗粒混合使用；或者，将烘干后的金属颗粒混匀后，直接使用。

将按上述方法生产的填充金属颗粒混合均匀后用于气体保护电弧焊焊接试验。按GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》的有关规定制备焊接试板，焊前在坡口内均匀散布上述填充金属颗粒，气体保护焊的焊丝选用HS-70C、保护气体为CO₂、焊丝直径为1.2mm。

无损探伤表明，焊接试板没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷。力学性能试样的制备、试验方法按GB/T8110-1995的规定进行。熔敷金属的力学性能如下：抗拉强度为710MPa、屈服强度608MPa、伸长率23.5％、-20℃的冲击功为92J。该填充金属颗粒可用于700MPa级高强度钢的焊接。

实施例3：抗拉强度500MPa级填充金属颗粒

选用S、P等杂质含量符合焊接材料要求的废钢，不添加合金元素制备适合结构钢焊接的抗拉强度500MPa级填充金属颗粒。

(1)废钢的选择：选用Q345废钢作为生产填充金属颗粒用的原材料，其主要化学成分为(质量％)：0.18C、1.48Mn、0.39Si、0.017S、0.015P。

(2)将步骤(1)所选废钢分为A、B两份，将A份先放入感应熔炼炉内，以感应炉最大的功率用最短的时间将其熔化，A份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有13mm～17mm深为原则；然后加入埋弧焊用的焊剂431做为造渣剂，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3mm～4mm厚的液态熔渣为原则；待液态熔渣形成后，将B份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，熔化后精炼15分钟。

(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热150～200℃)和其表面的熔渣倒入下部设有导流管的保温坩埚中。

其中：所述保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径为8mm，在漏嘴出口处同水平高度的四周设置有喷嘴，喷嘴为环缝式，呈正方形排布，所述正方形的边长为300mm，所述漏嘴出口位于所述正方形对角线的交点处；喷嘴进口与高压水流管相接，喷嘴出口喷出的高压水流与漏嘴流出的钢水呈50°角，且喷嘴出口喷出的高压水流聚焦于漏嘴出口垂直流出的钢水流上；漏嘴与喷嘴的下方设置有底部成斜坡状(斜坡与水平面的夹角为55°)的收集池，池中装有2m深的水，水面距喷嘴聚焦点为400mm。

(4)选定的漏嘴直径为8mm，以46kg/min的流量使坩埚中沉于下部的钢水由漏嘴流出，同时开启高压水流的喷嘴，以3.2MPa的压力喷射流出的钢水，待钢水全部流出后，液态熔渣弃掉，钢水在高压水流的冲击作用下，变为小钢滴，并被快速冷却，落入装有冷却水的收集池中，小钢滴凝固后，即成为金属颗粒；

(5)取出收集池水中的金属颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为180℃，保温时间为20分钟；

(6)采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的金属颗粒，根据焊接工艺的要求按比例选用不同粒径的金属颗粒混合使用：或者，将烘干后的金属颗粒混匀后，直接使用。

经化学成分分析最终获得的填充金属颗粒的化学成分(质量％)为：0.12C、1.25Mn、0.30Si、0.016S、0.013P，可用于抗拉强度500MPa级结构钢的焊接。

Claims (10)

1.一种焊接用填充金属颗粒，由废钢和铁合金制成，其特征在于，所述金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.1～5.0mm，其化学成分以质量百分比计，必须满足C小于0.15％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％、Cu不超过0.5％、B不超过0.09％。

2.如权利要求1所述的焊接用填充金属颗粒，其特征在于，所述废钢是钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的板头、板边、边角料。

3.如权利要求1或2所述的焊接用填充金属颗粒，其特征在于，所述金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.5～3mm，其化学成分以质量百分比计为：C 0.067％、Si 0.305％、Mn 1.439％、P 0.019％、S 0.008％、Nb 0.041％、Cu 0.108％、Ti 0.021％、B 0.0010％。

4.如权利要求1或2所述的焊接用填充金属颗粒，其特征在于，所述金属颗粒为圆球或椭圆球状，粒径为0.5～3mm，其化学成分以质量百分比计为：C 0.06％、Si 0.25％、Mn1.46％、P 0.012％、S 0.003％、Mo 0.22％、Ni 0.20％、Cu 0.22％。

5.权利要求1所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)废钢的选择：所述废钢的化学成分中C、S、P、0、N，以质量百分比计，必须满足C小于0.15％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超0.5％、Cu不超过0.5％、B不超过0.09％；

(2)根据欲制焊接用填充金属颗粒的化学成分指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定是否需要添加合金剂，以及添加合金剂的种类及数量；

(3)将步骤(1)选定的废钢分为A、B两份，将A份先放入感应熔炼炉用最短的时间将其熔化，A份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有10mm～20mm深为原则；然后加入造渣剂，并将其熔化，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3mm～4mm厚的液态熔渣为原则；待液态熔渣形成后，将B份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，待B份废钢熔化后继续熔炼10～15分钟；

(4)根据步骤(2)确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完全熔化后再精炼5～10分钟；

(5)将熔炼好的钢水和其表面的熔渣倒入下部设有导流管的保温坩埚中；

其中：所述保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径依据欲制备的颗粒粒径在6～20mm内更换选择；在漏嘴出口处同水平高度的四周设置有喷嘴，喷嘴为环缝式，呈正方形排布，所述正方形的边长为200～500mm，所述漏嘴出口位于所述正方形对角线的交点处；喷嘴进口与高压液流或者高压气流管相接，喷嘴出口喷出的高压液流或气流与漏嘴流出的钢水呈30°～60°角，且喷嘴出口喷出的高压液流或者高压气流聚焦于漏嘴出口垂直流出的钢水流上；漏嘴与喷嘴的下方设置有底部成斜坡状的收集池，池中装有1.5～2m深的液体冷却介质，介质液面距喷嘴聚焦点为200～500mm；

(6)更换上选定直径的漏嘴，以10～50kg/min的流量使坩埚中沉于下部的钢水由漏嘴流出，同时开启高压液流或者高压气流的喷嘴，以0.8～10MPa的压力喷射流出的钢水，待钢水全部流出后，液态熔渣弃掉，钢水在高压液流或者高压气流的冲击作用下，变为小钢滴，并被快速冷却，落入装有液体冷却介质的收集池中，小钢滴凝固后，即成为金属颗粒；

(7)取出收集池水中的金属颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为120～180℃，保温时间为20～40分钟；

(8)采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的金属颗粒，根据焊接工艺的要求按比例选用不同粒径的金属颗粒混合使用；或者，将烘干后的金属颗粒混匀后，直接使用。

6.如权利要求5所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述废钢选择DB590钢或X70钢的板头、板边、边角料。

7.如权利要求5所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)或(4)所述合金剂是硅铁、钼铁、铬铁、铌铁、金属镍、铜、锰铁、钛铁、钒铁、硼铁之一或部分或全部。

8.如权利要求5所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述造渣剂是埋弧焊常用的焊剂431。

9.如权利要求5所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(5)或(6)所述高压液流是高压水，高压气流是高压氩气；所述收集池中的液体冷却介质是水。

10.如权利要求5所述焊接用填充金属颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述漏嘴直径选定为6mm时，沉于坩埚下部的钢水以18～22kg/min的流量由漏嘴流出；漏嘴直径选定为8mm时，沉于坩埚下部的钢水以42～46kg/min的流量由漏嘴流出。