CN102554516A - 一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂及其使用方法，所述活性剂由40-80重量份B2O3、5-20重量份SiO2、5-20重量份Cr2O3、1-15重量份TiO2、1-15重量份KCl和1-5重量份Al2O3组成。在进行使用时，首先按照重量配比进行配料，经充分混合均匀后，与溶剂调和成糊状，再涂覆在待焊工件的表面形成涂层，待干燥后进行焊接。本发明技术方案中活性剂由氧化物和少量氯化物组成，不含有毒性的氟化物，用于铁素体不锈钢的钨极氩弧焊过程中，不仅可以显著增加焊缝熔深，还可以改善焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能，同时解决铁素体不锈钢钨极氩弧焊焊接效率低和焊后使用性能下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接过程中的活性剂及其使用方法，更具体地说，涉及一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊焊接过程的活性剂及其涂覆方法。
背景技术
铁素体不锈钢(FSS)是铬含量11％-30％的不锈钢，因不含镍或含少量镍，在成本上相较于目前广泛使用的奥氏体不锈钢具有明显的经济优势，而且该类型钢具有优良的抗氧化性和耐腐蚀性。目前很多钢铁企业正致力于铁素体不锈钢的开发与推广，其在建筑装饰、家电用品、厨具餐具、车辆部件等领域有广阔的应用市场。限制铁素体不锈钢大量使用的主要原因是其焊接性较差，焊后力学性能和抗腐蚀性能严重下降。首先，单相铁素体组织易于晶粒粗化，还可能出现475℃脆性，焊后组织的强度和韧性显著下降。其次，焊后会沿晶界析出碳化铬，在晶界附近形成的贫铬区容易发生晶间腐蚀。这就对铁素体不锈钢的焊接工艺提出新的要求。用普通的TIG焊方法焊接不锈钢时，虽然可以取得优良的焊缝质量，但该方法同时具有焊接熔深浅(≤3mm)、焊接效率低等缺点，对于厚度大于3mm的板材需要开坡口多道焊或者采用大的热输入，这样就使得铁素体不锈钢焊接时晶粒粗化现象加剧，使其焊后使用性能急剧下降。虽然人们提出了针对低碳钢、铝合金、镁合金、奥氏体不锈钢等多种金属的活性剂，但是对于应用越来越广泛的铁素体不锈钢没有相应的焊接用活性剂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种合适的活性剂及其使用方法，用于铁素体不锈钢的钨极氩弧焊过程中，不仅可以显著增加焊缝熔深，还可以改善焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能，同时解决铁素体不锈钢钨极氩弧焊焊接效率低和焊后使用性能下降的问题。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂，该活性剂由B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2、KCl和Al2O3组成，其重量配比为B2O3：40-80重量份、SiO2：5-20重量份、Cr2O3：5-20重量份、TiO2：1-15重量份、KCl：1-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
各个成分的重量配比优选含量为B2O3：45-7重量份、SiO2：10-20重量份、Cr2O3：5-15重量份、TiO2：1-10重量份、KCl：5-15重量份、Al2O3：1-5重量份，更加优选为B2O3：50-60重量份、SiO2：15-20重量份、Cr2O3：5-10重量份、TiO2：1-5重量份、KCl：10-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
在进行使用时，首先按照重量配比进行配料，经充分混合均匀后，与相当于活性剂质量30-60％的溶剂(例如丙酮、丁酮或无水乙醇)调和成糊状，再涂覆在待焊工件的表面形成涂层，待干燥后进行焊接。
需要注意的是由于一般工件表面都带有锈迹或者油污等污垢，都事先使用砂纸进行打磨，并用无水乙醇清洗以去除表面污垢。
与现有技术相比，本发明技术方案中活性剂由氧化物和少量氯化物组成，不含有毒性的氟化物。活性剂中的氧化物成分能显著改变熔池表面张力梯度和电弧形态，能使焊接熔深显著增大；氯化物的使用。不仅可以增加焊缝熔深，还可以降低焊缝氢含量，减小焊缝冷裂纹倾向。活性剂的加入还能通过冶金反应向熔池中过渡一些合金元素，加入的Si、Al等元素有助于细化晶粒，改善焊缝组织，提高接头力学性能；加入的Cr能降低贫铬区的影响，有助于提高接头耐腐蚀性能。经试验验证，采用本发明涉及的活性剂进行普通钨极氩弧焊(TIG焊)，可使焊接熔深增加一倍以上，提高焊缝抗拉强度，焊缝耐腐蚀性能接近于母材，能减少合金元素烧损，焊缝Cr含量接近于母材。此外，采用本发明的活性剂进行焊接，操作简便，成本低廉，并可大大提高焊接效率。使用活性剂可以在较低电流条件下取得更大的熔深，相对而言减小了焊接热输入，可以有效减小焊接变形，在实际生产中具有重要意义。
附图说明
图1不使用本发明的活性剂进行焊接后的焊缝截面
图2利用本发明的活性剂进行焊接后的焊缝截面
图3不使用本发明的活性剂进行焊接后的焊缝显微组织图
图4利用本发明的活性剂进行焊接后的焊缝显微组织图
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，下述实施例所涉及的焊接设备有Fronius公司生产的MagicWave 4000型数字化TIG焊机、国科电子科技公司制造的SWHT-1A-2C自动焊接工作台、按压式夹具等，试验均为表面堆焊。
按照下表进行活性剂配料，经充分混合后然后和其质量30-60％的无水乙醇调和成糊状。对待焊工件的表面进行处理，用240#砂纸进行表面打磨并用无水酒精清洗。然后用扁平毛刷在待焊钢板表面进行涂覆，涂覆宽度在2-3cm，涂覆厚度为0.6-0.8mm，待涂覆层干燥后用如下表1所示焊接规范对板厚为3mm的铁素体不锈钢进行钨极氩弧焊。
表1实施例中进行活性剂配料的各个组分(g)
| B2O3 | SiO2 | Cr2O3 | TiO2 | KCl | Al2O3 | |
| 1 | 50 | 20 | 10 | 5 | 10 | 5 |
| 2 | 52 | 17 | 7 | 5 | 15 | 4 |
| 3 | 54 | 19 | 8 | 4 | 12 | 3 |
| 4 | 56 | 18 | 9 | 2 | 14 | 1 |
| 5 | 58 | 16 | 6 | 3 | 13 | 4 |
| 6 | 60 | 15 | 5 | 1 | 15 | 4 |
| 7 | 70 | 10 | 5 | 10 | 1 | 4 |
| 8 | 45 | 17 | 8 | 15 | 12 | 3 |
| 9 | 40 | 20 | 15 | 15 | 5 | 5 |
| 10 | 80 | 5 | 5 | 4 | 5 | 1 |
表2实施例中使用的焊接规范
| 焊接电流 | 钨极直径 | 弧长 | 焊接速度 | 焊枪倾角 | 保护气流量 |
| 110A | 2.4mm | 2mm | 4mm/s | 90° | 10L/min |
焊后结果如下：
1.焊缝宏观形貌
不使用活性剂的焊缝正面成形良好，但背面未熔透；使用活性剂的焊缝正面成形良好，焊缝宽度明显减小，焊缝中有少量的黑色熔渣，表面有轻微氧化，焊缝背面成形较好，余高较小。
2.焊缝尺寸
不使用活性剂焊接铁素体钢板时，需要用260A以上的电流才能一次熔透，焊接熔宽很大。在表1所示规范下焊接得到的熔深只有1.3mm，是典型的碗状熔深，如图1所示(采用奥林巴斯生产的GX51-OLYMPUS进行金相显微分析)；采用活性剂后熔深平均可达3-4mm，是前者的2.3-3倍，同时熔宽有所减少，呈现典型的杯状熔深，如图2所示。
3.焊缝显微组织
不使用活性剂的焊缝组织如图3，使用活性剂的如图4。可见使用活性剂之后焊缝组织变化不大，晶粒尺寸略有减小，显微组织均为铁素体、少量马氏体和析出物。
4.焊缝化学成分
对使用和不使用活性剂的焊缝区取样做XRD化学成分分析(RIGAKU/DMAX2500，Japan)，结果见下表(上述活性剂配料涂覆后的平均数据)，使用活性剂的焊缝与母材相比合金元素的含量变化不大，Cr元素的含量与母材几乎一样，而不使用活性剂的焊缝合金元素的含量与母材相比下降较为明显。由此可见，在自熔焊条件下，使用活性剂能有效降低合金元素的烧损。
表3焊缝主要化学成分(wt％)
| 取样位置 | ωC | ωCr | ωSi | ωMn | ωMo | ωP | ωS | ωAl |
| 母材 | 0.096 | 16.54 | 0.67 | 0.88 | 2.79 | 0.021 | 0.003 | 0.012 |
| 普通TIG焊缝 | 0.093 | 15.92 | 0.65 | 0.79 | 2.71 | 0.022 | 0.003 | 0.009 |
| 使用本发明活性剂A-TIG焊缝 | 0.094 | 16.38 | 0.67 | 0.79 | 2.69 | 0.023 | 0.003 | 0.012 |
5.焊缝力学性能
分别对使用活性剂和不使用活性剂的焊缝进行拉伸(GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》)、硬度(GB/T 2654-2008《焊接接头硬度试验方法》)和弯曲试验(GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》)，结果见下表(上述活性剂配料涂覆后的平均数据)，使用活性剂后焊接接头的力学性能良好，抗拉强度比不使用活性剂时稍高，断裂位置在母材；使用活性剂和不使用活性剂对焊接接头的显微硬度影响不大，但两者均大于母材；使用活性剂和不使用活性剂情况下的正反弯试验均合格。总之，使用活性剂可使焊接接头的力学性能有所提高，但变化不大。
表4焊缝力学性能测试
6.焊缝耐腐蚀性能
对使用活性剂和不适用活性剂的焊缝分别取样进行电化学腐蚀试验(GB/T17899《不锈钢点蚀电位测量方法》)，测量其点蚀电位(上述活性剂配料涂覆后的平均数据)，并与母材对比，测试环境与结果见下表。测试开始前，试样在溶液中浸泡5min以去除研磨表面在放置期间形成的钝化膜，并作为工作电极使用。从结果来看，铁素体不锈钢接头的点蚀电位均低于母材，但使用活性剂后焊接接头的点蚀电位明显高于不使用活性剂的，即使用活性剂能增强焊缝的抗腐蚀性能。
表5极化曲线测试环境及结果
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂，其特征在于，所述活性剂由B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2、KCl和Al2O3组成，其重量配比为B2O3：40-80重量份、SiO2：5-20重量份、Cr2O3：5-20重量份、TiO2：1-15重量份、KCl：1-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂，其特征在于，所述各个成分的重量配比优选含量为B2O3：45-70重量份、SiO2：10-20重量份、Cr2O3：5-15重量份、TiO2：1-10重量份、KCl：5-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂，其特征在于，所述各个成分的重量配比优选含量为B2O3：50-60重量份、SiO2：15-20重量份、Cr2O3：5-10重量份、TiO2：1-5重量份、KCl：10-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
4.一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂的使用方法，其特征在于，按照下述步骤进行：首先按照重量配比进行活性剂配料，经充分混合均匀后，与相当于活性剂质量30-60％的溶剂调和成糊状，再涂覆在待焊工件的表面形成涂层，待干燥后进行焊接其中所述活性剂配料由B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2、KCl和Al2O3组成，其重量配比为B2O3：40-80重量份、SiO2：5-20重量份、Cr2O3：5-20重量份、TiO2：1-15重量份、KCl：1-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
5.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂的使用方法，其特征在于，所述活性剂配料中各个成分的重量配比优选含量为B2O3：45-70重量份、SiO2：10-20重量份、Cr2O3：5-15重量份、TiO2：1-10重量份、KCl：5-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
6.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂的使用方法，其特征在于，所述活性剂配料中各个成分的重量配比优选含量为B2O3：50-60重量份、SiO2：15-20重量份、Cr2O3：5-10重量份、TiO2：1-5重量份、KCl：10-15重量份、Al2O3：1-5重量份。
7.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢钨极氩弧焊的活性剂的使用方法，其特征在于，所述溶剂为丙酮、丁酮或无水乙醇。
8.如权利要求1-3之一所述的活性剂在铁素体不锈钢钨极氩弧焊中的应用。
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