CN102601545B

CN102601545B - 一种专用于送粉送气功能焊炬的药粉

Info

Publication number: CN102601545B
Application number: CN201210103217.6A
Authority: CN
Inventors: 孙俊生; 李梦实; 焦恩理
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN102601545A

Abstract

本发明公开了一种专用于送粉送气功能焊炬的药粉，是由如下重量份的粉末材料均匀混合制成，金红石20～35份，钾长石5～8份，钛酸钾0～3份，氟硅酸钠0～5份，氟化钠0～2份，钛铁0～8份，氧化铈稀土(CeO₂)0～6份。应用本发明的药粉并配合具有送粉送气双功能的焊炬使用，加上向焊接区输送保护气体，可实现焊接中稳定电弧、降低大电流气体保护焊接的飞溅，同时，本发明的药粉原材料获得容易、成本低廉、容易制备与推广。

Description

一种专用于送粉送气功能焊炬的药粉

技术领域

本发明涉及一种焊接用的药粉，尤其涉及一种专用于具有送粉送气功能焊炬的大电流低飞溅药粉；属于焊接材料领域。

背景技术

大电流熔化极气体保护电弧焊（GMAW）是一种新型、快速、高效的气体保护技术。随着焊接电流的增大，焊接材料的熔化速度会明显提高。当焊接电流超过旋转射流过渡的临界电流时，熔滴过渡变为不稳定的旋转射流过渡形式，此时产生大量的飞溅，且大颗粒飞溅占有较大比例，焊缝成型恶劣，工作条件极差，无实际应用价值。飞溅不仅浪费焊接材料，而且工件表面飞溅物的清理也增大了工作量，使工件的表面质量变差，甚至影响工件的正常使用。降低大电流气体保护焊的飞溅，改善焊缝成型成为推广该工艺需要解决的关键技术。

降低大电流气体保护焊飞溅的方法归纳起来主要有两类，一是改进设备对焊接电弧以及熔滴过渡进行控制；二是开发低飞溅的焊接材料，包括焊丝和保护气体。在电弧周围施加一个外加磁场控制电弧形态及其运动，从而控制熔滴过渡形式，实现大电流气体保护焊飞溅少，焊缝成型良好的目的，但电弧周围施加外加磁场的装置使焊枪的灵活性降低，在生产应用上受到限制。如河北科技大学学报（2010年第31卷第3期）报道了王军等人的论文“纵向磁场控制高效MAG焊接工艺的试验研究”，研究表明外加纵向磁场可以有效控制MAG焊接的旋转射流过渡过程，提高了旋转射流过渡过程的稳定性和规律性，试验采用的是实芯焊丝。

采用大干伸长度和特殊的四元保护气体（0.5%O₂，8%CO₂，26.5%He，65%Ar）的T.I.M.E焊接工艺，通过选择保护气体和大的干伸长度，实现了大电流、高熔敷率的焊接，达到了工程应用的水平。采用四元气体是该项技术的关键，这种气体能够获得稳定的旋转射流过渡形式，从而能够改变焊缝截面形状，但由于保护气体He比较稀缺，混合气体成分配比允许的偏差范围窄，生产难度大，还需使用特殊设备混合均匀，因此大大增加了混合气体成本，使其难以推广应用。我国天然氦气资源严重缺乏，采用加工方法制成的氦气成本高昂，其价格是氩气的22倍，更增加了推广的难度。

药芯焊丝由于只有外侧的钢带导电，在相同焊接电流下，其熔化速度远高于实芯焊丝。药芯焊丝的药粉也可以通过合理设计，起到稳定电弧，降低飞溅的作用，药粉熔化形成的熔渣则可以改善焊缝成形。但药芯焊丝在大电流焊接时，要求有较高的送丝速度，由于其刚度比实芯焊丝差，其送丝性能不如实芯焊丝顺畅，影响焊接过程的稳定性。另外，药芯焊丝的制造成本较高，使其应用受到一定限制。

具有送粉送气双重功能焊炬的应用，为大电流焊接条件下，实现电弧稳定、飞溅少、焊缝成型美观、提高焊接生产率，降低焊接生产成本奠定了基础，然而专用于具有送粉送气功能焊炬的大电流低飞溅药粉却鲜见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种专用于具有送粉送气功能焊炬的大电流低飞溅药粉，在焊接过程中通过向焊接区输送保护气体和药粉，实现降低大电流气体保护焊接飞溅的目标。

本发明所述专用于送粉送气功能焊炬的药粉，其特征在于：由如下重量份的粉末材料均匀混合制成，金红石20～35份，钾长石5～8份，钛酸钾0～3份，氟硅酸钠0～5份，氟化钠0～2份，钛铁0～8份，氧化铈稀土（CeO₂）0～6份；其中：金红石的成分以重量比计TiO₂含量不小于92%；钾长石成分以重量比计K₂O和Na₂O之和不小于12%，K₂O不小于8%，SiO₂为62%～72%，Al₂O₃为17%～24%，且所述钾长石各组分之和以重量比计为100%；钛酸钾成分以重量比计K₂TiO₃含量不小于98%；氟硅酸钠的成分以重量百分比计Na₂SiF₄不小于95%；氟化钠的成分以重量百分比计NaF不小于95%；钛铁的成分以重量比计是23%～35%Ti、不超过8.5%Al，不超过5%Si，余为Fe；氧化铈稀土CeO₂含量不小于99%；上述粉末的粒度为75微米～180微米（即粒度为-80目～+200目）。

进一步的，上述药粉以重量份计组分优选是：金红石20～35份，钾长石5～8份，钛酸钾1～3份，氟硅酸钠1～5份，氟化钠1～2份，钛铁2～8份，氧化铈稀土（CeO₂）1～6份。

或者，上述药粉以重量份计组分优选是：金红石20份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟硅酸钠5份，氟化钠1份，钛铁5份，氧化铈稀土1份。

或者，上述药粉以重量份计组分优选是：金红石30份，钾长石5份，钛酸钾1份，氟硅酸钠1份，钛铁2份，氧化铈稀土2份。

或者，上述药粉以重量份计组分优选是：金红石28份，钾长石6份，氟硅酸钠2份，氟化钠1份，钛铁8份。

或者，上述药粉以重量份计组分优选是：金红石35份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠1份，钛铁4份，氧化铈稀土（CeO₂）6份。

上述药粉的成分中允许含有加工过程中难以去除的不影响其性能的杂质。

上述药粉中各组分的作用如下：

金红石的作用是在焊接过程中稳定电弧，调节熔渣的物理化学性能，改善焊缝成型。

钾长石的作用是造渣、稳弧。

钛酸钾的作用是造渣、稳弧。

氟硅酸钠的作用是造渣、稳弧、稀渣、降低熔敷金属扩散氢含量。

氟化钠的作用是造渣、稳弧、降低熔渣的熔点、降低熔敷金属的扩散氢含量、改善焊缝成型。

钛铁的作用是脱氧、脱氮，细化晶粒，提高韧性。

氧化铈稀土的作用是降低熔滴的表面张力，促使熔滴过渡，减少飞溅。

一种适用于上述药粉的具有送粉送气功能的焊炬，其结构示意图见图1，原理图见图2，图中标示：1连接件、2送粉管、3绝缘体、4导电杆、5和11送气管、6气室、7气筛、8喷嘴、9导电嘴。

具体的，上述具有送粉送气功能的焊炬形状为圆柱体，由喷嘴与连接件构成；喷嘴为圆柱体，其内孔直径为Φ42mm～Φ60mm，喷嘴内设有导电杆、导电嘴、送粉管和气室，连接件为一直径Φ42mm～Φ60mm的圆盘，圆盘高度为20mm～28mm；其中，所述导电杆为外径是Φ6mm～Φ7mm的圆柱体，位于焊炬的中心线上，导电杆设有内孔直径为Φ2mm～Φ4mm的焊丝通道，导电杆的近喷嘴端安装有导电嘴，导电嘴有内孔直径为Φ0.8mm～Φ2.4mm的焊丝通道且与导电杆的焊丝通道贯通，导电杆的外侧设有厚度为1mm～2mm的绝缘层，并以绝缘层与连接件结合，在绝缘层的外侧，对称导电杆的中心线各设置有内径为Φ2mm～Φ4mm的送粉管，送粉管的中心线与导电杆的中心线之间的距离为8.5mm～12mm，送粉管穿越连接件上的通孔并固定于连接件上，送粉管的近喷嘴端（即出粉端）朝向导电嘴通道中心线（即焊丝）方向成弯管形，弯管的角度为90°～135°，且送粉管出粉端缩于喷嘴内，出粉口距离喷嘴端面的距离为20mm～45mm，送粉管的外侧与喷嘴内壁之间的连接件上设有一环形气室，气室朝向喷嘴端的面上设有气筛，气筛上均匀分布有通孔，气室中气筛面的对面对称于连接件中心线的位置开有两个通孔连接送气管。

其中，上述送粉管出粉端朝向焊丝通道中心线方向成弯管形，弯管的角度优选105°～120°。

上述气室为一环形槽，环形槽的径向截面为长方形，环形槽是该长方形沿连接件的中心线（即导电杆的中心线）旋转一周形成的旋转体。径向截面长方形的径向边长为7mm～10mm，垂直于径向的轴向边长为16mm～24mm，轴向边长由连接件的轴向厚度确定。

上述气室中气筛面的对面对称于连接件中心线位置的两个通孔位于连接件上；所述连接送气管的通孔中心线与送粉管的中心线在一个平面上或不在一个平面上，若不在一个平面上，连接送气管的通孔中心线所在的平面优选与送粉管的中心线所在的平面垂直。

本发明所具有的显著效果是：

（1）采用具有送粉送气双功能的焊炬，使用本专利药粉焊接，可以获得稳定电弧、降低大电流焊接的飞溅。

（2）通过具有送粉送气功能的焊炬，使用本专利药粉，可以采用现在广泛应用的普通气体保护焊设备，便于推广，降低了焊接设备更新费用。

（3）本专利采用实芯焊丝焊接，与使用昂贵的药芯焊丝相比具有成本低廉、送丝顺畅等优点。

（4）与实芯焊丝焊接相比，通过添加药粉，达到了实芯焊丝难以实现的电弧稳定、飞溅大幅度降低，焊缝成型美观的目的。

（5）与采用特殊保护气体降低大电流气体保护焊飞溅相比，本发明的药粉原材料获得容易、成本低廉、容易制备与推广。

（6）本发明添加的药粉成分调节方便，用户可以根据需要自行调整，而药芯焊丝药粉的成分只有焊接材料生产厂家才能调整，用户无法改变。

附图说明

图1本发明所述焊炬的结构示意图。

其中：1—连接件 2—送粉管 3—绝缘体 4—导电杆 5—送气管

6—气室 7—气筛 8—喷嘴 9—导电嘴 10—焊丝 11－送气管。

图2 本发明所述焊炬的原理图。

其中：2—送粉管 8—喷嘴 9—导电嘴 10—焊丝。

具体实施方式

实施例1：

焊炬的结构见图1。具体尺寸如下：

焊炬的中心线上设有导电杆，导电杆是外径为Φ6mm的圆柱体，导电杆内孔直径为Φ3mm，导电杆采用紫铜制作。导电杆与连接件之间绝缘层的厚度为1mm，绝缘体选用耐高温橡胶。导电杆下表面螺纹孔的公称直径为M3（即3mm），高度为5mm，与导电嘴配合，导电嘴选用市售的气体保护焊用导电嘴。

两个送粉管对称安装在导电杆的两侧，送粉管通过连接件上两个直径为Φ5mm的通孔固定于连接件上，送粉管的内径为Φ2mm。送粉管的中心线与导电杆的中心线平行，与导电杆中心线位于同一个平面内，两中心线之间的距离为8.5mm。送粉管的出粉端，设计成弯管形式，弯管的角度为90°，并向焊丝轴线方向弯曲。送粉管选用奥氏体不锈钢材料制作。送粉管出粉端内缩于喷嘴内，其出粉口距离喷嘴端面的距离为20mm，送粉器采用现有的射吸式送粉器。

保护气的气室径向截面长方形的径向边长为7mm，垂直于径向的轴向边长为16mm。环形槽径向截面的长方形轴向边距离连接件上送粉管孔壁的最小距离为2mm。环形槽位于上表面一侧开两个对称于连接件中心线的通孔，用于安装送气管，通孔的直径与送气管配合，直径为Φ3mm，通孔的中心线平行于连接件的中心线，位于长方形截面的中心。环形槽位于下表面的一侧安装气筛，气筛与底座采用常规的机械连接方式连接。气筛的高度为3mm，气筛上开有中心线与连接件中心线平行的通孔，通孔均匀分布，通孔直径为Φ1mm，相邻通孔中心线之间的距离为3mm。

连接件1为一直径Φ44mm的圆盘，圆盘的高度为20mm，连接件的材料选用紫铜。

连接件上送气管的通孔中心线和送粉管的通孔中心线在一个平面上。

喷嘴安装在连接件上，喷嘴材料不锈钢，喷嘴为圆柱体，其内孔直径为Φ44。

焊丝采用直径1.2mm的市售ER50-6实芯焊丝，导电嘴为由紫铜制成的与直径1.2mm焊丝匹配的市售产品。药粉以重量份计由以下粉末混合均匀制得：金红石28份，钾长石6份，氟硅酸钠2份，氟化钠1份，钛铁8份。

上述粉末的粒度为-80目～+200目。

焊接保护气体为CO₂，保护气体的流量为18L/min。送粉气为CO₂，送粉气流量为7L/min，焊接电流为520A，电压为40～42V，送粉量与焊丝熔化量的比值为0.45。

试验结果表明，电弧燃烧稳定、焊缝表面覆盖有一层厚度均匀的熔渣，焊缝成型美观，飞溅小，没有超过0.8mm的大颗粒飞溅，飞溅率（飞溅物质量与熔敷金属质量的比值）为2.4%。

实施例2：

焊炬的结构见图1。具体尺寸如下：

焊炬的中心线上设有导电杆，导电杆是外径为Φ7mm的圆柱体，导电杆内孔直径为Φ4mm，导电杆采用紫铜制作。导电杆与连接件之间绝缘层的厚度为2mm，绝缘体选用耐高温橡胶。导电杆下表面螺纹孔的公称直径为M4，高度为8mm，与导电嘴配合，导电嘴选用市售的气体保护焊用导电嘴。

两个送粉管对称安装在导电杆的两侧，送粉管通过连接件上两个直径为Φ7mm的通孔固定于连接件上，送粉管的内径为Φ4mm。送粉管的中心线与导电杆的中心线平行，与导电杆中心线位于同一个平面内，两中心线之间的距离为12mm。送粉管的出粉端，设计成弯管形式，弯管的角度为135°，并向焊丝轴线方向弯曲。送粉管选用奥氏体不锈钢材料制作。送粉管出粉端内缩于喷嘴内，其出粉口距离喷嘴端面的距离为45mm，送粉器采用现有的射吸式送粉器。

保护气的气室径向截面长方形的径向边长为10mm，垂直于径向的轴向边长为24mm。环形槽径向截面的长方形轴向边距离连接件上送粉管孔壁的最小距离为2.5mm。环形槽位于上表面一侧开两个对称于连接件中心线的通孔，用于安装送气管，通孔的直径与送气管配合，直径为Φ6mm，通孔的中心线平行于连接件的中心线，位于长方形截面的中心。环形槽位于下表面的一侧安装气筛，气筛与底座采用常规的机械连接方式连接。气筛的高度为5mm，气筛上开有中心线与连接件中心线平行的通孔，通孔均匀分布，通孔直径为Φ3mm，相邻通孔中心线之间的距离为5mm。

连接件1为一直径Φ60mm的圆盘，圆盘的高度为28mm，连接件的材料选用黄铜。

连接件上送气管的通孔中心线和送粉管的通孔中心线所在平面垂直。

喷嘴安装在连接件上，喷嘴材料铬锆铜，喷嘴为圆柱体，其内孔直径为Φ60。

焊丝采用直径1.2mm的市售ER50-6实芯焊丝，导电嘴为由紫铜制成的与直径1.2mm焊丝匹配的市售产品。药粉以重量份计由以下粉末混合均匀制得：金红石20份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟硅酸钠5份，氟化钠1份，钛铁5份，氧化铈稀土1份，上述粉末的粒度为-80目～+200目。

焊接保护气体为CO₂，保护气体的流量为25L/min。送粉气为富Ar混合气体Ar+5%CO₂，送粉气流量为10L/min，焊接电流为550A，电压为42～44V，送粉量与焊丝熔化量的比值为0.5。

试验结果表明，电弧燃烧稳定、焊缝表面覆盖有一层厚度均匀的熔渣，焊缝成型美观，飞溅小，没有超过1mm的大颗粒飞溅，飞溅率（飞溅物质量与熔敷金属质量的比值）为3.1%。

实施例3：

焊炬的结构见图1。具体尺寸如下：

焊炬的中心线上设有导电杆，导电杆是外径为Φ6.5mm的圆柱体，导电杆内孔直径为Φ2.5mm，导电杆采用紫铜制作。导电杆与连接件之间绝缘层的厚度为1.5mm，绝缘体选用耐高温塑胶。导电杆下表面螺纹孔的公称直径为M3（即公称直径3mm），高度为6mm，与导电嘴配合，导电嘴选用市售的气体保护焊用导电嘴。

两个送粉管对称安装在导电杆的两侧，送粉管通过连接件上两个直径为Φ6mm的通孔固定于连接件上，送粉管的内径为Φ3mm。送粉管的中心线与导电杆的中心线平行，与导电杆中心线位于同一个平面内，两中心线之间的距离为10mm。送粉管的出粉端，设计成弯管形式，弯管的角度为105°，并向焊丝轴线方向弯曲。送粉管选用奥氏体不锈钢材料制作。送粉管出粉端内缩于喷嘴内，其出粉口距离喷嘴端面的距离为30mm，送粉器采用现有的射吸式送粉器。

保护气的气室径向截面长方形的径向边长为8mm，垂直于径向的轴向边长为20mm。环形槽径向截面的长方形轴向边距离连接件上送粉管孔壁的最小距离为2mm。环形槽位于上表面一侧开两个对称于连接件中心线的通孔，用于安装送气管，通孔的直径与送气管配合，直径为Φ4mm，通孔的中心线平行于连接件的中心线，位于长方形截面的中心。环形槽位于下表面的一侧安装气筛，气筛与底座采用常规的机械连接方式连接。气筛的高度为3mm，气筛上开有中心线与连接件中心线平行的通孔，通孔均匀分布，通孔直径为Φ2mm，相邻通孔中心线之间的距离为4mm。

连接件1为一直径Φ50mm的圆盘，圆盘的高度为24mm，连接件的材料选用紫铜。

喷嘴安装在连接件上，喷嘴材料不锈钢，喷嘴为圆柱体，其内孔直径为Φ50。

焊丝采用直径1.2mm的市售ER50-6实芯焊丝，导电嘴为由紫铜制成的与直径1.2mm焊丝匹配的市售产品。药粉以重量份计由以下粉末混合均匀制得：金红石30份，钾长石5份，钛酸钾1份，氟硅酸钠1份，钛铁2份，氧化铈稀土2份，上述粉末的粒度为-80目～+200目。

焊接保护气体为CO₂，保护气体的流量为20L/min。送粉气为富Ar混合气体Ar+20%CO₂+5%O₂，送粉气流量为15L/min，焊接电流为580A，电压为43～46V，送粉量与焊丝熔化量的比值为0.65。

试验结果表明，电弧燃烧稳定、焊缝表面覆盖有一层厚度均匀的熔渣，焊缝成型美观，飞溅小，没有超过1mm的大颗粒飞溅，飞溅率（飞溅物质量与熔敷金属质量的比值）为3.8%。

实施例4：

采用实施例1的焊炬。

焊丝采用直径1.2mm的市售ER50-6实芯焊丝，导电嘴为由紫铜制成的与直径1.2mm焊丝匹配的市售产品。药粉以重量份计由以下粉末混合均匀制得：金红石35份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠1份，钛铁4份，氧化铈稀土（CeO₂）6份，上述粉末的粒度为-80目～+200目。

焊接保护气体为CO₂，保护气体的流量为20L/min。送粉气为CO₂，送粉气流量为15L/min，焊接电流为580A，电压为43～46V，送粉量与焊丝熔化量的比值为0.65。试验结果表明，电弧燃烧稳定、焊缝表面覆盖有一层厚度均匀的熔渣，焊缝成型美观，飞溅小，没有超过1mm的大颗粒飞溅，飞溅率（飞溅物质量与熔敷金属质量的比值）为3.2%。

Claims

1.一种专用于送粉送气功能焊炬的药粉，由如下组分的粉末材料均匀混合制成，金红石，钾长石，钛酸钾，氟硅酸钠，氟化钠，钛铁，氧化铈稀土（CeO₂）；其中：金红石的成分以重量比计TiO₂含量不小于92%；钾长石成分以重量比计K₂O和Na₂O之和不小于12%，K₂O不小于8%，SiO₂为62%～72%，Al₂O₃为17%～24%，且所述钾长石各组分之和以重量比计为100%；钛酸钾成分以重量比计K₂TiO₃含量不小于98%；氟硅酸钠的成分以重量百分比计Na₂SiF₄不小于95%；氟化钠的成分以重量百分比计NaF不小于95%；钛铁的成分以重量比计是23%～35%Ti、不超过8.5%Al，不超过5%Si，余为Fe；氧化铈稀土CeO₂含量不小于99%；上述粉末的粒度为75微米～180微米；

其特征在于：

所述药粉组分量以重量份计是：金红石20份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟硅酸钠5份，氟化钠1份，钛铁5份，氧化铈稀土1份；

或者，

所述药粉组分量以重量份计是：金红石30份，钾长石5份，钛酸钾1份，氟硅酸钠1份，钛铁2份，氧化铈稀土2份；

或者，

所述药粉组分量以重量份计是：金红石35份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠1份，钛铁4份，氧化铈稀土6份。