CN102806430B - 一种药芯焊丝用稳弧剂及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种药芯焊丝用稳弧剂及其制造方法和应用。该药芯焊丝用稳弧剂由金红石、碳酸钾、碳酸钠、镁砂、长石、氧化钇按一定配比经混合、高温熔炼、破碎、筛分而成，具有以下优点：优异的稳弧性能和抗吸潮性能，显著提高药芯焊丝的低温韧性，良好的颗粒度分布以及优良的分散性和流动性。本发明所述的稳弧剂主要用于碳钢药芯焊丝、合金钢药芯焊丝的制造。具备十分优良稳定的性能和极高的使用价值。

Description

一种药芯焊丝用稳弧剂及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种药芯焊丝专用稳弧剂及其制造方法和应用。

背景技术

在焊条、药芯焊丝等焊接材料中，为了提高焊接电弧的稳定性，往往在药皮或是药芯中加入一定数量的稳弧剂。稳定的电弧可以显著降低飞溅、细化熔滴、提高焊接效率。而焊接材料的稳弧性取决于电弧的化学成分，电弧中含有易电离的元素即电离势越小的元素及其化合物越多，电弧越稳定。K、Na等碱金属则属于易电离元素。因此焊接材料中常用的稳弧剂其主要成分为K、Na的化合物。

目前，市场上有多种焊条用的稳弧剂，大都性能优良。但随着药芯焊丝在国内的迅猛发展，一种适合药芯焊丝用的，性能优良的稳弧剂尚不多见。由于药芯焊丝特有的制造工艺及使用特性，适合药芯焊丝药芯填充用的稳弧剂必须满足以下几个要素：

1）良好的抗吸潮能力。由于稳弧剂的主要成分是K、Na的化合物，因而不可避免会产生游离的K+、Na+，使稳弧剂在存放和使用过程中极易吸潮。结合药芯焊丝的制造过程而言，药芯下粉和成品药芯焊丝上的合缝都会导致药芯粉料在空气中不同程度地裸露，不可避免会受潮。而严重受潮后的稳弧剂混入粉料，会增大粉料中的水分含量，导致药芯焊丝焊接后的焊缝扩散氢含量增高，出现各种焊接缺陷如气孔、压痕等，严重使还会出现焊接冷裂纹，极大影响焊接质量。因此如何最大程度上地减少稳弧剂中游离的K⁺、Na⁺含量，提高其抗吸潮能力，是制造一种性能优良的稳弧剂的关键。

2）良好的颗粒度分散性和流动性。药芯焊丝多采用皮带传动自动下粉。药芯粉料通过下粉管口，承载到皮带上，皮带连续传动，将粉料送入已轧制形成U型口的药芯焊丝钢带外皮上端，粉料依靠重力作用落入钢带外皮的U型口内，随后经过多道次的轧制变形，将口封住，药芯便包裹在钢带外皮内。因此，只有具有良好颗粒度分散性和流动性的粉料才能保证在重力落入时连续、均匀，从而保证药粉填充量的均匀一致，使药芯焊丝达到良好的焊接性能。而焊接材料中常用的稳弧物质如长石、云母等，大多颗粒细小，堆积密度小，流动性差，单纯混入粉料无法保证下粉均匀，从而影响填充量的均匀一致，破坏药芯焊丝的焊接性能。因此将所须稳弧物质混合、熔炼、造粒，制成具有良好颗粒度分散性和流动性的熔炼型钛酸钾填入药芯是解决药芯焊丝稳弧特性的有效途径。

3）良好的提高药芯焊丝低温冲击韧性的能力。近年来，药芯焊丝因其焊接工艺优异，焊接效率高，化学成分灵活调整，适应性广等优点倍受青睐，但由于其自身特点，药芯焊丝在低温冲击韧性方面无法与实芯焊丝等传统产品相企及。因此，在厚板、重要连接件等低温冲击韧性要求高的部位药芯焊丝仍得不到深入应用。要扩宽药芯焊丝的应用领域，大幅提高其低温冲击韧性是先决条件。在药芯中添加适量的稀土氧化物等可以净化焊缝的物质是目前提高药芯焊丝低温冲击韧性的有效途径，但由于其加入量小，不易混合均匀，导致其稀土成分在焊缝中极易产生偏析，不但起不到积极作用，反倒会恶化偏析产生处的晶界性能，致使低温冲击韧性下降。因此在稳弧剂中加入如氧化钇等稀土氧化物成分，通过熔炼等工艺将其均匀熔入其中，通过药芯粉料中稳弧剂的大量均匀分散，以最大程度减少稀土成分在焊缝中的偏析。

发明内容

为解决上述存在的问题，得到性能优良的稳弧剂，本发明提供一种适合药芯焊丝专用的稳弧剂——熔炼型钛酸钾及其制造工艺。

本发明通过优化成分的比例，最大程度地减少化合物中游离K⁺、Na⁺的含量，提高了熔炼型钛酸钾的抗吸潮能力。同时添加稀土氧化物成分Y₂O₃，在最大程度减少其成分偏析的前提下，提高药芯焊丝的低温冲击韧性。制造工艺上提高熔炼温度，得到流动性良好的均匀颗粒。具体技术方案如下：

一种药芯焊丝用稳弧剂，其特征在于其原材料组成的化学配比为：金红石 45~60%，碳酸钾  4~12%，碳酸钠 2~8%，镁砂2~10%，长石30~50%，氧化钇 1~5%。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂，其特征在于所述原材料组成的化学配比为：金红石52%，碳酸钾  5%，碳酸钠2%，镁砂5%，长石 35%，氧化钇1%。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂，其特征在于所述原材料组成的化学配比为：金红石47%，碳酸钾 4%，碳酸钠3%，镁砂  4%，长石40%，氧化钇2%。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂，其原材料的主要化学成分符合以下要求：金红石：TiO₂≥93%、S≤0.03%、P≤0.03%；碳酸钠：Na₂CO₃≥98%、NaCl≤1.2%、Na₂SO₄≤0.1%；碳酸钾：K₂CO₃≥94%、S≤0.1%、P≤0.1%；镁  砂：MgO≥96% 、SiO₂ ≤2.2%、Al₂O₃≤0.3%、CaO≤2.0%；长  石：（K₂O+Na₂O）≥11%、K₂O≥8%、SiO₂60~73%、Al₂O₃≤14~25%，S≤0.04%、P≤0.04%；氧化钇：Y₂O₃≥99%，S≤0.05%、P≤0.05%。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂，其特征在于所述稳弧剂含有以下化学成分：TiO₂  30~60%；K₂O 6~10%；Na₂O2~4%；SiO₂ 25~40%；Al₂O₃ 5~10 %；MgO 2~10%；Y₂O₃  1~5%。

所述的药芯焊丝稳弧剂的制造方法，其特征在于所述制造步骤为：

步骤一，将金红石、碳酸钠、碳酸钾、镁砂、长石、氧化钇按照所述化学配比称量；

步骤二，将上述原料在混粉机中混合搅拌，使粉料充分混合均匀；

步骤三，将充分混合的原料装在不锈钢托盘内，放入箱式熔炼炉，高温熔炼，使各物料之间反应充分进行，保温结束后随炉缓冷至室温取出；

步骤四，将熔炼后的产物进行破碎；

步骤五，用60目筛将破碎后的粉料进行筛分，取60目以下的粉料包装制成成品。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂的制造方法，其特征在于所述步骤二中的混合搅拌时间为1小时以上。

作为优选，所述的药芯焊丝稳弧剂的制造方法，其特征在于所述步骤三中的保温熔炼温度为820-900℃，保温熔炼时间为4小时，使各物料之间反应充分进行。

TiO₂、K₂O、Na₂O是焊接材料中常用到的具有稳弧作用的主要成分，本发明所述的熔炼型钛酸钾，在配方上通过优化TiO₂、K₂O、Na₂O三种成分的比例，并加入适量SiO₂，最大程度地减少化合物中游离K⁺、Na⁺的含量，提高了熔炼型钛酸钾的抗吸潮能力。同时，在本发明所述的熔炼型钛酸钾中添加稀土氧化物成分Y₂O₃，在最大程度减少其成分偏析的前提下，提高药芯焊丝的低温冲击韧性。

TiO₂的主要来源是金红石，能与K₂O、Na₂O、SiO₂形成稳定的复合物。TiO₂含量过少，不能与K₂O、Na₂O、SiO₂充分反应形成稳定的化合物；含量过多，产生剩余的TiO₂，不利于稳弧剂的成分均匀。因此，TiO含量定在30~60%。

K₂O、Na₂O主要是碳酸钾、碳酸钠熔炼分解后的产物，主要作用是稳定电弧。K₂O、Na₂O含量过少，稳定电弧作用不明显；含量过多，产生过多游离的K⁺、Na⁺，且熔渣熔点偏低，不利于立焊成型，焊接烟尘也相应增大。因此，K₂O含量定在6~10%，Na₂O含量定在2~4%。

SiO₂的主要来源是长石，能与K₂O、Na₂O形成稳定的复合物，减少化合物中游离K⁺、Na⁺的含量。SiO₂含量过少，达不到减少化合物中游离K⁺、Na⁺含量的作用；含量过多，产生剩余的SiO₂，不利于稳弧剂的成分均匀。因此，SiO₂含量定在25~40%。

MgO、Al₂O₃的主要来源是镁砂和长石，可以提高熔炼型钛酸钾的熔炼温度，使熔炼反应更充分，烧结效果更好，有利于破碎后颗粒大小均匀、形状规则，增强颗粒分散性和流动性。MgO、Al₂O₃含量过少达不到上述作用；过多，使熔渣熔点过高，不利于焊接成型。因此，MgO含量定在2~10%，Al₂O₃含量定在5~10%。

Y₂O₃的主要来源是氧化钇化工粉。有净化晶界，显著提高药芯焊丝低温冲击韧性的作用。Y₂O₃含量过少达不到净化晶界的作用；过多则会恶化晶界。因此，Y₂O₃含量定在1~5%。

本发明所述的药芯焊丝稳弧剂，我们称之为熔炼型钛酸钾，其特征在于所述药芯焊丝稳弧剂的主要化学成分为钛酸钾。

本发明所述的稳弧剂主要用于碳钢药芯焊丝、合金钢药芯焊丝的制造。

采用本发明制得的药芯焊丝用稳弧剂，能重点解决稳弧剂易吸潮、颗粒度分散性差、流动性差的问题，同时具有提高药芯焊丝使用时低温冲击韧性的特点，具备十分优良稳定的性能和非常高的使用价值。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

附图说明

图1为实施例1、实施例2与宜兴振奋药用化工产钛酸钾关于吸潮率随时间变化的对照图。

具体实施方式

实施例1

将金红石、碳酸钾、碳酸钠、镁砂、长石、氧化钇分别按照表1所示的重量百分比含量，配制成5kg混合粉后，在混粉机中混合搅拌1.5小时，然后将其装入不锈钢托盘内，放入箱式熔炼炉，升温至850℃，保温4小时熔炼。保温结束后随炉缓冷至室温取出。最后将熔炼后的产物进行破碎，用60目筛将破碎后的粉料进行筛分，取60目以下的粉料包装制成成品。

实施例2

将金红石、碳酸钾、碳酸钠、镁砂、长石、氧化钇分别按照表1所示的重量百分比含量，配制成10kg混合粉后，在混粉机中混合搅拌3小时，然后将其装入不锈钢托盘内，放入箱式熔炼炉，升温至900℃，保温4小时熔炼。保温结束后随炉缓冷至室温取出。最后将熔炼后的产物进行破碎，用60目筛将破碎后的粉料进行筛分，取60目以下的粉料包装制成成品。

表1  实施例配方

将实施例1、实施例2与宜兴振奋药用化工产钛酸钾，在游离K⁺、Na⁺含量、粉料吸潮率随时间的变化、流动性参数以及作为药芯使用后，在同一焊接规范下焊件焊缝的低温冲击功、焊缝扩散氢含量等多个方面进行了比较。

分别取实施例1、实施例2、宜兴振奋药用化工产钛酸钾各5g，分别溶入100ml水中，搅拌均匀后用PH试纸测其水溶液的PH值。表2所示为粉料水溶液PH值的比较结果。由此可知，实施例1、2的水溶液分别呈中性和弱碱性，而宜兴振奋药用化工产钛酸钾的水溶液呈碱性，说明实施例1、2中游离的K⁺、Na⁺含量少，而宜兴振奋药用化工产钛酸钾中游离的K⁺、Na⁺含量较多。

表2 粉料水溶液PH值

 分别取实施例1、实施例2、宜兴振奋药用化工产钛酸钾各10g，分别平铺均匀露置于空气中。每间隔一段时间分别称量其粉料的重量，增重即为吸收的水分。将吸潮的水分重量除以其粉料原始重量，其百分比即为粉料吸潮率。图1所示为粉料吸潮率随时间变化的对照图。由此可知，实施例1、2随着时间推移，其吸潮率无较大变化，始终维持在较低水平，抗吸潮性强。而宜兴振奋药用化工产钛酸钾随着时间推移，吸潮率增幅较大，抗吸潮性差。

用粉料堆积密度测定仪分别测量实施例1、实施例2、宜兴振奋药用化工产钛酸钾的堆积密度和流速。表3所示为其比较结果。由此可知，实施例1、2均具有较宜兴振奋药用化工产钛酸钾较大的堆积密度和流速，说明其颗粒度分散性和流动性较同类产品好。

表3 粉料流动性参数

按照同一配方将实施例1、实施例2、宜兴振奋药用化工产钛酸钾作为药芯成分加入药芯焊丝。使用同一焊接规范焊接同一种焊件。焊接后分别测试其焊缝的低温冲击功。表4所示为-20℃下各焊缝的低温冲击功对比。由此可知，实施例1、实施例2较宜兴振奋药用化工产钛酸钾更能显著提高焊缝的低温冲击值。

表4  焊缝低温冲击功

按照同一配方将实施例1、实施例2、宜兴振奋药用化工产钛酸钾作为药芯成分加入药芯焊丝。使用同一焊接规范焊接同一种焊件。焊接后采用水银法分别测量其焊缝的扩散氢含量。表5所示为扩散氢测量结果。由此可见，实施例1、实施例2由于其抗吸潮性明显优于宜兴振奋药用化工产钛酸钾，作为药芯加入后其药芯不易吸潮，水分含量低，从而焊缝扩散氢含量低。

表5  焊缝扩散氢含量

 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种药芯焊丝用稳弧剂，其特征在于其原材料组成的化学配比为：金红

石 45~60%，碳酸钾  4~12%，碳酸钠 2~8%，镁砂2~10%，长石30~40%，氧化钇 1~5%；所述的原材料的主要化学成分符合以下要求：金红石：TiO₂≥93%、S≤0.03%、P≤0.03%；碳酸钠：Na₂CO₃≥98%、NaCl≤1.2%、Na₂SO₄≤0.1%；碳酸钾：K₂CO₃≥94%、S≤0.1%、P≤0.1%；镁  砂：MgO≥96% 、SiO₂ ≤2.2%、Al₂O₃≤0.3%、CaO≤2.0%；长  石：（K₂O+Na₂O）≥11%、K₂O≥8%、SiO₂60~73%、Al₂O₃≤14~25%，S≤0.04%、P≤0.04%；氧化钇：Y₂O₃≥99%，S≤0.05%、P≤0.05%；所述稳弧剂含有以下化学成分：TiO₂  30%；K₂O 6~10%；Na₂O2~4%；SiO₂ 40%；Al₂O₃ 5~10 %；MgO 2~10%；Y₂O₃  1~5%。

2.如权利要求1所述的药芯焊丝用稳弧剂，其特征在于所述原材料组成的化学配比为：金红石52%，碳酸钾  5%，碳酸钠2%，镁砂5%，长石 35%，氧化钇1%。

3.如权利要求1所述的药芯焊丝用稳弧剂，其特征在于所述原材料组成的化学配比为：金红石47%，碳酸钾 4%，碳酸钠3%，镁砂  4%，长石40%，氧化钇2%。

4.如权利要求1～3中任一权利要求所述的药芯焊丝用稳弧剂的制造方法，其特征在于所述制造步骤为：步骤一，将金红石、碳酸钠、碳酸钾、镁砂、长石、氧化钇按照所述化学配比称量；步骤二，将上述原料在混粉机中混合搅拌，使粉料充分混合均匀；步骤三，将充分混合的原料装在不锈钢托盘内，放入箱式熔炼炉，高温熔炼，使各物料之间反应充分进行，保温结束后随炉缓冷至室温取出；步骤四，将熔炼后的产物进行破碎；步骤五，用60目筛将破碎后的粉料进行筛分，取60目以下的粉料包装制成成品。

5.如权利要求4所述的药芯焊丝用稳弧剂的制造方法，其特征在于所述步骤二中的混合搅拌时间为1小时以上。

6.如权利要求5所述的药芯焊丝用稳弧剂的制造方法，其特征在于所述步骤三中的保温熔炼温度为820-900℃，保温熔炼时间为4小时。

7.如权利要求1～3中任一权利要求所述的药芯焊丝用稳弧剂用于药芯焊丝的制造，所述药芯焊丝包含碳钢药芯焊丝和/或合金钢药芯焊丝。