CN103252596B

CN103252596B - 一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103252596B
Application number: CN201310213808.3A
Authority: CN
Inventors: 李晓泉
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Hezhi Technology Co ltd; Zhengzhou Gulite New Material Co ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103252596A

Abstract

本发明公开了一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法，属于埋弧自动焊接用焊接材料领域。其组分及其质量百分比为：氧化铝18%、镁砂22%、天然硅灰石5%、萤石11%、硅微粉6%、锆英砂2%、还原铁粉30%、锰铁合金2.5%、硅铁合金3.5%。它可有效地避免用常规焊剂在焊接电流高达1000-1400A时焊接形成的熔渣不能很好地覆盖焊缝金属，能够形成均匀且表面光洁的焊道。

Description

一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于埋弧自动焊接用焊接材料领域，更具体地说，涉及一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法。

背景技术

大型钢结构制造广泛采用埋弧自动焊接方法进行焊接加工，为进一步提高焊接生产效率，焊接工作者采用了增大焊接电流至1000-1400A、多焊丝同时焊接等技术方案，使焊接效率获得大幅度的提高。这些提高焊接效率的途径均是基于设法增大焊接线能量，以提高熔敷效率。如造船厂大量应用2根焊丝或3根焊丝同时进行焊接，且焊接电流高达1200A以上，实现了20mm～30mm厚板一次性焊接，极大地提高了焊接生产效率。另外锅炉制造中也大量采用双丝大线能量焊接方法进行焊接。

采用传统的烧结焊剂进行大线能量埋弧焊给焊接质量带来若干问题：如熔渣过热导致流淌性过大，以致不能很好地覆盖焊缝金属造成焊缝成型缺陷；同时线能量过大使焊接区域受热严重，焊缝结晶组织粗大造成熔敷金属韧性低下。为解决这些问题，十分有必要针对大线能量焊接情形，研制新型能够耐大线能量埋弧焊用的烧结焊剂。

近年来人们对大线能量埋弧焊已开展了一些研究工作。《船用大能量埋弧焊新型烧结焊剂的研制》（杨华，华中科技大学硕士学位论文，2007年）报道了已开发出渣系为MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂，碱度BIIW为2.1的烧结焊剂，可满足116KJ/cm的三丝大线能量埋弧焊剂，但该报道并未公开焊剂的具体组成及制作方法。专利号ZL200410097805.9公开了一份名称为“大线能量埋弧焊接接头、该接头的制法及所用焊丝和焊剂”专利文件，该专利公开的焊剂组成含有从SiO₂：10%-28%、CaCO₃：5%-15%、MgO：15%-38%、Al₂O₃：3%-20%、TiO₂：2%-10%、CaF₂：2%-10%、雾化铁粉、Mo粉、钼铁粉及铌铁粉以外的金属粉：2%-8%中选出的1种或2种以上。其不足之处在于，该焊剂在组成上含有CaCO₃之类的造气物质，焊接过程中易产生过多的气体影响焊缝表面成形。

发明内容

要解决的技术问题

针对传统的烧结焊剂进行大线能量埋弧焊难以保证焊接质量的问题，本发明提供了一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法，它可有效地避免用常规焊剂在焊接电流高达1000-1400A时焊接形成的熔渣不能很好地覆盖焊缝金属，能够形成均匀且表面光洁的焊道。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂，其组分及其质量百分比为：氧化铝18%、镁砂22%、天然硅灰石5%、萤石11%、硅微粉6%、锆英砂2%、还原铁粉30%、锰铁合金2.5%、硅铁合金3.5%。

所述的氧化铝：经1450-1500℃煅烧的工业级α型氧化铝，粒度：80-200目；

所述的镁砂：Mg含量不低于90%的电熔镁砂，硫、磷≤0.04%，粒度：80-100目；

所述的天然硅灰石：SiO₂：42%-45%、CaO：47%-50%，硫、磷≤0.04%，粒度：80-100目；

所述的萤石：CaF₂≥96%，硫、磷≤0.03%，粒度：80-100目；

所述的硅微粉：SiO₂≥98%，硫、磷≤0.03%，粒度：200-250目；

所述的锆英砂：ZrO₂≥60%，SiO₂≤32%，S≤0.03%，P≤0.09%，粒度：60-120目；

所述的还原铁粉：Fe≥98%，S≤0.02%，P≤0.02%，氢损≤0.5%，粒度：100-150目；

所述的锰铁合金：Mn≥75%，P≤0.33%，S≤0.03%，粒度：80-120目；

所述的硅铁合金：Si：42%-47%，P≤0.04%，S≤0.02%，粒度：80-120目。

一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其步骤为：

（1）配料：将满足上述的原材料按配方组成配制成混合粉料；

（2）配料后，先用干式搅拌方式将粉料混合均匀，然后再加入钾钠摩尔比为1：1、模数M=3.1、波美浓度为的水玻璃进行湿搅拌，水玻璃加入量为粉料质量的15%-18%。以保证粉料具有一定粘性，但又不致结块为宜（注意水玻璃不得加入过量，否则结块后难以造粒）；

（3）用11-12目的筛网或其它造粒机进行造粒，粒度控制在9-11目范围内，造粒后经150-200℃烘干1h，然后再经450-500℃烘焙1h即得所需焊剂。

本说明书中提及的各组分的百分比如无特别说明，均为质量百分比。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明的烧结焊剂以MgO、CaO、SiO₂、CaF₂、Al₂O₃为基本造渣物质，以SiO₂配合适当含量的CaF₂控制熔渣的粘度，使其在焊接电流高达1000-1400A焊接条件下具有合适的流动性，同时焊剂组成中以还原铁粉熔化吸收的大量热量，增强了焊剂在焊接条件下承受大电流的能力；

（2）本发明的焊剂组分中不含有造气物质，因而焊接过程中不会产生过多的气体影响焊缝表面成形，同时采用Si-Mn联合脱氧控制焊缝金属中的氧含量，使其形成细小的铁素体组织，所以，用该焊剂进行大线能量埋弧焊接，可有效地避免用常规焊剂焊接形成的熔渣不能很好地覆盖焊缝金属、难以形成均匀且表面光洁的焊道及焊缝金属过热引起的晶粒粗大、低温韧性差等问题；

（3）本发明提供的耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂可满足焊接电流高达1000-1400A的双丝或三丝超大线能量埋弧焊接，为提高焊接效率创造必要的耗材保证。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

采用本发明的方法，本实施例制备了10公斤烧结焊剂，该焊剂的组分及各组分的质量百分比为：氧化铝（经1450℃煅烧的工业级α型氧化铝，粒度：80-100目）18%、镁砂（含量为92%的电熔镁砂，硫、磷≤0.04%，粒度：80-90目）22%、天然硅灰石（SiO₂：42%、CaO：47%，硫、磷≤0.04%，粒度：80-90目）5%、萤石（CaF₂:96%，硫、磷≤0.03%，粒度：80-90目）11%、硅微粉（SiO₂:98%，硫、磷≤0.03%，粒度：200-230目）6%、锆英砂（ZrO₂：60%，SiO₂：32%，S≤0.03%，P≤0.09%，粒度：60-100目）2%、还原铁粉（Fe：98%，S≤0.02%，P≤0.02%，氢损≤0.5%，粒度：100-120目）30%、锰铁合金（Mn：75%，P≤0.33%，S≤0.03%，粒度：80-100目）2.5%、硅铁合金（Si：42%，P≤0.04%，S≤0.02%，粒度：80-100目）3.5%。

该焊剂的制备方法如下：

（2）配料后，先用干式搅拌方式将粉料混合均匀，然后再加入钾钠摩尔比为1：1、模数M=3.1、波美浓度为的水玻璃进行湿搅拌，水玻璃加入量为粉料质量的15%。以保证粉料具有一定粘性，但又不致结块为宜（注意水玻璃不得加入过量，否则结块后难以造粒）；

（3）用11目的筛网进行造粒，粒度控制在9目，造粒后经200℃×1h的低温烘干，然后再经450℃×1h的烘焙即得所需焊剂。

利用上述制得的焊剂在船厂利用三丝埋弧焊机进行焊接，母材金属为厚度22mm的AH32船用钢板，其化学成分见表1所示，焊前用等离子切割法开的V型坡口，坡口根部保留3mm直边尺寸。采用H10Mn2型焊丝进行三丝焊接，三焊丝直径分别为：前丝直径4.8mm，中丝和后丝直径分别为4.8mm、6.4mm。焊接参数见表2所示。

表1 母材金属化学成分（重量百分比%）

表2 焊接参数

焊接结果表明，熔渣在超大电流焊接过程中，由于粘度设计适中，焊剂中铁粉又可使焊剂承受极大的电流，因而熔渣能较好地覆盖焊道辅助成形，焊缝表面成形良好，消除了采用常规焊剂焊接发生的熔渣向焊缝两面流溢、覆盖极为不均匀现象。22mm厚的钢板焊接可实现一次焊接成型，熔敷效率大幅度提高。

对得到的焊缝取样进行力学性能试验，熔敷金属力学性能测试结果见表3。

表3 熔敷金属力学性能测试结果

实施例2

采用本发明的方法，本实施例制得了烧结焊剂10公斤，该焊剂的组分及各组分的质量百分比为：氧化铝（经1500℃煅烧的工业级α型氧化铝，粒度：100-200目）18%、镁砂（含量为95%的电熔镁砂，硫、磷≤0.04%，粒度：90-100目）22%、天然硅灰石（SiO₂：45%、CaO：50%，硫、磷≤0.04%，粒度：90-100目）5%、萤石（CaF₂：98%，硫、磷≤0.03%，粒度：90-100目）11%、硅微粉（SiO₂：99%，硫、磷≤0.03%，粒度：240-250目）6%、锆英砂（ZrO₂：70%，SiO₂≤25%，S≤0.03%，P≤0.09%，粒度：110-120目）2%、还原铁粉（Fe：99%，S≤0.02%，P≤0.02%，氢损≤0.5%，粒度：130-150目）30%、锰铁合金（Mn：85%，P≤0.33，S≤0.03%，粒度：110-120目）2.5%、硅铁合金（Si：47%，P≤0.04%，S≤0.02%，粒度：110-120目）3.5%。

该焊接的制备方法如下：

（2）配料后，先用干式搅拌方式将粉料混合均匀，然后再加入钾钠摩尔比为1：1、模数M=3.1、波美浓度为的水玻璃进行湿搅拌，水玻璃加入量为粉料质量的18%。以保证粉料具有一定粘性，但又不致结块为宜（注意水玻璃不得加入过量，否则结块后难以造粒）；

（3）用12目的筛网进行造粒，粒度控制在11目，造粒后经150℃×1h的低温烘干，然后再经500℃×1h的烘焙即得所需焊剂。

利用上述制得的焊剂在船厂进行三丝埋弧焊接30mm厚钢板试验。焊接钢板为30mm厚的D36船用钢板，开的V型坡口，根部直边深度为7mm，用H10Mn2型焊丝进行三丝同时焊接。三根焊丝直径分别为：前丝4.8mm、中丝4.8mm、后丝6.4mm。焊接参数见表4所示。

表4 焊接参数

焊接结果表明，该焊剂采用电流高达1400A的超大电流焊接规范仍然具有良好的适应性。

采用本发明制得的烧结焊剂对30mm厚的D36钢板进行焊接，并对得到的焊缝取样进行力学性能试验，熔敷金属力学性能测试结果见表5。

表5 熔敷金属力学性能测试结果

上述测试结果均满足中国船级社《钢质船舶建造规范》对焊接材料的要求。

Claims

1.一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂，其组分及其质量百分比为：氧化铝18％、镁砂22％、天然硅灰石5％、萤石11％、硅微粉6％、锆英砂2％、还原铁粉30％、锰铁合金2.5％、硅铁合金3.5％。

2.根据权利要求1所述的一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂，其特征在于，各种材料组分满足如下要求：

所述的镁砂：Mg含量不低于90％的电熔镁砂，硫、磷≤0.04％，粒度：80-100目；

所述的天然硅灰石：SiO₂：42％-45％、CaO：47％-50％，硫、磷≤0.04％，粒度：80-100目；

所述的萤石：CaF₂≥96％，硫、磷≤0.03％，粒度：80-100目；

所述的硅微粉：SiO₂≥98％，硫、磷≤0.03％，粒度：200-250目；

所述的锆英砂：ZrO₂≥60％，SiO₂≤32％，S≤0.03％，P≤0.09％，粒度：60-120目；

所述的还原铁粉：Fe≥98％，S≤0.02％，P≤0.02％，氢损≤0.5％，粒度：100-150目；

所述的锰铁合金：Mn≥75％，P≤0.33％，S≤0.03％，粒度：80-120目；

所述的硅铁合金：Si：42％-47％，P≤0.04％，S≤0.02％，粒度：80-120目。

3.一种耐超大线能量埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其步骤为：

(1)配料：将满足上述权利要求2所述的烧结焊剂原材料按配方组成配制成混合粉料；

(2)配料后，先用干式搅拌方式将粉料混合均匀，然后再加入钾钠摩尔比为1：1、模数M＝3.1、波美浓度为41-43°Be′的水玻璃进行湿搅拌，水玻璃加入量为粉料质量的15％-18％；

(3)用11-12目的筛网或其它造粒机进行造粒，粒度控制在9-11目范围内，造粒后经150-200℃烘干1h，然后再经450-500℃烘焙1h即得所需焊剂。