CN103394825A

CN103394825A - 一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103394825A
Application number: CN2013103322341A
Authority: CN
Inventors: 葛庆深
Original assignee: SHANDONG HENGYUN ELECTRIC EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: Dezhou respect welding wire Co., Ltd.
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: CN103394825B

Abstract

本发明涉及化工技术领域，特别公开了一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法。该无镀铜实心焊丝用活性添加剂，由以下重量份数的原料制成：植物油90-93份、铯粉3-5份、碲粉0.8-2份、氢氧化锂2-3份、氢氧化钠0.2-0.8份。本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法的有益效果是：制备简单，环保安全，避免了镀铜液和酸碱液等对环境造成的污染，减少了后续排污处理的成本，同时也避免了含铜烟尘对焊工身体造成的损害；防锈和润滑效果好，使制得的无镀铜实心焊丝在焊接过程中电弧稳定、飞溅减小、起弧容易、稳定性好，提高了焊接效率和焊接性能熔深度，熔深度深，焊缝平滑美观。

Description

一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及化工技术领域，特别涉及一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法。

(二)背景技术

在焊丝盘条的拉丝过程中，焊丝表面会产生微小凹凸不平，由此增大了摩擦力，造成了拉丝不稳定，进而影响产品的质量；为了解决拉丝稳定性的问题，现有技术普遍采用的是焊丝镀铜技术，实心焊丝镀铜最初的目的只是起到在拉丝过程中的润滑作用，而不是对焊丝起防锈、导电和降低送丝导电嘴的磨损作用，镀铜层的这些作用都是后来才被人们逐渐发现的。

正是由于镀铜层的存在，带来了对焊接接头综合性能的影响。对焊缝而言，铜是有害元素，过多的铜元素对焊接质量是不利的；另外对焊丝本身成分而言，会对焊缝和熔敷金属造成污染，因此人们不希望增加镀铜层厚度，尤其在有些特殊使用场合，为了保证焊接质量需要严格控制焊丝镀铜层厚度；另一方面，镀铜层在焊接的时候大部分都形成了铜烟雾，根据德国金属制造业健康与安全委员会编制的《在焊接及相关工艺过程中的有害物质》一文描述：近95％的焊接烟雾来自于填充金属，因此焊丝表面镀的铜不可避免地大量进入焊接烟尘中，成为烟尘中的主要有毒物质，焊工吸入过量的含铜烟尘可引起金属铜烟雾热急性综合症，铜盐能引起肠胃功能紊乱，可出现溶血和肝、肾损害，直接对焊工的身体造成了损害。

现有的CO₂气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝在拥有润滑、防锈、导电和降低送丝导电嘴磨损等优点的同时，在实际使用过程中也暴露出了三个主要的不足之处：

①铜层易剥落问题：

这个问题是CO₂气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝在使用过程中暴露的主要问题。在焊丝的生产过程中，焊丝表面的铜层在经过层绕过程中矫直轮的挤压以及与送丝软管的长时间摩擦后，部分镀铜层与基体剥离，在焊接迭丝的过程中，这部分镀铜层会被刮落，大量的铜屑聚集于送丝软管内，主要是集中在导电嘴附近，造成送丝软管的堵塞，影响送丝的稳定性，对焊缝成型产生了很大的影响，尤其是在精确焊接的机器人全自动焊接工序中，对焊丝的镀铜质量要求非常高；在宝钢机器人全自动焊接实践中，我们发现：焊丝铜屑会在焊接过程中熔入焊道中而无法避免，这样会对焊缝产生不良影响，甚至会使焊接工作不能正常进行；

②焊接飞溅大，焊缝成型差：

CO₂气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝在焊接过程中飞溅大，焊缝成型差是一个“老、大、难”问题，尤其是在镀铜层与铁基层结合力不好及表面质量不好的时候，反映的尤为明显。从焊接的表观现象看是焊接过程飞溅大，导致的焊缝成型不好，实际上是由于焊丝质量问题造成的焊接参数不稳定导致飞溅而影响成型，镀铜实心焊丝不仅飞溅较大而且焊缝凸起，颜色偏暗，影响焊缝的美观；

③防锈问题：

镀铜实心焊丝生锈从表面的理解一般是包装问题、车间湿度问题等，但从本质上讲，镀铜实心焊丝易生锈的根本原因是电化学腐蚀造成的：

从电化学的原理出发，铜对铁的防蚀是阴极防护，必须致密无孔才能达到防蚀的目的，但镀铜实心焊丝，焊缝中铜含量较高会对焊缝的力学性能不利，各国标准中都有严格的规定，经检测，φ1.2mm的焊丝镀铜层的厚度仅为0.20-0.5μm，远远小于达到致密要求的5μm，而且采用通常的化学镀方法，镀铜层和铁基焊丝结合的紧密性很难控制，因此这种不很致密的镀铜层，不但不能保护内部铁基焊丝，反而加速了铁基焊丝在腐蚀介质中的腐蚀，因此采用镀铜层作为气体保护焊丝的防蚀层是不合理的。

此外，CO₂气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝的生产过程对环境的污染较大，对环境的主要污染源是镀铜液，其次是各种酸碱等化学品的使用及各种酸碱雾气等。在镀铜液方面，根据其使用的工艺方法不同，其污染程度有所不同，目前行业内一般使用三种工艺进行镀铜生产：a.全过程使用电镀；b.使用电镀和化学镀结合的方式；c.全程使用化学镀。一般而言，电镀方式对环境污染较大，尤其是采用了氰化物的场合，对环境危害极大；化学镀的方式相对较好。但无论化学镀还是电镀，其镀液及其蒸气对人体都有极大的危害，同时废弃的酸碱液还会进一步污染环境。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种制备简单、环保安全、防锈和润滑效果好、使制得的无镀铜实心焊丝在焊接过程中电弧稳定、飞溅减小、起弧容易、稳定性好的无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂，由以下重量份数的原料制成：植物油90-93份、铯粉3-5份、碲粉0.8-2份、氢氧化锂2-3份、氢氧化钠0.2-0.8份。

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂，其优选的配比为：由以下重量份数的原料制成：植物油90.8份、铯粉5份、碲粉1份、氢氧化锂3份、氢氧化钠0.2份。

所述植物油为棕榈油。

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂的制备方法，包括如下步骤：将植物油加入搅拌锅内加热至80℃，保持80℃恒温2小时并充分搅拌，再将上述重量的烘干的铯粉、碲粉、氢氧化锂和氢氧化钠分别加入植物油中继续80℃恒温搅拌2小时，然后将温度降至室温，即得本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂。

本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂及其制备方法的有益效果是：制备简单，环保安全，避免了镀铜液和酸碱液等对环境造成的污染，减少了后续排污处理的成本，同时也避免了含铜烟尘对焊工身体造成的损害；防锈和润滑效果好，使制得的无镀铜实心焊丝在焊接过程中电弧稳定、飞溅减小、起弧容易、稳定性好，提高了焊接效率和焊接性能熔深度，熔深度深，焊缝平滑美观。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为镀铜焊丝焊接时的电压电流波形示意图；

图2为从本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂中通过后再进行压力模具拉拔制得的无镀铜实心焊丝焊接时的电压电流波形示意图；

图3为镀铜焊丝焊缝形态图；

图4为无镀铜实心焊丝焊缝形态图；

图5为镀铜焊丝焊接热影响区形状图；

图6为无镀铜实心焊丝焊接热影响区形状图。

(五)具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此，实施例中的制备方法均为常规制备方法，不再详述。

实施例1：

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂，由以下重量的原料制成：棕榈油90.8千克、铯粉5千克、碲粉1千克、氢氧化锂3千克、氢氧化钠0.2千克。

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂的制备方法，采用如下步骤：将棕榈油加入搅拌锅内加热至80℃，保持80℃恒温2小时并充分搅拌；分别将铯粉、碲粉、氢氧化锂和氢氧化钠放入烘干箱内烘干去除水分，再将上述重量的烘干的铯粉、碲粉、氢氧化锂和氢氧化钠分别加入植物油中继续80℃恒温搅拌2小时，然后将温度降至室温，即得本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂，为深灰色或浅黑色粘稠油性液体。

使用方法：将焊丝盘条表面除锈处理后，再经过毛化处理，然后将焊丝从本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂中通过后再进行压力模具拉拔即得无镀铜实心焊丝。

实施例2：

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂，由以下重量的原料制成：棕榈油90千克、铯粉3千克、碲粉0.8千克、氢氧化锂2千克、氢氧化钠0.5千克。

制备方法和使用方法同实施例1。

实施例3：

该无镀铜实心焊丝用活性添加剂，由以下重量的原料制成：棕榈油93千克、铯粉4千克、碲粉2千克、氢氧化锂2.5千克、氢氧化钠0.8千克。

制备方法和使用方法同实施例1。

本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂，采用棕榈油，是因为棕榈油的防锈和润滑性能较好。将焊丝盘条表面除锈处理后，再经过毛化处理，然后将焊丝从本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂中通过后再进行压力模具拉拔即得无镀铜实心焊丝，该无镀铜实心焊丝与现有的镀铜焊丝相比：在焊接方面，无镀铜实心焊丝的飞溅更小，同时在焊缝外观上最直接的表现是其焊缝的润湿性更好，焊缝更加平滑，不像镀铜焊丝那样焊缝金属凸起，因此无镀铜实心焊丝焊接后的成型更加美观，光洁性好的无镀铜实心焊丝焊接出来的焊缝更加白亮。

焊接性能对比试验：

A)实验目的：

调试出无镀铜实心焊丝焊接在小规范短路过渡情况下的焊接参数，利用该焊接规范参数，研究镀铜焊丝与无镀铜实心焊丝在焊接飞溅率、焊缝成形、电弧形态等各方面的差异；

B)实验设备及实验材料：

本试验使用林肯电气的INVERTEC V300-PRO逆变焊机施焊，该型号焊机可以通过预设电压得到期望的焊接规范。采用SWHT-1A-2C直线焊接工作台，以实现在给定的焊接速度下焊接；收集焊接飞溅用的飞溅收集圆桶；

记忆电压、电流波形曲线的54622A记忆示波器，并通过数据线与计算机相连，焊接时实时监测和采集数据。试验采用高速摄影拍摄焊接时的焊接电弧形态。试验试板采用低碳钢Q235薄板，试板尺寸为200mm×50mm×4mm；焊丝为无镀铜实心焊丝和普通镀铜焊丝；

C)实验内容：

由于试验试板采用的薄板，所以焊接参数选用小规范，首先调试出无镀铜实心焊丝在小电流短路过渡情况的最优参数，并采集电流电压波形图；

用上述试验调试出来的焊接规范，分别对无镀铜实心焊丝、普通镀铜焊丝施焊，用高速摄影拍摄两种焊丝在相同焊接参数下的电弧形态，观察电弧形态变化；

测定两种焊丝焊接时的焊接飞溅，观察焊缝成形，并记录焊接参数。飞溅率的测试方法是首先在焊接过程中用收集法得到飞溅物m_飞溅(g)，称出单位长度焊丝质量m_焊丝(g/cm)，记录焊接时间t_焊接时间(s)，焊接速度v_焊接速度(cm/s)，则飞溅率为：

通过上述公式计算出飞溅率。用40目的筛子把收集到的飞溅颗粒分为I、II两类，飞溅颗粒大于40目的为I类，称为大颗粒飞溅物；飞溅颗粒小于40目的为II类。把I类大颗粒飞溅物称重，并计算出平均大颗粒飞溅物比例；

D)焊接规范参数的确定：

本试验要求过渡形式为短路过渡，实现短路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度，而电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，所以就焊接工艺参数而言，短路过渡的一个重要特征是低电压。在一定的焊丝直径及焊接电流(亦即送丝速度)下，电弧电压若过低，电弧引燃困难，而且焊接过程容易熄弧，焊接过程不稳定；若电弧电压过高，则由短路过渡转变成大颗粒的长弧过渡，焊接飞溅变大，电弧不稳。通常情况下，直径小于1.6mm的焊丝，短路过渡要求的焊接电压不高于22伏，焊接电流在80A-130A，短路频率越高，焊接过程越稳，合适的短路频率一般在几十次至几百次不等；

具体试验操作方法为：先设定好一个送丝速度v＝2.0m/min，然后预置一个电压值20V，分别对镀铜焊丝和无镀铜实心焊丝实施焊接，在焊接进行的过程中，微调电压值与送丝速度，直至得到一组匹配合适的焊接参数，使得焊缝波纹细密，焊接电弧柔和，焊接飞溅小。经过多组试验，分别得到一组相对最好的焊接参数：在采集焊接参数之前，确定每种焊丝最优的焊接参数，把该组参数作为预置焊接参数，焊接镀铜焊丝的预置焊接参数为电压20.1V、电流平均100A、送丝速度2.0m/min、保护气流量16L/min；无镀铜实心焊丝的预置焊接参数为电压20.5V、电流平均110A、送丝速度2.0m/min、保护气流量16L/min。在焊接过程中，等焊接电弧比较稳定时利用54622A记忆示波器采集焊接的电压电流，54622A记忆示波器的作用是记忆电压、电流波形曲线，并通过数据线与计算机相连，现场实时监测和采集数据。采集的镀铜焊丝的电压电流波形如图1所示，无镀铜实心焊丝的电压电流波形如图2所示，对比图1和图2看出，在采集波形的时间200ms内，镀铜焊丝焊接时短路过渡的次数为14次，无镀铜实心焊丝在此时间段的短路次数为19次，且无镀铜实心焊丝焊接时焊接电压、电流波形图稳定，摆动较小，短路频率高于镀铜焊丝。

焊接飞溅对比试验：见表1：

表1无镀铜实心焊丝与镀铜焊丝飞溅率比较

由表1可以看出，无镀铜实心焊丝飞溅率低于镀铜焊丝飞溅率。

焊缝表面形态对比：

利用上述焊接参数调试试验确定的无镀铜实心焊丝以短路形式过渡的最优参数为：电压20.5V、电流平均110A、送丝速度2.0m/min、保护气流量16L/min、焊接小车行走速度5.0mm/s，对无镀铜实心焊丝进行焊接，记录焊缝的表面形态(见图4)；在该焊接参数的基础上，利用镀铜焊丝进行焊接，在焊接过程中微调焊接电压与送丝速度，使得焊接参数匹配，最后得到一组使得焊接电弧稳定、飞溅较小、成形较好的参数：电压20.1V、电流平均i00A、送丝速度2.0m/min、保护气流量16L/min、焊接小车行走速度5.0mm/s，在该参数下用镀铜焊丝进行焊接，并记录焊缝形态(见图3)。对比这两组不同焊丝的焊接参数我们可以看出，在相同的送丝速度、焊接过程都较稳定的情况下，无镀铜实心焊丝的电压电流值均比普通镀铜焊丝的大，说明无镀铜实心焊丝在相同的送丝速度的条件下焊接线能量大、无镀铜实心焊丝的焊接电流大，使得无镀铜实心焊丝的焊接熔深度深，焊缝平滑美观。

焊接电弧形态的对比试验：

为验证本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂对焊接电弧的影响，对比无镀铜实心焊丝和普通镀铜焊丝利用CO₂气体保护堆焊工艺焊接的焊缝热影响区的形状，由图5、图6对比看出，相同焊接参数条件下无镀铜实心焊丝焊接得到的热影响区的宽度明显要比普通镀铜焊丝的宽度宽很多，说明本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂的涂敷使得焊接时试验试板对焊接电弧热的吸收增加。图5、图6是在相同的焊接参数下进行的焊接，也就是说焊接输入的总热量相同，得到不同的熔深、熔宽、加强高及热影响区宽度，说明母材的加热熔化和获得的焊缝熔深不仅取决于输入母材的总热量，而且决定于热源对母材的传热特点。

工艺评定试验(PQR)：

通过现场工艺评定试验，使用无镀铜实心焊丝所焊试件焊缝表面成型良好，且通过化学分析检验、力学性能检验、射线探伤检验和防锈性试验，检测结果表明焊缝区域的相关要求均满足国家标准的技术要求，检验标准依据：GB/T8110-2008。

化学分析检验：见表：2：(规格：φ1.2mm)

表2化学分析检验

力学性能检验：见表3：(规格：φ1.2mm)

表3力学性能检验

射线探伤检验：见表4：(规格：φ1.2mm)

表4射线探伤检验

防锈性试验：

在69％的相对湿度下，没有采用任何包装的无镀铜实心焊丝在室内10天后开始出现锈点，在室外6天后开始出现锈点。

抗腐蚀性能：

实际生产过程镀铜焊丝的镀铜层难免产生缺陷，镀铜焊丝一旦裸露钢基体(即使是肉眼无法观察到的缺陷)，由于Cu(Cu²⁺/Cu)的标准电极电位为0.337V，而Fe(Fe²⁺/Fe)的电极电位为0.4402V，前者比后者高0.7772，在潮湿空气环境中裸露点的钢基体必然会与铜组成Cu-Fe原电池，造成钢基体的加速电化学腐蚀，特别是在有外来电解质的情况下，这种电化学腐蚀会更加迅速。而无镀铜实心焊丝在拉拔过程中使用了本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂，活性添加剂在拉拔的过程中在焊丝表面形成了一层保护膜，保护膜对焊丝起到了防腐蚀的作用。

通过宝钢现场的机器人焊接使用证实：无镀铜实心焊丝的最大优点是成功地解决了镀铜焊丝在全自动焊接过程中焊丝的掉铜屑引起的送丝不稳定的问题，具体解决了因镀铜焊丝的掉铜屑对送丝软管尤其对与导电嘴相连部分产生阻塞的严重影响问题；使焊接得以正常进行，提高了焊接效率，减少了操作工作量，同时现场焊接飞溅、烟雾大大减少，焊缝成型良好。

Claims

1.一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂，其特征是：由以下重量份数的原料制成：植物油90-93份、铯粉3-5份、碲粉0.8-2份、氢氧化锂2-3份、氢氧化钠0.2-0.8份。

2.根据权利要求1所述的一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂，其特征是：由以下重量份数的原料制成：植物油90.8份、铯粉5份、碲粉1份、氢氧化锂3份、氢氧化钠0.2份。

3.根据权利要求1或2所述的一种无镀铜实心焊丝用活性添加剂，其特征是：所述植物油为棕榈油。

4.一种如权利要求1所述的无镀铜实心焊丝用活性添加剂的制备方法，其特征是：包括如下步骤：将植物油加入搅拌锅内加热至80℃，保持80℃恒温2小时并充分搅拌，再将上述重量的烘干的铯粉、碲粉、氢氧化锂和氢氧化钠分别加入植物油中继续80℃恒温搅拌2小时，然后将温度降至室温，即得本发明无镀铜实心焊丝用活性添加剂。