CN104096987A - 一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法 - Google Patents

一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于焊接材料技术领域，提供一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂，所述埋弧焊剂包含的原料以及各原料组分质量配比如下：MgO：23～26份；CaF2：13.5～21份；Al2O3；14～20份；TiO2；15～22份；SiO2；4～8份；BaO11～18份；CaO；3～5份；MnO；0～3份；B2O3；0.1～0.5份，所述埋弧焊剂使用前的烘干温度的下限为300℃。通过使用本焊接可以提高焊缝的低温冲击韧性，焊缝具有良好的焊接工艺性能，通过原材料的合理选用和比例搭配，使成品焊剂的吸潮率较低，降低了焊剂使用前的烘干温度，降低了能源消耗。

Description

一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法。
背景技术
随着陆地资源逐渐减少，世界各国都在积极向海洋领域开发资源。我国海域存在着大量的油气和风力资源，它们是国民经济发展所必需的海洋能源，海洋发展已成为国家发展规划的重要组成部分，“十三五”期间我国投资3500亿人民币大力发展远洋运输和海洋石油事业，建设钻井平台等海洋工程用高钢级宽厚钢板。海洋工程用结构钢(海工钢)已成为钢铁新材料的重点研发对象。
海洋工程用结构钢(海工钢)由于其特性，在使用过程中均采用厚板焊接。众所周知，渣相保护和大焊接电流的埋弧自动焊不仅是生产效率极高和操作环境最好的电弧焊方法，也是在许多生产应用条件下亦是最容易获得优质焊缝且无飞溅的焊接方法，特别是厚板焊接。因此，在各种结构的焊接生产中，只要有可能，埋弧焊总是被优先考虑采纳的。
国内高韧性埋弧焊丝和焊剂的研究比较多，但大多专用于管线行业，这些焊剂主要是采取提高碱度的办法来降低焊缝中的含氧量，从而达到提升焊缝韧性的目的。然而采取这种办法生产出的焊剂，对其使用条件就提出了苛刻的要求，且适用性具有一定的局限。主要存在焊剂在使用前烘干温度一般在400℃以上，一旦低于该温度，在焊接过程中就会在焊缝中出现低温冲击功较低等质量问题，给用户的使用带来了较大的不便；另外，该类焊剂由于其碱度高而影响工艺性能的焊剂组分调配不是十分合理，该类焊剂仅限于宽焊缝的单丝或多丝埋弧焊，对于焊缝较窄的单丝埋弧焊工况，其脱渣性能不良的缺陷就表现得非常明显。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法，尤其海洋工程专用钢E级厚板焊接专用的高碱度高韧性埋弧焊剂，旨在解决现有焊剂使用前的烘干温度高、焊缝低温冲击韧性不佳的技术问题。
为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂，其包含的原料以及各原料组分质量配比如下：
所述埋弧焊剂使用前的烘干温度的下限为300℃。
进一步的，所述埋弧焊剂的粒度为10～32目。
进一步的，所述埋弧焊剂的碱度为2.5～2.8。
另一方面，本发明还提供了一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂的制备方法，包括下述步骤：
1)、按照埋弧焊剂原料组分选料，将原料复检后进行粗破碎、细破碎、研粉处理，加工成粉剂，并按照原料组分质量配比称重备料；
2)、将准备好的原料加入干搅拌器中进行干搅拌，然后将搅拌均匀后的粉料加入湿搅拌器，并加入水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀；
3)、将搅拌均匀的始料送入造粒机进行造粒；
4)、将造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉进行烘干处理，去除水分后过筛，控制焊剂粒度大小并送入烧结炉进行烧结；
5)、出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库。
进一步的，步骤4)中，控制粒度为10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结。
进一步的，所述水玻璃质量为粉料质量的15～25％。
进一步的，所述水玻璃质量为粉料质量的20％。
进一步的，所述烘干炉的烘干温度为150～200℃。
进一步的，进行烧结处理时，烧结温度800～900℃，烧结时间0.5～1.5小时。
进一步的，所述烧结时间为1小时。
本发明的有益效果是：本发明通过向焊剂中加入适量的TiO2和BaO来调节焊剂的碱度和焊缝含氧量，并适当增加B元素，从而提高焊缝的低温冲击韧性，同时适量的BaO还起到改善焊剂的脱渣性能的作用，使焊缝具有良好的焊接工艺性能，通过原材料的合理选用和比例搭配，使成品焊剂的吸潮率较低，降低了焊剂使用前的烘干温度，降低了能源消耗。本发明还通过针对E级厚板的焊剂堆高较大且焊缝较窄的操作条件，控制焊剂粒度和调整配方中的造渣组成，使之针对海工用厚板埋弧焊接的脱渣、抗气孔等工艺性能达到最优。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂包括包含的原料以及各原料组分质量配比如下：
所述埋弧焊剂使用前的烘干温度的下限为300℃。
在实际备料时，或多或少会引入一些如S、P等杂质，这些杂质的含量不超过焊剂整体质量的1.5％，这些杂质不影响焊接性能。
上述组分中：
MgO主要作用是造渣，提高熔渣的碱度，从而提高焊缝金属的冲击韧性。本发明实施例中，MgO是以电熔镁砂的形式加入，由于其吸潮性较小，从而降低成品焊剂的烘干温度。电熔镁砂的用量范围为23～26份，小于23份时焊剂碱度不够，焊缝冲击韧性较差；大于26份时焊剂碱度过大，焊缝脱渣困难，且熔渣熔点高，焊缝保护不良。
CaF2主要作用是造渣，提高熔渣的碱度并降低焊缝中的扩散氢，从而提高焊缝金属的冲击韧性。本发明中，CaF2的用量范围为13.5～21份，小于13.5份时焊剂碱度不够，且去氢效果不良，焊缝冲击韧性较差；大于21份时，焊接电弧稳定性变差，工艺性能不好。
Al2O3主要作用是调整熔渣的碱度、凝固温度和黏度，从而较好的保护焊缝，并改善脱渣能力。本发明中，Al2O3的用量范围为14～20，小于14份时熔渣较稀，焊缝保护不良；大于20份时，熔渣较粘，容易形成焊缝透气不良且产生夹渣等缺陷。
TiO2主要作用调整熔渣的碱度、造渣和向焊缝中过渡Ti元素的作用，由于TiO2不易分解出氧原子，从而减少了因焊剂过渡到焊缝中的氧含量的增加，从而达到提升焊缝低温冲击韧性的目的。本发明中，TiO2的用量范围为15～22，小于15份时熔渣碱度大，脱渣不良，且焊缝中氧含量较大，过渡到焊缝中的Ti元素较少，焊缝中的Ti-B比例太小，焊缝低温冲击韧性较差；大于22份时，熔渣碱度小，且焊缝中的Ti-B比例太大，焊缝低温冲击韧性差。
BaO主要是起造渣的作用，它的存在可以改善焊缝的脱渣性。本发明中，BaO的用量范围为11～18份，小于11份时熔渣脱渣不良，工艺性能差；大于18份时，熔渣碱度大，焊接工艺性能差。
B2O3主要起向焊缝过渡合金的作用，在焊缝中形成Ti-B体系，增加焊缝的低温冲击韧性。本发明中，B2O3的用量范围为0.1～0.5份，小于0.1份时，合金元素过渡小，焊缝低温冲击性能达不到要求；大于0.5份时，焊缝中的B元素太高，焊缝容易开裂。
作为一种优选实施方式，所述埋弧焊剂的粒度为10～32目。限制焊剂粒度主要是为了调整焊接过程中的堆高。由于海洋工程用钢多是厚板，在焊接过程中如果焊缝较窄较深，焊剂堆放就高，颗粒度小时，使得焊剂透气不良，在焊缝中形成压坑；焊剂颗粒度大时，焊剂间隙中空气多，焊缝保护不良，容易出现焊接缺陷。因此本发明实施例中，焊剂粒度控制在10～32目。
本实施例提供的埋弧焊剂特别适用于海工钢的E级厚板焊接，焊接时工艺性能良好，焊缝低温(-40℃)韧性高。本实施例中，所述埋弧焊剂的碱度为2.5～2.8，其使用前的烘干下限温度较同等碱度的焊剂低，烘干温度的下限可达300℃。
本发明实施例还提供了一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂的制备方法，如图1所示，包括下述步骤：
步骤S101、按照埋弧焊剂原料组分选料，将原料复检后进行粗破碎、细破碎、研粉处理，加工成粉剂，并按照原料组分质量配比称重备料；
步骤S102、将准备好的原料加入干搅拌器中进行干搅拌，然后将搅拌均匀后的粉料加入湿搅拌器，并加入水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀；
步骤S103、将搅拌均匀的始料送入造粒机进行造粒；
步骤S104、将造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉进行烘干处理，去除水分后过筛，控制焊剂粒度大小并送入烧结炉进行烧结；
步骤S105、出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库。
优选的，上述步骤S104中，控制粒度为10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结，以实现调整焊接过程中的堆高。
优选的，上述步骤S102中，所述水玻璃质量为粉料质量的15～25份，进一步优选为20份。
优选的，上述步骤S104中，所述烘干炉的烘干温度为150～200℃。
优选的，上述步骤S104中，进行烧结处理时，烧结温度800～900℃，烧结时间0.5～1.5小时。进一步优选的，所述烧结时间为1小时。
下面列举具体实施例来说明本发明技术方案。
实施例一
焊剂组分及质量百分比：
MgO：25份；CaF2：20份；Al2O3：15份；TiO2：16份；SiO2：8份；BaO：11份；CaO：3份；MnO：1份；B2O3：0.5份，余量为不可避免的杂质。
焊剂的碱度：2.5；
制备方法：将所需原料复检后，进行粗破碎、细破碎、研粉等工序，加工成不同标准粒度的粉剂。过筛后按照配方进行配比称重，然后放进干搅拌器中进行干搅拌，搅拌均匀后的粉料放入湿搅拌器，加入粉料质量20％的水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀，搅拌好的始料送入造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉，在150～200℃的温度下进行烘干，去除水分后过筛，控制粒度10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结，烧结温度800～900℃，烧结时间1小时左右，出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库，完成焊剂生产过程。
在焊接前，焊剂经350℃烘干2小时后进行焊接试验，焊剂堆高45mm，配合MCJGNH-2焊丝进行焊接。经检测，焊缝表面无气孔、压坑，焊缝成型良好。经5次夏比冲击试验，熔敷金属在-40℃的KV2值(单位为J)分别为154、148、162、185、165。
实施例二
焊剂组分及质量百分比：
MgO：26份；CaF2：20份；Al2O3：20份；TiO2：15份；SiO2：4份；BaO：11份；CaO：3.4份；MnO：0；B2O3：0.1份，余量为不可避免的杂质。
焊剂的碱度：2.8；
制备方法：将所需原料复检后，进行粗破碎、细破碎、研粉等工序，加工成不同标准粒度的粉剂。过筛后按照配方进行配比称重，然后放进干搅拌器中进行干搅拌，搅拌均匀后的粉料放入湿搅拌器，加入粉料质量20％的水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀，搅拌好的始料送入造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉，在150～200℃的温度下进行烘干，去除水分后过筛，控制粒度10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结，烧结温度800～900℃，烧结时间1小时左右，出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库，完成焊剂生产过程。
在焊接前，焊剂经300℃烘干2小时后进行焊接试验，焊剂堆高40mm，配合MCJGNH-2焊丝进行焊接。经检测，焊缝表面无气孔、压坑，焊缝成型良好。经5次夏比冲击试验，熔敷金属在-40℃的KV2值(单位为J)分别为182、188、162、175、169。
实施例三
焊剂组分及质量百分比：
MgO：23份；CaF2：21份；Al2O3：15份；TiO2：22份；SiO2：4份；BaO：11份；CaO：3份；MnO：0；B2O3：0.3份，余量为不可避免的杂质。
焊剂的碱度：2.6；
制备方法：将所需原料复检后，进行粗破碎、细破碎、研粉等工序，加工成不同标准粒度的粉剂。过筛后按照配方进行配比称重，然后放进干搅拌器中进行干搅拌，搅拌均匀后的粉料放入湿搅拌器，加入粉料质量20％的水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀，搅拌好的始料送入造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉，在150～200℃的温度下进行烘干，去除水分后过筛，控制粒度10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结，烧结温度800～900℃，烧结时间1小时左右，出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库，完成焊剂生产过程。
在焊接前，焊剂经400℃烘干2小时后进行焊接试验，焊剂堆高36mm，配合MCJGNH-2焊丝进行焊接。经检测，焊缝表面无气孔、压坑，焊缝成型良好。经5次夏比冲击试验，熔敷金属在-40℃的KV2值(单位为J)分别为158、158、162、145、172。
实施例四
焊剂组分及质量百分比：
MgO：23份；CaF2：13.5份；Al2O3：14份；TiO2：22份；SiO2：4份；BaO：18份；CaO：5份；MnO：0；B2O3：0.1份，余量为不可避免的杂质。
焊剂的碱度：2.7；
制备方法：将所需原料复检后，进行粗破碎、细破碎、研粉等工序，加工成不同标准粒度的粉剂。过筛后按照配方进行配比称重，然后放进干搅拌器中进行干搅拌，搅拌均匀后的粉料放入湿搅拌器，加入粉料质量20％的水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀，搅拌好的始料送入造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉，在150～200℃的温度下进行烘干，去除水分后过筛，控制粒度10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结，烧结温度800～900℃，烧结时间1小时左右，出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库，完成焊剂生产过程。
在焊接前，焊剂经360℃烘干2小时后进行焊接试验，焊剂堆高42mm，配合MCJGNH-2焊丝进行焊接。经检测，焊缝表面无气孔、压坑，焊缝成型良好。经5次夏比冲击试验，熔敷金属在-40℃的KV2值(单位为J)分别为141、138、135、145、168。
本发明中的高碱度高韧性焊剂，可以在较低温度下烘焙后进行使用，配合MCJGNH-2海洋工程专用埋弧焊丝在36mm以上EH36等E级船用厚板焊接过程中，具有良好的脱渣、抗气孔等焊接工艺性能并具有良好的抗裂性能，其夏比冲击功(-40℃)保证在100J以上。
所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂，其特征在于，所述埋弧焊剂包含的原料以及各原料组分质量配比如下：
所述埋弧焊剂使用前的烘干温度的下限为300℃。
2.如权利要求1所述埋弧焊剂，其特征在于，所述埋弧焊剂的粒度为10～32目。
3.如权利要求2所述埋弧焊剂，其特征在于，所述埋弧焊剂的碱度为2.5～2.8。
4.一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
1)、按照如权利要求1-3任一项所述的埋弧焊剂原料组分选料，将原料复检后进行粗破碎、细破碎、研粉处理，加工成粉剂，并按照原料组分质量配比称重备料；
2)、将准备好的原料加入干搅拌器中进行干搅拌，然后将搅拌均匀后的粉料加入湿搅拌器，并加入水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌均匀；
3)、将搅拌均匀的始料送入造粒机进行造粒；
4)、将造出的粒状焊剂经热风干燥后送入烘干炉进行烘干处理，去除水分后过筛，控制焊剂粒度大小并送入烧结炉进行烧结；
5)、出炉冷却后经检验、过筛、包装、入库。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，步骤4)中，控制粒度为10～32目的焊剂送入烧结炉进行烧结。
6.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述水玻璃质量为粉料质量的15～25％。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述水玻璃质量为粉料质量的20％。
8.如权利要求4-7任一项所述方法，其特征在于，所述烘干炉的烘干温度为150～200℃。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，进行烧结处理时，烧结温度800～900℃，烧结时间0.5～1.5小时。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，所述烧结时间为1小时。
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