CN104400256A - 一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂及其制备方法，该焊剂包括主成分、粘接剂和复合烧结剂，其主成分是由重量份数比为镁砂10～30份、硅灰石5～20份、萤石5～15份、铝矾石5～20份、粘土5～20份、金红石0～10份、锆英砂0～10份、硅铁5份构成。其制备方法为：将主成分干混、以PVA粘接剂湿混、造粒、添加烧结剂、烘干、烧结、过筛。本发明釆用有机粘接剂及复合烧结剂来取代吸湿性较强的水玻璃的使用，并且复合烧结剂以表面包覆的方式加入，能明显降低烧结焊剂的吸湿倾向，相较于常规焊剂，新型烧结焊剂的熔敷金属扩散氢明显低于常规焊剂，能较好满足焊接要求，具有非常重要的现实和应用价值。

Description

一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种埋弧焊烧结焊剂，尤其涉及一种能够降低烧结焊剂的吸湿性、有利于完善烧结焊剂性能的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂及其制备方法。

背景技术

埋弧焊作为一种高效、稳定的焊接方法，广泛应用于制造领域，埋弧焊剂是其主要的消耗材料之一，分为熔炼焊剂和烧结焊剂两大类。烧结焊剂具有可以连续生产、无污染、碱度高、适应较高强度钢的焊接并能得到较高的塑性和韧性等优点，被广泛用于桥梁、压力容器、金属结构、造船、车辆和石油天燃气输送管道等焊接制造。

尽管烧结焊剂以其诸多优势己逐步取代熔炼焊剂应用于各行各业，但其易吸湿的问题成为阻碍其推广的主要因素。由于其吸湿倾向大，存放过程中易出现焊剂颗粒粉化现象而造成自身成分的不均勾，烧结焊剂在使用前常需要高温长时间的烘干，烘干后使用时若非完全干燥，在焊接过程中产生的水汽不仅影响焊缝的表面成型，同时增加了焊缝扩散氢的来源而降低焊缝韧性，同时，在焊接过程中高温条件下，焊剂中所结合的水将急剧蒸发，形成的水蒸气对熔融的焊接熔池产生力的作用，容易产生压铁水的现象，使得焊缝的成形性变差。因此，降低烧结焊剂的吸湿倾向是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂及其制备方法，通过采用有机粘接剂及复合烧结剂开发出一种具有较高碱度且具有低吸湿性和低熔敷金属扩散氢含量的新型低吸湿性烧结焊剂。

一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，包括主成分、粘接剂和烧结剂，其特征在于主成分是采用重量份数比为镁砂10～30份、硅灰石5～20份、萤石5～15份、铝矾石5～20份、粘土4～20份、金红石0～10、锆英砂0～10、硅铁5份构成。

进一步地，主成分是采用重量份数比为镁砂15～20份、硅灰石10～15份、萤石12～15份、铝矾石10～15份、粘土5～8份、金红石2～5份、锆英砂2～5份、硅铁5份构成。

进一步地，所述硅铁中，Si所占重量份数为45～75份，其余为Fe。

进一步地，所述焊剂中杂质重量S≤0.04％，P≤0.04％。

进一步地，所述粘接剂为溶解度为3.5～4.5％的聚乙烯醇PVA水溶液。

进一步地，所述烧结剂为重量份数比为碳酸锂2～8份、三氧化二铬0～1份构成。

进一步地，所述焊剂中主成分的各组成部分的具体成分如下所示：

镁砂具体成分为：MgO≥96％，SiO₂≤2％，CaO≤4％，S≤0.08％，P≤0.02％；硅灰石具体成分为：CaO 45～50％，SiO₂48～55％，S≤0.03％，P≤0.01％；铝矾石具体成分为：Al₂O₃≥80％，SiO₂≤10％，Fe₂O₃≤4％，S≤0.04％，P≤0.04％；粘土的具体成分为：Al₂O₃42～45％，SiO₂50～55％，Fe₂O₃≤2％，S≤0.10％，P≤0.05％；萤石的具体成分为：CaF₂≥95％，SiO₂≤4％，S≤0.02％，P≤0.02％；金红石的具体成分为：TiO₂≥98％，Fe₂O₃≤1％，S≤0.04％，P≤0.02％；锆英砂的具体成分为：ZrO₂≥80％，SiO₂≥4％，S≤0.04％，P≤0.03％。

一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)配料、干混：按重量份数比称取粉料镁砂、硅灰石、粘土、铝矾土、萤石、金红石、锆英砂、硅铁，搅拌干混至粉料颜色均匀且无结块；

(2)配置PVA粘接剂：称取一定质量的PVA粉末，将其缓慢加入到20℃冷水中进行溶解，同时不断搅拌使其在冷水中充分溶胀、分散和挥发性物质的逸出，而后升温到95℃左右加速溶解，并保温2～2.5小时，直到溶液不再含有微小颗粒，控制溶液溶度为3.5～4.5％；

(3)湿混：在搅拌烧结焊剂粉料的过程中加入主成分重量20％的PVA粘接剂，通过控制加入的速度和加入量的大小进行均匀性搅拌。

(4)造粒、添加烧结剂：将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，在颗粒表面保持一定湿度及粘接性的情况下，将事先混匀的烧结剂均匀的洒在颗粒表面，并通过反复的滚动使烧结剂均匀牢固的包覆在焊剂颗粒的表面。

(5)烘干：将造好粒的焊剂颗粒经热风干燥后放入烘干炉，在100～250℃低温下烘干1～3小时。

(6)烧结、过筛：将干燥后的焊剂颗粒放入800℃的炉中烧结2小时，升温速度为10℃/min，最后将出炉后的烧结焊剂颗粒过16～50目的网筛即得烧结焊剂。

本发明的有益效果在于：

(1)相较于常规以钾钠水玻璃为粘接剂的烧结焊剂，本发明了釆用有机粘接剂及复合烧结剂及来取代吸湿性较强的水玻璃的使用，并且复合烧结剂是以表面包覆的方式加入，烧结焊剂颗粒具有较好的抗吸湿性，能明显降低烧结焊剂的吸湿倾向，特别是对水蒸气的化学吸附倾向。

(2)相较于常规焊剂，新型烧结焊剂具有良好的焊接工艺性能，在250℃低温烘干时，新型烧结焊剂的熔敷金属扩散氢明显低于常规焊剂，能较好满足焊接要求。

本发明焊剂中：

镁砂控制在10～30份，萤石控制在5～15份，硅灰石控制在5～20份，这三种物质主要成分均是造渣剂，同时是提高碱度的必要成分。镁砂过少时，难以发挥提高熔渣碱度的效果，得不到高碱度提高韧性的效果，超过30份时，熔渣的熔点过高，易形成焊道粗糙的焊缝，并易在焊缝金属中形成夹渣。萤石可以增加熔渣的流动性，减小气孔、夹渣等缺陷，改善焊缝成形。萤石过少时，降低熔敷金属中的氢含量的效果不充分，超过15份时，熔渣的粘度过低，熔池运动激烈，焊道粗大化，焊道外观不平滑。硅灰石小于5份时，熔渣的碱度小，不利于提高韧性，硅灰石过多时，CaO在高温液态下与表层金属形成齿状耦合，延长熔渣与液稠金属共存时间，极大的影响焊缝成形和脱渣性。

硅灰石和粘土中的SiO₂是造渣剂，同时也是维持电弧稳定性的主要成分，控制在5～20份，过低时，电弧不稳定，不易得到良好的焊接工艺性能，超过20份时，降低焊剂熔渣的碱度，易使焊缝金属增氧，不利于提高焊缝金属低温冲击韧性。

铝矾石中的Al₂O₃属于造渣剂，是调整熔渣的物理性能、改善熔渣流动性、维持良好的焊道形状的有效成分。控制在5～20份，小于5份时，熔渣的粘度过低，因此，难以保证良好的焊道外观，超过20份时，熔渣的粘度过高，易产生咬边和压痕，造成焊道外观不良。

金红石中的TiO₂是酸性氧化物，能改善焊渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，控制在0～10份。

聚乙烯醇是一种常用的强力有机粘接剂，具有良好的粘接性和成膜性、无毒无污染、价格便宜、使用方便等特点。在作为粘接剂使用时，将一定量的粉末溶解在一定温度的蒸馏水中加热搅拌至全部溶解，其中的有机成分将发生分解，对烧结焊剂粉末的粘接造粒具有很好的适应性。

烧结剂是一类能促进材料在远低于自身熔点的温度下，烧结成理想致密度的一类物质。随着温度的上升，铬和铁离子将与烧结物发生固溶反应，点缺陷溶度将明显增大，晶体发生畸变活化使烧结过程中的传质更快速进行，600℃左右时，碳酸锂熔融而出现液相，颗粒的重排和致密化过程将更容易进行，最终使烧结焊剂颗粒的致密度和强度能满足使用要求，同时具有较低的吸湿性。三氧化二铬促进烧结，因为铝离子和铬离子的半径相近，在低温烧结过程中能形成连续固溶体使点缺陷浓度增大，提高原料活性，能更有效的促进烧结。

S、P是原材料中带入的有害杂质，与金属形成低熔点共晶物，增加产生热裂纹的倾向，所以其重量分别控制在S≤0.04％，P≤0.04％以内。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例一：

(1)称取重量份数比为镁砂20份、硅灰石15份、萤石15份、铝矾石20份、粘土15份、金红石10份、锆英砂0份、硅铁5份进行干混。

(2)配置PVA粘接剂：称取一定质量的PVA粉末，将其缓慢加入到20℃冷水中进行溶解，同时不断搅拌使其在冷水中充分溶胀、分散和挥发性物质的逸出，而后升温到95℃左右加速溶解，并保温2小时，直到溶液不再含有微小颗粒，控制溶液溶度为4％；

(3)湿混：在搅拌烧结焊剂粉料的过程中加入主成分重量20％的PVA粘接剂，通过控制加入的速度和加入量的大小进行均匀性搅拌。

(4)造粒、添加烧结剂：将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，在颗粒表面保持一定湿度及粘接性的情况下，将事先混匀的2份碳酸锂和0份三氧化二铬烧结剂均匀的洒在颗粒表面，并通过反复的滚动使烧结剂均匀牢固的包覆在焊剂颗粒的表面。

(5)烘干：将造好粒的焊剂颗粒经热风干燥后放入烘干炉，在150℃低温下烘干1小时。

(6)烧结、过筛：将干燥后的烧结焊剂颗粒放入800℃的炉中烧结2小时，升温速度为10℃/min，最后将出炉后的烧结焊剂颗粒过16～50目的网筛即得烧结焊剂。

对得到的新型焊剂进行吸湿性实验，以以钾钠水玻璃为粘接剂的常规烧结焊剂和熔炼焊剂HJ431作为对比样。具体方法为：焊剂经450℃烘干2h，在炉中冷却到150℃时，将其转移到干燥皿中，冷却到室温后用分析天平准确称量每个焊剂的干燥质量，然后将焊剂放入24℃，湿度为85％的温湿箱中，每隔24h称取每个焊剂的质量，计算焊剂的吸湿率，结果如表1。

表1不同焊剂吸湿率(％)

根据吸湿性试验的结果可以看出，新型烧结焊剂的吸湿率和常规以钾钠水玻璃为粘接剂的烧结焊剂相比，其吸湿率至少降低50％左右，说明采用有机粘接剂及复合烧结剂替代水玻璃达到了降低了烧结焊剂的吸湿倾向的效果。

实施例二：

(1)称取重量份数比为镁砂25份、硅灰石15份、萤石15份、铝矾石15份、粘土8份、金红石10份、锆英砂2份、硅铁5份进行干混。

(2)配置PVA粘接剂：称取一定质量的PVA粉末，将其缓慢加入到20℃冷水中进行溶解，同时不断搅拌使其在冷水中充分溶胀、分散和挥发性物质的逸出，而后升温到95℃左右加速溶解，并保温2小时，直到溶液不再含有微小颗粒，控制溶液溶度为4％；

(3)湿混：在搅拌烧结焊剂粉料的过程中加入主成分重量20％的PVA粘接剂，通过控制加入的速度和加入量的大小进行均匀性搅拌。

(4)造粒、添加烧结剂：将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，在颗粒表面保持一定湿度及粘接性的情况下，将事先混匀的5份碳酸锂和1份三氧化二铬烧结剂均匀的洒在颗粒表面，并通过反复的滚动使烧结剂均匀牢固的包覆在焊剂颗粒的表面。

(5)烘干：将造好粒的焊剂颗粒经热风干燥后放入烘干炉，在150℃低温下烘干1小时。

(6)烧结、过筛：将干燥后的烧结焊剂颗粒放入800℃的炉中烧结2小时，升温速度为10℃/min，最后将出炉后的烧结焊剂颗粒过16～50目的网筛即得烧结焊剂。

对得到的新型焊剂进行吸湿性实验，以以钾钠水玻璃为粘接剂的常规烧结燥剂和熔炼焊剂HJ431作为对比样。具体方法为：焊剂经450℃烘干2h，在炉中冷却到150℃时，将其转移到干燥皿中，冷却到室温后用分析天平准确称量每个焊剂的干燥质量，然后将焊剂放入24℃，湿度为85％的温湿箱中，每隔24h称取每个焊剂的质量，计算焊剂的吸湿率，结果如表2。

表2不同焊剂吸湿率(％)

根据吸湿性试验的结果可以看出，新型烧结焊剂的吸湿率和常规以钾钠水玻璃为粘接剂的烧结焊剂相比，其吸湿率至少降低55％左右，说明采用有机粘接剂及复合烧结剂替代水玻璃达到了降低了烧结焊剂的吸湿倾向的效果。

实施例三：

(1)称取重量份数比为镁砂22份、硅灰石15份、萤石12份、铝矾石11份、粘土8份、金红石5份、锆英砂5份、硅铁5份进行干混。

(2)配置PVA粘接剂：称取一定质量的PVA粉末，将其缓慢加入到20℃冷水中进行溶解，同时不断搅拌使其在冷水中充分溶胀、分散和挥发性物质的逸出，而后升温到95℃左右加速溶解，并保温2.5小时，直到溶液不再含有微小颗粒，控制溶液溶度为3.5％～4％；

(3)湿混：在搅拌烧结焊剂粉料的过程中加入主成分重量20％的PVA粘接剂，通过控制加入的速度和加入量的大小进行均匀性搅拌。

(4)造粒、添加烧结剂：将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，在颗粒表面保持一定湿度及粘接性的情况下，将事先混匀的2份碳酸锂和0.5份三氧化二铬烧结剂均匀的洒在颗粒表面，并通过反复的滚动使烧结剂均匀牢固的包覆在焊剂颗粒的表面。

(5)烘干：将造好粒的焊剂颗粒经热风干燥后放入烘干炉，在150℃低温下烘干1小时。

(6)烧结、过筛：将干燥后的烧结焊剂颗粒放入800℃的炉中烧结2小时，升温速度为10℃/min，最后将出炉后的烧结焊剂颗粒过16～50目的网筛即得烧结焊剂。

对得到的新型焊剂进行熔敷金属扩散氢含量的测定，以以钾钠水玻璃为粘接剂的常规烧结焊剂作为对比样。具体方法为：将制得的焊剂在室内条件下放置一周时间，使之在空气中充分的吸潮；将常规焊剂和新型烧结焊剂分别分为三组：第一组不烘干进行焊接，第二组250℃烘干2小时，第三组450℃烘干2小时，按照《熔敷金属中扩散氢测定方法》中的相关规定进行试验操作。所用设备为ZD5-1000自动埋弧焊机、PY-4型扩散氢测定仪，试验板材为Q235钢，预先对板材进行除锈、去油及烘干去氢处理，焊接工艺参数如表3，两种焊剂的扩散氢试验结果如表4。

表3焊接工艺参数

表4两种焊剂的扩散氢试验结果

由扩散氢试验的结果可以看出，在不同烘干工艺条件下，新型烧结焊剂扩散氢含量都低于常规焊剂。在未烘干时，两种焊剂中由于都含有一定量的吸附水，使得熔敷金属扩散氢的来源很大，但新型烧结焊剂的扩散氢含量远低于传统型焊剂，说明前者的吸湿性较小。当低温烘干时，两种焊剂的扩散氢含量均降低，表明在该烘干温度下焊剂中发生了水蒸气的脱附想象，由于该温度较低，物理吸附的作用力较小，故在该温度下发生吸附水蒸气的脱附，但两种焊剂的降低程度基本相同，说明两种焊剂的微观结构致密度相近。当采用高温烘干时，常规焊剂测得的熔敷金属扩散氢显著降低，新型焊剂降低程度较小，这是在高温条件下发生化学吸附水的脱附过程，使得熔敷金属扩散氢的来源减小。对比两种焊剂的在不同烘干工艺下扩散氢降低程度，可以看出两种焊剂的在空气中对水蒸气的物理吸附倾向相同，但新型焊剂对水蒸气的化学吸附倾向更低，使其具有较理想的抗吸潮能力，显著降低了烘干工艺要求，证明了改性效果较好。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，包括主成分、粘接剂和烧结剂，其特征在于主成分是采用重量份数比为镁砂10～30份、硅灰石5～20份、萤石5～15份、铝矾石5～20份、粘土4～20份、金红石0～10份、锆英砂0～10份、硅铁5份构成。

2.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：主成分是采用重量份数比为镁砂15～20份、硅灰石10～15份、萤石12～15份、铝矾石10～15份、粘土5～8份、金红石2～5份、锆英砂2～5份、硅铁5份构成。

3.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：其中所述硅铁中，Si所占重量份数为45～75份，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：焊剂中杂质重量S≤0.04％，P≤0.04％。

5.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：所述粘接剂为溶解度为3.5～4.5％的聚乙烯醇PVA水溶液。

6.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：所述烧结剂为重量份数比为碳酸锂2～8份、三氧化二铬0～1份构成。

7.根据权利要求1所述的一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂，其特征在于：

所述镁砂具体成分为：MgO≥96％，SiO₂≤2％，CaO≤4％，S≤0.08％，P≤0.02％；

所述硅灰石具体成分为：CaO 45～50％，SiO₂48～55％，S≤0.03％，P≤0.01％；

所述铝矾石具体成分为：Al₂O₃≥80％，SiO₂≤10％，Fe₂O₃≤4％，S≤0.04％，P≤0.04％；

所述粘土的具体成分为：Al₂O₃42～45％，SiO₂50～55％，Fe₂O₃≤2％，S≤0.10％，P≤0.05％；

所述萤石的具体成分为：CaF₂≥95％，SiO₂≤4％，S≤0.02％，P≤0.02％；

所述金红石的具体成分为：TiO₂≥98％，Fe₂O₃≤1％，S≤0.04％，P≤0.02％；

所述锆英砂的具体成分为：ZrO₂≥80％，SiO₂≥4％，S≤0.04％，P≤0.03％。

8.一种低吸湿性埋弧焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)配料、干混：按重量份数比称取粉料镁砂、硅灰石、粘土、铝矾土、萤石、金红石、锆英砂、硅铁，搅拌干混至粉料颜色均匀且无结块；

(2)配置PVA粘接剂：称取一定质量的PVA粉末，将其缓慢加入到20℃冷水中进行溶解，同时不断搅拌使其在冷水中充分溶胀、分散和挥发性物质的逸出，而后升温到95℃左右加速溶解，并保温2～2.5小时，直到溶液不再含有微小颗粒，控制溶液浓度为3.5～4.5％；

(3)湿混：在搅拌烧结焊剂粉料的过程中加入主成分重量20％的PVA粘接剂，通过控制加入的速度和加入量的大小进行均匀性搅拌；

(4)造粒、添加烧结剂：将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，在颗粒表面保持一定湿度及粘接性的情况下，将事先混匀的烧结剂均匀的洒在颗粒表面，并通过反复的滚动使烧结剂均匀牢固的包覆在焊剂颗粒的表面；

(5)烘干：将造好粒的焊剂颗粒经热风干燥后放入烘干炉，在100～250℃低温下烘干1～3小时；

(6)烧结、过筛：将干燥后的焊剂颗粒放入800℃的炉中烧结2小时，升温速度为10℃/min，最后将出炉后的烧结焊剂颗粒过16～50目的网筛即得烧结焊剂。