CN104668817A - 一种粉煤灰活性氩弧焊剂及其应用 - Google Patents

一种粉煤灰活性氩弧焊剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粉煤灰活性氩弧焊剂及其应用，属于钨极氩弧焊技术领域。所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为向粉煤灰中加入分析纯级的SiO2形成。所述的应用为熔覆层的制备，在熔覆块表面涂覆粉煤灰活性氩弧焊剂，进行熔覆焊接；本发明可大幅降低活性焊接成本，有效实现煤炭伴生资源的高附加值利用，为煤炭伴生资源的利用开辟了新的方法和途径。

Description

一种粉煤灰活性氩弧焊剂及其应用
技术领域
本发明属于钨极氩弧焊技术领域。具体涉及一种粉煤灰活性氩弧焊剂及其制备和应用。
背景技术
钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas)，作为一种优良的气体保护焊接手段，因其电弧具有优良的氩气保护、电弧稳定、无熔渣、焊接材料多样化而广泛应用于碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢和铝、铜、钛等金属及合金的焊接中，但其焊接成本高、焊接效率低等缺点极大程度上限制了钨极氩弧焊的应用范围—钨极氩弧焊在对碳钢及其低合金钢一次性对焊时其熔深最大仅为2～3mm，且焊前需要复杂的焊前准备工作，其工作效率及经济效益远不如手工电弧焊。但在某些场合钨极氩弧焊又有其他焊接手段难以替代的优势，如目前航空航天、军工和石油化工领域常用的钛合金一般采用钨极氩弧焊，其原因在于：钛合金在焊接过程中极易与C、H、N和O等元素反应而使焊缝产生严重的脆性倾向，故传统的CO2保护焊、手工电弧焊和埋弧焊都无法满足钛合金焊接生产要求，采用电子束焊、激光焊以及等离子弧焊尽管可以满足生产要求，但对设备要求高，成本大，很难满足所有生产场合。钨极氩弧焊因其优良的惰性气体保护能力、焊缝成形美观、无熔渣且对设备要求不高而成为钛合金常用的焊接手段。
目前，针对碳钢、不锈钢、镁合金、铝合金及钛合金均已开发出了不同的焊接活性剂，已经确认可以用作活性焊剂的有SiO2和B2O3等非金属氧化物、TiO2和Al2O3及MnO2等金属氧化物、NaF和CaF2等卤化物，但迄今为止，绝大多数学者均采用分析纯级别的上述物质进行研究。
发明内容
本发明首先提供一种粉煤灰活性氩弧焊剂，所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为纯的粉煤灰，或者为向纯的粉煤灰中加入分析纯级的SiO2形成，其中，SiO2的加入量为纯的粉煤灰质量的40～90％，优选加入40％。
所述的纯的粉煤灰中含有SiO2和Al2O3成分总含量高达77％(质量百分含量)，在使用前，先对所述的纯的粉煤灰进行中温煅烧，然后过滤，得到粒度均匀的粉末。
本发明还提供一种所述的粉煤灰活性氩弧焊剂在以Q235钢为母材的熔覆层的制备中的应用，所述的熔覆层的制备包括如下步骤：
第一步，粉煤灰活性氩弧焊剂的选取和预处理；
纯的粉煤灰在使用前进行中温煅烧热活化预处理，然后向预处理的粉煤灰中加入相应含量的二氧化硅。
所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为预处理后的纯粉煤灰，或者向预处理后的纯粉煤灰中加入二氧化硅，加入量为纯的粉煤灰质量的40～90％，所述二氧化硅的加入量优选为40％。
第二步，熔覆块的制备；
活性氩弧熔覆材料由还原铁粉、硼砂以及碳化硼组成；按照质量百分含量：还原铁粉(89％)，硼砂(5％)，碳化硼颗粒(6％)。将上述配方按比例称重共计10g，共混均匀后掺入0.2～0.3g模数为2.5的水玻璃，研磨，进行熔覆块体的压制，预置压力60MPa。脱模后室温干燥24h。
第三步，在熔覆块表面涂覆粉煤灰活性氩弧焊剂；
采用丙酮为溶剂，将粉煤灰活性氩弧焊剂与丙酮溶剂按照1g:4mL混合后搅拌，涂刷于熔覆块表面，刷涂完成后室温阴干24h后进行焊接。
第四步，熔覆焊接；
钨极材质及直径为铈钨极2.0mm，钨极尖角30°，8#陶瓷喷嘴直径12mm，焊接工艺参数选取为：焊接电流100～200A，氩气流量3.5～9L/min，焊接速度75～155mm/min，电弧长度2.5～5.5mm。
优选的焊接工艺参数为：焊接电流145A，氩气流量6L/min，焊接速度120mm/min，电弧长度5.0mm。
本发明的优点在于：
1、活性焊接技术是传统氩弧焊技术的延伸与改进，可大幅提高氩弧焊工作效率，拓展氩弧焊技术的应用领域，但活性焊接技术由于焊剂及焊接工艺的保密性强，导致其焊接成本高昂，限制了该技术的通用化。本发明采用粉煤灰为焊接活性剂，可以大幅降低活性焊接成本。
2、本发明首次将煤炭伴生资源应用到金属材料加工领域，可以有效实现煤炭伴生资源的高附加值、资源化利用，为煤炭伴生资源的利用开辟了新的方法和途径。
附图说明
图1为熔覆层截面形貌，其中图(a)、图(b)、图(c)分别为无活性剂、纯粉煤灰和粉煤灰活性氩弧焊剂添加情况下得到的熔覆层截面形貌；
图2为活性氩弧熔覆层XRD测试结果；
图3为活性氩弧熔覆层金相组织。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种粉煤灰活性氩弧焊剂，包括粉煤灰和二氧化硅，具体为，按照质量百分比，向纯的粉煤灰中加入40～90％的二氧化硅，优选加入量为40％。
将所述的粉煤灰活性氩弧焊剂用于Q235钢上熔覆层的制备，具体如下：
第一步，粉煤灰活性剂的选取及预处理：
焊接母材即基体选用Q235热轧钢板，将该钢板采用剪板机切割，切割后得到尺寸为100mm×20mm×6mm，采用砂纸打磨除锈，保证母材露出金属光泽同时具有一定粗糙度，以便后续活性剂涂覆、避免焊接过程中氧化物产生夹杂。
采用的粉煤灰中SiO2和Al2O3成分总含量高达77％(质量百分含量)，采用辽宁阜新某地粉煤灰，其成分如1所示。
表1 粉煤灰成分
*本数据由国土资源部东北矿产资源监督检测中心提供。
自然状态下热电厂直接排放的粉煤灰多含有未燃尽的含C、S等物质，故实验前对粉煤灰进行中温煅烧热活化：将SX2-8-10中温箱式电阻炉升温至800℃保温15min后将盛有粉煤灰的不锈钢容器放入所述电阻炉中保温2h后随炉冷却，以保证粉煤灰中有害杂质元素的去除，经中温煅烧后的粉煤灰经孔径200目(74μm)筛子过滤，保证粉煤灰粒度均匀。
按照质量百分比，向上述预处理后的粉煤灰中加入质量百分含量为40～90％的二氧化硅，优选加入量为40％，形成粉煤灰活性氩弧焊剂。
第二步，熔覆块的制备；
熔覆块中选取的活性氩弧熔覆材料主要由还原铁粉(纯度≥98％)、硼砂以及碳化硼组成；按照质量百分含量，还原铁粉(89％)+硼砂(5％)+碳化硼颗粒(6％)。将上述配方按比例称重共计10g，共混均匀后掺入0.2～0.3g模数为2.5的水玻璃，研磨均匀后放置于尺寸100mm×10mm×2mm长方体磨具中，采用WE-30液压式万能实验机进行熔覆块体的压制，预置压力60MPa。脱模后室温干燥24h。
并将熔覆块粘结在基本表面，粘结时采用的粘结剂为水玻璃，所述的基体选取为材料为Q235钢，使用前先将基体用角磨机打磨，以去除表面的铁锈和氧化皮，并采用金相砂纸对其精细处理，然后用丙酮和无水乙醇清洗。
第三步，在熔覆块表面涂覆粉煤灰活性焊剂；
将熔覆块体表面涂覆活性焊剂，其涂覆方式为：采用丙酮为溶剂，将粉煤灰活性焊剂与丙酮溶剂按照1g:4mL混合后搅拌，保证其形成具有适中粘度的悬浊液，采用5mm宽长柄毛刷蘸取悬浊液，以均匀摇摆方式将活性焊剂涂刷于熔覆块表面，为保证活性剂均匀性，一般采用单方向涂刷，对于不均匀处采用稀释后悬浊液补刷，活性焊剂涂敷厚度标准以完全覆盖熔覆块表面为宜，一般涂刷1～3次。刷涂完成后室温阴干24h。
第四步，熔覆焊接；
钨极材质及直径为铈钨极2.0mm，钨极尖角30°，8#陶瓷喷嘴直径12mm，采用WS-500型直流氩弧焊机，焊接电流控制在100～200A，氩气流量3.5～9L/min，焊接速度75～155mm/min，电弧长度2.5～5.5mm。
优选的熔覆焊接工艺参数见表2。
表2 熔覆工艺参数
实施例1
应用本发明提供的制备方法的一个优选技术方案，在基体Q235钢表面制备活性氩弧熔覆层，制备过程中采用的粉煤灰活性焊剂中加入的二氧化硅含量为40wt％，熔覆块的制备过程中，选择预制压力为60MPa，每10g熔覆块材料中加入水玻璃0.2～0.3g；进行熔覆焊接过程中采用表2中优选熔覆焊接工艺参数，得到活性氩弧熔覆层。下面结合试验试验数据说明所述的活性氩弧熔覆层的性能。
实施例2
作为对比实施例，粉煤灰活性氩弧焊剂仅采用纯的粉煤灰，其余步骤和参数同实施例1，得到常规氩弧熔覆层。
图1、表3分别为活性氩弧熔覆层熔池形貌和熔池尺寸。可以看出，不加活性剂时，熔覆层下方母材金属熔化体积较少，而添加纯的粉煤灰后熔深明显增加，添加本发明的粉煤灰活性焊剂后熔深进一步增加；无活性剂时以及采用纯的粉煤灰时熔覆层宽度与母材熔池宽度相当，但当采用本发明的粉煤灰活性焊剂时，熔覆层宽度比熔池宽度宽约2mm，导致该现象说明此时熔覆层边缘处在焊接过程中温度较低，熔池热量难以作用于母材基体使之熔化，因此边缘处呈平直状结合，同时熔池中心处热量作用更集中，温度更高，其电弧力也更强，因此熔池深度大幅增加。
表3 氩弧熔覆层熔池尺寸
图2为活性氩弧熔覆层XRD分析结果。由图2可以看出，熔覆层中存在Fe、Fe2B、Fe3B、Fe3.5B、FeSi等，还有含Al新相Fe2AlB2和Fe3Al2Si3，说明SiO2对于促进活性剂参与熔覆层反应起到了积极作用。因此，活性剂的加入有助于熔覆层原位反应的进行和物相种类的丰富，因此有助于熔覆层性能的提高。
采用本发明提供的粉煤灰活性焊剂，活性氩弧熔覆层的显微组织中局部出现了类似鱼骨状组织的长棒状组织，其棒间距较大，可见SiO2的加入有助于新相的产生，但同时也一定程度上增加了熔覆层增强相分布的不均性。
活性氩弧熔覆层的显微硬度为300HV～450HV，宏观硬度即洛氏硬度为42.7HRC，相比于基体宏观硬度(28.9HRC)提高了13.8HRC。
磨粒磨损15min后的单位面积失重数据表明，活性氩弧熔覆层耐磨性(单位面积失重15.685×104g·m-2)相对于基体(单位面积失重36.490×104g·m-2)提高了2.33倍。
采用3.5％NaCl进行浸泡实验测试熔覆层抗盐类腐蚀的能力，浸泡72小时后，基体单位面积失重1.579×102g·m-2，活性氩弧熔覆层单位面积失重0.685×102g·m-2，耐蚀性相对于基体提高了2.31倍。
表4为在转速为300r/min时冲蚀数据，由实验结果可以看出，无活性剂熔覆层耐冲蚀性是基体的2.29倍，粉煤灰活性剂熔覆层耐冲蚀性能提高至3.17倍，当向粉煤灰活性剂中添加40％SiO2时，熔覆层耐冲蚀性能进一步提高至4.57倍；可见，在适中的转速下熔覆层耐冲蚀性能提高明显，调控活性剂成分对耐冲蚀性能提高作用显著。
表4 熔覆层耐冲蚀测试结果(300r/min)
表5为在转速为400r/min时冲蚀数据，由实验结果可以看出，无活性剂熔覆层耐冲蚀性能是基体的2.52倍，添加粉煤灰活性剂后熔覆层相对耐冲蚀性能提高至4.70倍，而向粉煤灰中加入40％SiO2后，熔覆层耐冲蚀性能进一步提高至6.46倍；可见，较高的转速下调节活性剂成分对于熔覆层性能提高作用明显，转速越高，粉煤灰活性剂对熔覆层耐冲蚀性能的影响越显著。
表5 熔覆层耐冲蚀测试结果(400r/min)
表6为冲蚀介质浓度水与石英砂浓度为5000mL:2800mL时耐冲蚀性测试结果。当无活性剂时，熔覆层耐冲蚀性能是基体的2.29倍，而粉煤灰活性剂熔覆层为基体的3.17倍，添加40％SiO2后，熔覆层耐冲蚀性能进一步提高至4.57倍。可见，活性剂的区别在提高冲蚀介质的浓度后开始显现。
表6 熔覆层耐冲蚀测试结果(5000:2800)
根据上述实验结果显示，本发明制备的活性氩弧熔覆层耐磨性相对基体提高了2.33倍；耐酸性是基体的4.26倍；耐盐性是基体的2.31倍；不同转速下，耐冲蚀性是基体的4.28～6.46倍；不同冲蚀介质浓度下，耐冲蚀性是基体的1.30～4.57倍。

Claims (7)

1.一种粉煤灰活性氩弧焊剂，其特征在于：所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为纯的粉煤灰，所述的纯粉煤灰中含有SiO2和Al2O3成分质量百分含量总含量高达77％，使用前，先对所述的纯的粉煤灰进行中温煅烧，然后过筛，得到粒度均匀的粉末。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰活性氩弧焊剂，其特征在于：所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为向中温煅烧后的粉煤灰中加入分析纯级的SiO2，其中，SiO2的加入量为粉煤灰质量的40～90％。
3.根据权利要求2所述的一种粉煤灰活性氩弧焊剂，其特征在于：SiO2的加入量为粉煤灰质量的40％。
4.根据权利要求1或2所述的一种粉煤灰活性氩弧焊剂的应用，其特征在于：
第一步，粉煤灰活性焊剂的选取和预处理；
所述的粉煤灰活性氩弧焊剂为预处理后的纯粉煤灰，或者向预处理后的纯粉煤灰中加入SiO2，加入量为纯的粉煤灰质量的40～90％；纯的粉煤灰在使用前进行中温煅烧热活化预处理；
第二步，熔覆块的制备；
活性氩弧熔覆材料由还原铁粉、硼砂以及碳化硼组成；按照质量百分含量：还原铁粉89％，硼砂5％，碳化硼颗粒6％；将上述配方按比例称重共计10g，共混均匀后掺入0.2～0.3g模数为2.5的水玻璃，研磨，进行熔覆块体的压制，预置压力60MPa，脱模后室温干燥24h，得到熔覆块；
第三步，在熔覆块表面涂覆粉煤灰活性氩弧焊剂；
采用丙酮为溶剂，将粉煤灰活性氩弧焊剂与丙酮溶剂按照1g:4mL混合后搅拌，涂刷于熔覆块表面，刷涂完成后室温阴干24h后进行焊接；
第四步，熔覆焊接；
钨极材质及直径为铈钨极2.0mm，钨极尖角30°，8#陶瓷喷嘴直径12mm，焊接工艺参数选取为：焊接电流100～200A，氩气流量3.5～9L/min，焊接速度75～155mm/min，电弧长度2.5～5.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种粉煤灰活性氩弧焊剂的应用，其特征在于：焊接工艺参数为：焊接电流145A，氩气流量6L/min，焊接速度120mm/min，电弧长度5.0mm。
6.一种活性氩弧熔覆层，其特征在于：采用权利要求5或6中的制备方法得到所述的熔覆层，熔覆层中存在Fe、Fe2B、Fe3B、Fe3.5B和FeSi，还有含Al新相Fe2AlB2和Fe3Al2Si3。
7.根据权利要求6所述的一种活性氩弧熔覆层，其特征在于：活性氩弧熔覆层显微硬度为300HV～450HV，宏观硬度即洛氏硬度为42.7HRC，活性氩弧熔覆层耐磨性相对基体提高了2.33倍；耐酸性是基体的4.26倍；耐盐性是基体的2.31倍；不同转速下，耐冲蚀性是基体的4.28～6.46倍；不同冲蚀介质浓度下，耐冲蚀性是基体的1.30～4.57倍。
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