CN104759787A - 一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法 - Google Patents

一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法，本发明根据镍基合金的特点，选用了高CaF2比例、高碱度的渣系，该焊剂渣系主要由CaF2-Al2O3- SiO2-CaO组成，焊剂使用的水玻璃为纯纳水玻璃，焊剂制造过程为：配料-干混-湿混-造粒-烘干-烧结，其中焊剂的低温烘干温度为200℃～250℃，高温烧结温度为700℃～750℃，本发明主张以20-80目之间的焊剂颗粒作为成品焊剂，本发明可以在较宽的焊接规范范围内获得良好的焊道形貌及焊道外观，并具有良好的熔渣剥离能力。

Description

一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法
【 技术领域 】
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种烧结焊剂及其制造方法，具体涉及一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法。
【 背景技术 】
已知的，随着经济的不断发展，在石油化工、煤化工、核电、火电等领域服役的大型压力容器所面临的工作条件越来越严苛，因此对其内壁金属的要求越来越高，这也促成了镍基合金大面积堆焊的应用越来越多。
电渣堆焊具有熔敷效率高，稀释率低，焊道成型美观等优点，在大面积带极堆焊方面有着广泛的应用。而影响镍基带极电渣堆焊的主要因素是使用的焊剂，镍基合金比钢的熔点低，粘度大，流动性差，因此对电渣堆焊焊剂的熔点、粘度等物理性质提出了要求。
中国专利，公开号CN102990251A，专利名称电渣堆焊用焊剂，其是将特定比例CaF2、Al2O3、SiO2及CaO熔融后作为原材料的一部分加入混合料后经烧结而成，生产工艺复杂。
中国专利，公开号CN102069325A，专利名称奥氏体不锈钢带极电渣堆焊用烧结焊剂，中国专利，公开号CN102233494A，专利名称不锈钢带极电渣堆焊焊带及焊剂，中国专利，公开号CN102528309A，专利名称带状电极电渣堆焊用焊剂及其制备方法等专利中所公开的电渣堆焊焊剂均仅适用于不锈钢带极堆焊，并不适用于镍基堆焊等。
【 发明内容 】
为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法，本发明主要由CaF2-Al2O3-SiO2-CaO组成，并且焊剂组分不含有MgO、BaO等高熔点物质，以免其影响焊剂的熔点，本发明具有熔点低、流动性好、工艺过程稳定、熔渣剥离性好、焊道成型美观的电渣堆焊焊剂。
为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，按重量份数包括如下成分：
CaF2 58～64份；
Al2O3 18～23份；
SiO2 0～2份；
CaO 2～4份；
ZrO2 0.5～1份；
KF 1～4份；
合金 0.5～1份；
水玻璃 14～16份。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述CaF2是熔渣主要组成部分，保证了熔融状态下液态熔渣的导电能力，同时还能降低熔渣的粘度，提高流动性，随着组分中CaF2比例的提高，液态熔渣的导电能力增强，进而产生足够的热量使得镍基焊带、焊剂以及少量的母材熔化，保证电渣过程稳定进行。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述Al2O3是焊剂成分中常用的一种玻璃体造渣材料，Al2O3与CaF2组合构成的渣系是电渣堆焊的常用的基础渣系，二者在合适的比例能够得到导电能力优良，熔渣流动性良好的液态熔渣，而Al2O3含量过多将会降低熔渣导电能力；另一方面，焊剂组分中有Al2O3的加入可以使焊道表面的鱼鳞波纹细小，同时Al2O3与CaF2组合能够起到脱硫的作用。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述SiO2是主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，同时在高温到低温的过程中SiO2会经历相变过程，并且在相变的同时还伴有体积变化，有利于渣壳剥离，SiO2加入量大于2重量份时，对熔渣的剥离性有不利影响。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述CaO是造渣主要成分，调节熔渣碱度，并且能有效提高焊剂抗大电流能力，改善熔渣表面张力和界面张力。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述ZrO2是具有负的线膨胀系数，在冷却过程中体积变化，对渣壳顺利剥离有正面作用，并且ZrO2可以调节渣池粘度，改善焊道成型。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述KF是低熔点氟化物，可以提高液态渣池的导电能力，同时其熔点较低，也可以对渣池的粘度和流动性进行改善。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述合金的加入可以对焊接过程中的元素烧损进行补充，保证堆焊金属的成分从而保证堆焊层的耐腐蚀性。
所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，所述水玻璃主要作用是粘结粉体，水玻璃加入量小于所要求的最低量时，焊剂造粒过程中成粒效果变差；加入量过多时，会向配方中引入较多的SiO2，对焊剂工艺性产生不利影响。
一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂的制造方法，将CaF2以萤石的形式，Al2O3以α-氧化铝的形式，SiO2以石英的形式，CaO以大理石的形式，ZrO2以锆英砂的形式，KF以氟化钾的形式，合金是以合金粉末的形式加入，水玻璃以纯钠水玻璃的形式加入，按常规烧结焊剂生产工艺制造，各组分加入重量份数为萤石58～64份，α-氧化铝18～23份，石英0～2份，大理石2～4份，氟化钾1～4份，锆英砂0.5～1份，合金粉末0.5～1份，将上述比例粉料充分混合均匀，然后加入14～16份的纯钠水玻璃作为粘结剂，与均匀混合后的粉料搅拌均匀，再经湿混造粒后进行低温烘干，烘干温度为200℃～250℃而后再经700℃～750℃高温烧结得到烧结焊剂。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明所述的一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂及其制造方法，本发明根据镍基合金的特点，选用了高CaF2比例、高碱度的渣系，该焊剂渣系主要由CaF2-Al2O3- SiO2-CaO组成，焊剂使用的水玻璃为纯纳水玻璃，其模数M=2.9，20℃波美度为40～42°Be′，焊剂制造过程为：配料-干混-湿混-造粒-烘干-烧结，其中焊剂的低温烘干温度为200℃～250℃，高温烧结温度为700℃～750℃，本发明主张以20-80目之间的焊剂颗粒作为成品焊剂，本发明可以在较宽的焊接规范范围内获得良好的焊道形貌及焊道外观，并具有良好的熔渣剥离能力，同时本发明具有焊剂工艺性良好，在较宽的工艺规范下，配合镍基焊带的堆焊过程稳定，焊后渣壳自动剥离，焊道表面无粘渣，焊道成型美观，焊道搭接处过渡良好；焊剂生产适应性良好，焊剂颗粒度均匀；堆焊层金属成分稳定，弯曲性能良好等。
【 具体实施方式 】
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
本发明所述的一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，按重量份数包括如下成分：
CaF2 58～64份； Al2O3 18～23份；
SiO2 0～2份； CaO 2～4份；
ZrO2 0.5～1份； KF 1～4份；
合金 0.5～1份； 水玻璃 14～16份；
其中还包括S、P及不可避免的杂质，而S、P及不可避免的杂质不是人为添加的。
其中所述CaF2是熔渣主要组成部分，保证了熔融状态下液态熔渣的导电能力，同时还能降低熔渣的粘度，提高流动性，随着组分中CaF2比例的提高，液态熔渣的导电能力增强，进而产生足够的热量使得镍基焊带、焊剂以及少量的母材熔化，保证电渣过程稳定进行。本发明实验结果提示，CaF2的含量不能低于58重量份，过低的含量不能形成电渣过程，另外，本发明的实验结果提示，CaF2的含量不能超过64重量份，过高的CaF2的含量将会使熔渣粘度过低，在堆焊过程中造成淌渣，焊后焊道成型不良。
其中所述Al2O3是焊剂成分中常用的一种玻璃体造渣材料，Al2O3与CaF2组合构成的渣系是电渣堆焊的常用的基础渣系，二者在合适的比例能够得到导电能力优良，熔渣流动性良好的液态熔渣，而Al2O3含量过多将会降低熔渣导电能力；另一方面，焊剂组分中有Al2O3的加入可以使焊道表面的鱼鳞波纹细小，同时Al2O3与CaF2组合能够起到脱硫的作用。
其中所述SiO2是主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，同时在高温到低温的过程中SiO2会经历相变过程，并且在相变的同时还伴有体积变化，有利于渣壳剥离，SiO2加入量大于2重量份时，对熔渣的剥离性有不利影响。
其中所述CaO是造渣主要成分，调节熔渣碱度，并且能有效提高焊剂抗大电流能力，改善熔渣表面张力和界面张力。
其中所述ZrO2是具有负的线膨胀系数，在冷却过程中体积变化，对渣壳顺利剥离有正面作用，并且ZrO2可以调节渣池粘度，改善焊道成型。
其中所述KF是低熔点氟化物，可以提高液态渣池的导电能力，同时其熔点较低，也可以对渣池的粘度和流动性进行改善。
其中所述合金的加入可以对焊接过程中的元素烧损进行补充，保证堆焊金属的成分从而保证堆焊层的耐腐蚀性，所述合金为金属Cr粉。
其中所述水玻璃主要作用是粘结粉体，水玻璃加入量小于所要求的最低量时，焊剂造粒过程中成粒效果变差；加入量过多时，会向配方中引入较多的SiO2，对焊剂工艺性产生不利影响。
本发明所述的一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂的制造方法，将CaF2以萤石的形式，Al2O3以α-氧化铝的形式，SiO2以石英的形式，CaO以大理石的形式，ZrO2以锆英砂的形式，KF以氟化钾的形式，合金是以合金粉末的形式加入，水玻璃以纯钠水玻璃的形式加入，按常规烧结焊剂生产工艺制造，各组分加入重量份数为萤石58～64份，α-氧化铝18～23份，石英0～2份，大理石2～4份，氟化钾1～4份，锆英砂0.5～1份，合金粉末0.5～1份，将上述比例粉料充分混合均匀，然后加入14～16份的纯钠水玻璃作为粘结剂，与均匀混合后的粉料搅拌均匀，再经湿混造粒后进行低温烘干，烘干温度为200℃～250℃而后再经700℃～750℃高温烧结得到烧结焊剂。
本发明中主要原材料的化学成分要求如表1所示：
表1主要原材料的化学成分要求
本发明在具体实施时，主张将20～80目之间的焊剂颗粒作为成品焊剂，颗粒粒径过大将会使堆焊过程不稳定，粒径过小则对工况条件下的堆焊过程有不利影响。
本发明根据设计组分含量，配制了3种粉料，按照本发明所述的制备工艺制备实验焊剂，分别标记为F1、F2、F3具体配比见表2。
采用3种焊剂分别配0.5mm（厚）×60mm（宽）的EQNiCr-3和EQNiCrMo-3焊带在40mm厚的15CrMoR钢板上进行堆焊试验，其中所用焊带和钢板的化学成分如表3所示。
堆焊过程工艺参数如表4所示。
焊剂工艺性能如表5所示。
为进行堆焊层金属的化学成分分析，选用具有代表性的F2分别配0.5mm（厚）×60mm（宽）的EQNiCr-3和EQNiCrMo-3焊带在40mm厚的15CrMoR钢板上进行双层堆焊试验，其中过渡层和面层均采用同种焊带，具体化学分析结果如表6所示，弯曲试验结果见表7。
三种实施例的成分如下表所示：
表2 实施例成分配比（ 重量份 ）
组分 F1 F2 F3
大理石 2 2.2 4
萤石 58 61 59
α-氧化铝 22 18 18
石英 1 0.5 0
氟化钾 1 1.5 1
锆英砂 1 1 1
合金 1 0.8 1
纯钠水玻璃 14 15 16
在表3中是钢板和焊带的化学成分：
表3 实施例熔敷金属化学成分（ wt% ）
堆焊过程参数如下表所示：
表4 堆焊过程参数
电压/V 电流/A 焊接速度/mm∙min-1 干伸长/mm 道间温度/℃ 单层厚度/mm
25 900 150 35 150 3
焊剂工艺性如下所示：
表5 焊剂工艺性能
注：○：良好；⊙：一般；：不好
采用F2焊剂分别配0.5mm（厚）×60mm（宽）的EQNiCr-3和EQNiCrMo-3所得化学分析结果如下表所示：
表6 F2焊剂堆焊层金属化学成分（ wt% ）
所配焊带 C Mn Si S P Cr Ni
EQNiCr-3 0.015 2.72 0.244 0.006 0.008 20.1 71.9
EQNiCrMo-3 0.012 0.16 0.368 0.006 0.005 21.17 64.77
所配焊带 Mo Cu Nb Fe
EQNiCr-3 - 0.10 2.44 2.28
EQNiCrMo-3 8.70 0.04 3.50 1.1
弯曲试验结果如下表所示：
表7弯曲试验结果
取样方向 弯曲角度/° 弯心直径/mm 试样厚度t/mm 试验结果
纵向侧弯 180 40 10 合格
纵向侧弯 180 12 3 合格
横向侧弯 180 40 10 合格
横向侧弯 180 12 3 合格
本发明提出电渣堆焊焊剂的焊剂工艺性良好，配合相应焊带堆焊金属成分符合AWS A5.14标准的要求，弯曲性能良好，满足使用要求。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (10)

1.一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：按重量份数包括如下成分：
CaF2 58～64份；
Al2O3 18～23份；
SiO2 0～2份；
CaO 2～4份；
ZrO2 0.5～1份；
KF 1～4份；
合金 0.5～1份；
水玻璃 14～16份。
2.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述CaF2是熔渣主要组成部分，保证了熔融状态下液态熔渣的导电能力，同时还能降低熔渣的粘度，提高流动性，随着组分中CaF2比例的提高，液态熔渣的导电能力增强，进而产生足够的热量使得镍基焊带、焊剂以及少量的母材熔化，保证电渣过程稳定进行。
3.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述Al2O3是焊剂成分中常用的一种玻璃体造渣材料，Al2O3与CaF2组合构成的渣系是电渣堆焊的常用的基础渣系，二者在合适的比例能够得到导电能力优良，熔渣流动性良好的液态熔渣，而Al2O3含量过多将会降低熔渣导电能力；另一方面，焊剂组分中有Al2O3的加入可以使焊道表面的鱼鳞波纹细小，同时Al2O3与CaF2组合能够起到脱硫的作用。
4.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述SiO2是主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，同时在高温到低温的过程中SiO2会经历相变过程，并且在相变的同时还伴有体积变化，有利于渣壳剥离，SiO2加入量大于2重量份时，对熔渣的剥离性有不利影响。
5.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述CaO是造渣主要成分，调节熔渣碱度，并且能有效提高焊剂抗大电流能力，改善熔渣表面张力和界面张力。
6.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述ZrO2是具有负的线膨胀系数，在冷却过程中体积变化，对渣壳顺利剥离有正面作用，并且ZrO2可以调节渣池粘度，改善焊道成型。
7.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述KF是低熔点氟化物，可以提高液态渣池的导电能力，同时其熔点较低，也可以对渣池的粘度和流动性进行改善。
8.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述合金的加入可以对焊接过程中的元素烧损进行补充，保证堆焊金属的成分从而保证堆焊层的耐腐蚀性。
9.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂，其特征是：所述水玻璃主要作用是粘结粉体，水玻璃加入量小于所要求的最低量时，焊剂造粒过程中成粒效果变差；加入量过多时，会向配方中引入较多的SiO2，对焊剂工艺性产生不利影响。
10.根据权利要求1～9任一权利要求所述的一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂的一种镍基带极电渣堆焊用烧结焊剂的制造方法，其特征是：将CaF2以萤石的形式，Al2O3以α-氧化铝的形式，SiO2以石英的形式，CaO以大理石的形式，ZrO2以锆英砂的形式，KF以氟化钾的形式，合金是以合金粉末的形式加入，水玻璃以纯钠水玻璃的形式加入，按常规烧结焊剂生产工艺制造，各组分加入重量份数为萤石58～64份，α-氧化铝18～23份，石英0～2份，大理石2～4份，氟化钾1～4份，锆英砂0.5～1份，合金粉末0.5～1份，将上述比例粉料充分混合均匀，然后加入14～16份的纯钠水玻璃作为粘结剂，与均匀混合后的粉料搅拌均匀，再经湿混造粒后进行低温烘干，烘干温度为200℃～250℃而后再经700℃～750℃高温烧结得到烧结焊剂。
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