CN105127610A - 一种碱性焊接衬垫材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱性焊接衬垫材料，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：40％-75％MgO和/或CaO、15％-40％SiO2、0％-25％Al2O3、0-3％Fe2O3、0.5-4％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1。本发明的有益效果是：该碱性焊接衬垫材料通过优选材料配方，控制衬垫熔渣的碱度，调节衬垫熔渣的物理化特性，满足高强度高韧性焊接接头的要求。使用本发明的衬垫材料进行焊接，无论是平焊还是在立焊位置，其焊缝成型均匀光滑。焊缝的机械性能尤其是低温冲击韧性与传统的堇青石类衬垫材料相比，有显著的提高。除此之外，通过调整原材料的配方，控制衬垫熔渣的碱度，从而满足不同机械性能要求的焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种衬垫焊中所使用的衬垫材料，具体是一种能够应用于高强度、高韧性接头性能要求的碱性焊接衬垫材料，属于金属材料焊接领域。
背景技术
一般而言，传统的衬垫焊所用的衬垫材料是以堇青石(Cordierite)为主相的衬垫材料，该衬垫材料重量百分比以：40％-60％SiO2、30％-45％Al2O3、3％-18％MgO为代表。这种堇青石类衬垫材料虽然在背面焊缝成型方面具有优良的效果，但是由其组成的衬垫熔渣碱度低，只能适用于一般焊接接头机械性能，特别是低温冲击性能要求不高的金属材料的焊接。
随着高性能钢材的不断涌现，通过提高钢材的性能级别，降低钢材的使用厚度，减少钢材的相对使用量进而减少排放，已成为钢铁材料发展的一个趋势。钢铁材料本身性能的提高需要焊接接头的性能与之匹配。传统的堇青石类衬垫材料，由于其衬垫熔渣的碱度很低(小于0.3)，在焊接过程中，衬垫熔渣与焊缝金属发生冶金反应，引起焊缝中细小的氧化物夹渣，这种夹渣对于焊缝的强度影响不大，但使焊缝的冲击韧性特别是低温冲击韧性显著降低。因此对于要求低温冲击性能钢铁材料的焊接，堇青石类衬垫材料不能满足焊接接头性能要求。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种碱性焊接衬垫材料，从根本上解决已有堇青石类焊接衬垫材料由于衬垫熔渣碱度低所引起的焊缝性能达不到使用要求，其具有高碱度，能够确保焊缝成型质量。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种碱性焊接衬垫材料，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：40％-75％MgO和/或CaO、15％-40％SiO2、0％-25％Al2O3、0-3％Fe2O3、0.5-4％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1。
进一步，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：50％-70％MgO和/或CaO、20％-35％SiO2、1％-15％Al2O3、0.5-2％Fe2O3、1-3％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1.5。
进一步，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
一种碱性焊接衬垫材料的制造方法，该制造方法包括：
1)、将原材料MgO和/或CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O和/或K2O按照一定比例充分混合；
2)、充分混合后的原材料压制成型，并且烧结成衬垫块；
3)、将烧结好的衬垫块与铝箔压敏胶带装配在一起。
优选的，原材料各组分重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
本发明的有益效果是：该碱性焊接衬垫材料通过优选材料配方，控制衬垫熔渣的碱度，调节衬垫熔渣的物理化特性，满足高强度高韧性焊接接头的要求。使用本发明的衬垫材料进行焊接，无论是平焊还是在立焊位置，其焊缝成型均匀光滑。焊缝的机械性能尤其是低温冲击韧性与传统的堇青石类衬垫材料相比，有显著的提高。除此之外，通过调整原材料的配方，控制衬垫熔渣的碱度，从而满足不同机械性能要求的焊接接头。
附图说明
图1为本发明衬垫使用安装结构示意图；
图中：1、衬垫块，2、铝箔压敏胶带，3、钢板，4、打底焊，5、填充焊。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种碱性焊接衬垫材料，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：40％-75％MgO和/或CaO、15％-40％SiO2、0％-25％Al2O3、0-3％Fe2O3、0.5-4％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1。
作为该技术方案的改进方案：所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：50％-70％MgO和/或CaO、20％-35％SiO2、1％-15％Al2O3、0.5-2％Fe2O3、1-3％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1.5。
作为该技术方案的改进方案：所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
一种碱性焊接衬垫材料的制造方法，该制造方法包括：
1)、将原材料MgO和/或CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O和/或K2O按照一定比例充分混合；
2)、充分混合后的原材料压制成型，并且烧结成衬垫块；
3)、将烧结好的衬垫块与铝箔压敏胶带装配在一起。
优选的，原材料各组分重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
工作过程与原理：衬垫焊过程中，衬垫材料会被焊缝熔融金属的热量熔化一部分而成为衬垫熔渣，熔池底部的熔融金属与衬垫熔渣相互混合，发生冶金反应。其中，冶金反应方向及反应程度与熔渣的化学成分密切相关。根据焊接冶金学原理，焊接熔渣由酸性氧化物、碱性氧化物及其复合物组成，氧化物及其复合物处于平衡状态。因此，只有自由氧化物才能参加金属的冶金反应。焊接熔渣的酸碱性用熔渣的碱度来衡量，碱度为焊接熔渣中碱性氧化物的摩尔重量与酸性氧化物的摩尔重量之比。在衬垫熔渣中MgO、CaO、Na2O、K2O、Fe2O3属于碱性氧化物，SiO2、Al2O3属于酸性氧化物。传统的堇青石类衬垫材料形成熔渣碱度低，被熔化衬垫中的酸性氧化物将参与熔池底层金属中的化学冶金反应：
由于Mn氧化后形成MnO是碱性氧化物，易与衬垫中的酸性氧化物如SiO2结合，使(1)式反应向右进行，且是一个吸热反应。在熔渣温度高时，有利于反应向右进行，其冶金反应的结果是使底层焊缝中的锰含量降低，硅含量增加。当底层焊缝开始结晶时，温度降低，液态金属粘度增加，(1)式向左反应是一个放热反应。在温度降低时，(1)式向左反应，反应结果产生的SiO2由于熔池底层金属开始结晶，粘度大，SiO2无法从液态金属中分离。在底层焊缝金属中造成细小的SiO2夹渣，最终引起底层焊缝金属冲击韧性，尤其是低温冲击韧性的显著降低。
本发明的衬垫材料组分，通过减少酸性氧化物SiO2、Al2O3的含量，增加碱性氧化物MgO、CaO的含量，提高衬垫熔渣的碱度。(1)式的冶金反应与衬垫熔渣中自由的氧化物含量有关，在衬垫熔渣体系中，氧化物及其复合物处于平衡状态：
当碱性氧化物MgO、CaO含量增加，有利于(3)、(4)式反应向右进行，使衬垫熔渣中自由的SiO2减少，同事复合物MgO.SiO2、CaO.SiO2的增加，将会大大改善衬垫熔渣的特性。其熔渣的熔点更低，更容易聚集和从液态金属中分离，不会造成夹渣。这就是在熔池冶金反应过程中，碱性氧化物的增加，即熔渣碱度的提高，焊缝金属将更纯净、夹渣更少，是焊缝冲击韧性提高的根本原因。实践表明：在本发明规定范围之内的上述各组分，通过相互协调，综合影响控制熔渣的碱度，满足衬垫焊接头机械性能和工艺性能的要求。
实施例1：按最终成品材料中各氧化物组分的重量含量43.56％MgO和CaO、33.84％SiO2、18.42％Al2O3、1.53％Fe2O3、3.04％Na2O和K2O的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如粘土、长石、铝矾土、菱苦土等作为原料，将原料混合造粒后，经过压制、烧结得到衬垫熔渣碱度为1.06的衬垫块材料。
实施例2：按最终成品材料中各氧化物组分的重量含量54.21％MgO和CaO、27.64％SiO2、13.54％Al2O3、1.54％Fe2O3、2.74％Na2O和K2O的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如粘土、长石、铝矾土、菱苦土等作为原料，将原料混合造粒后，经过压制、烧结得到衬垫熔渣碱度为1.56的衬垫块材料。
实施例3：按最终成品材料中各氧化物组分的重量含量64.54％MgO和CaO、26.66％SiO2、7.2％Al2O3、1.68％Fe2O3、1.53％Na2O和K2O的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如粘土、长石、铝矾土、菱苦土等作为原料，将原料混合造粒后，经过压制、烧结得到衬垫熔渣碱度为2.05的衬垫块材料。
如图1所示，将上述实施例中所列得的陶质衬垫材料1的背面与铝箔压敏胶2粘贴在一起，再将铝箔压敏胶2连同陶质衬垫材料1装贴到焊接钢板3上，进行打底焊4和填充焊5，其试验条件如下：
试验钢板：板厚20mm，船用E级板
坡口形状：V型坡口，角度40°-50°，平焊间隙7mm
焊机：半自动CO2气体保护焊机
焊丝：Φ1.2mm,药芯焊丝
焊接规范：平焊打底焊180-190A，26V平焊填充焊，200-210、27V
立焊打底焊160-180A，24V立焊填充焊，180-200,26V
将焊接好的试板，分别在焊缝根部和焊缝表面，离钢板表面2mm处各取一组冲击试样。一组由三个冲击试样组成，取三个试样的平均值，试样尺寸10mm×10mm×55mm，试样的取样加工按GB/T18658-2005《摆锤式冲击试验机检验用夏比V型缺口标准试样》进行。冲击试验按GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行。
表1陶质衬垫材料熔渣碱度
表2平焊焊缝冲击试验结果
表3立焊焊缝冲击试验结果
由表1、表2和表3可以看出：本发明的实施例1-3，衬垫熔渣碱度均在1.0以上，焊缝根部冲击值随碱度增加而提高，并接近焊缝表面的冲击值。而比较例1-2是传统的堇青石类衬垫材料，不在本发明范围内，其焊缝根部冲击值低于焊缝表面冲击值的50％。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (5)
1.一种碱性焊接衬垫材料，其特征在于，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：40％-75％MgO和/或CaO、15％-40％SiO2、0％-25％Al2O3、0-3％Fe2O3、0.5-4％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1。
2.根据权利要求1所述的一种碱性焊接衬垫材料，其特征在于，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：50％-70％MgO和/或CaO、20％-35％SiO2、1％-15％Al2O3、0.5-2％Fe2O3、1-3％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于1.5。
3.根据权利要求1或2所述的一种碱性焊接衬垫材料，其特征在于，所述碱性焊接衬垫材料成品中各组分的重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
4.一种碱性焊接衬垫材料的制造方法，其特征在于，该制造方法包括：
1)、将原材料MgO和/或CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O和/或K2O按照一定比例充分混合；
2)、充分混合后的原材料压制成型，并且烧结成衬垫块；
3)、将烧结好的衬垫块与铝箔压敏胶带装配在一起。
5.根据权利要求4所述的一种碱性焊接衬垫材料的制造方法，其特征在于，原材料各组分重量百分比为：64.5％MgO和/或CaO、26.7％SiO2、7.2％Al2O3、0.6％Fe2O3、1.8％Na2O和/或K2O；且所述碱性焊接衬垫材料碱度大于2。
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2015
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