CN105234578A - 一种船用埋弧焊组合烧结焊剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，包括表面焊剂和衬垫焊剂，表面焊剂由表面焊料和水玻璃制备而成，其中表面焊料由MgO、Al2O3、CaO、BaF2、MnO、SiO2、TiO2、Fe粉、硼砂、稀土硅铁、钛铁、锰铁、钼铁、金属镍粉、稀土混合而成；衬垫焊剂由衬垫焊料和水玻璃制备而成，其中衬垫焊料由TiO2、SiO2、MgO、CaO、BaF2、MnO、Fe粉、硼砂、钼铁、金属镍粉、稀土混合而成。本发明还公开了上述船用埋弧焊用组合烧结焊剂的制备方法。本发明的组分配方焊接电弧稳定、烟尘少，焊缝成形美观，过渡平滑，焊道整齐无咬边等缺陷。

Description

一种船用埋弧焊组合烧结焊剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及船体平面分段建造高效焊接工艺，尤其是焊剂铜衬垫法多丝单面埋弧自动焊工艺所使用的焊剂。特别涉及一种船用高效埋弧焊组合烧结焊剂及其制备方法，该船用高效埋弧组合烧结焊剂可以应用于双电极及多电极的高效埋弧自动焊接工艺。
背景技术：
随着船舶吨位的大型化，船体建造中大量采用了分段建造法然后进行拼接。以往拼接采用埋弧自动单面焊，但由于板厚和拼板接缝长度的增加，分段的重量和占用面积也随之增加，这给分段翻身封底焊带来了很大的困难，而且对厂房的高度及超重设备的数量都有较高的要求。同时，双面焊效率低，占用工位时间长，很难满足大中型造船厂快节奏、高效率的生产需要。为此，20世纪80年代以来，日本开发一系列适用造船焊接的单面焊接技术，如铜垫板法、焊剂垫法(RF)、焊剂铜衬垫法(FCB法)等单面焊双面成型技术。
FCB法是综合了上述前两种焊接方法的优点而发展起来的，应用最为广泛。随着我国船舶工业的兴起，单面焊双面成型多丝埋弧高效焊接方法在国内的使用越来越广泛。然而，国内对应FCB法用单面焊双面成型的焊接材料，还存在焊接钢板厚度限制和等级限制的问题，
申请人原专利ZL200810034817.5所公开的“一种埋弧烧结焊剂及其生产方法”，其埋弧烧结焊剂适用钢板焊接的最佳厚度范围为15～30mm，对于钢板厚度8～15mm及30～40mm的焊接还存在一定的不足。中国发明专利公开号CN103962751A也公开了一种用于单面焊双面成形的“高效埋弧焊用烧结焊剂及其生产工艺”，其产品解决了厚度在20～30mm的条件下，焊缝机械性能达到船级社3Y级的要求，但未能涉及钢板厚度8～15mm及30～40mm的FCB法关键焊接技术。
FCB法焊接工艺应用于薄板焊接的难点在于：在多电极高速焊接条件下，难以获得良好的表面焊缝成型，另外，伴随着钢板曲翘变形，钢板容易被焊穿，很难获得良好的背面焊缝成型。FCB法焊接工艺应用于厚板焊接的难点在于：焊接电流大，热输入量高，更难以难获得优良的焊缝成型和机械性能，尤其是当板厚接近40mm时，焊接电流高达1650A,焊接热输入量高达260KJ/cm的严酷焊接条件下，很难获得完整的焊缝成型和优良的焊缝机械性能。
因此，研制出适用范围更广的单面焊双面成型的FCB法焊材，就成为更进一步推广FCB法高效焊接方法、降低生产成本的关键。
发明内容：
本发明所要解决的关键技术问题之一在于克服现有技术的不足，提供一种船用埋弧焊用组合烧结焊剂，解决包括钢板厚度在8～15mm及30～40mm范围内的单面焊双面成型的FCB法焊接难题；同时，焊缝金属机械性能满足船级社3Y级要求。
本发明所要解决的关键技术问题之二在于提供上述船用埋弧焊用组合烧结焊剂的制备方法。
本发明所要解决的关键技术问题可以通过以下技术方案来实现：本发明的船用埋弧焊用组合烧结焊剂在原专利产品基础上，调整高熔点氧化物MgO含量到30％以上，提高表面焊剂在焊接过程中对大电流、高热输入的承载能力；同时，为了保持焊接熔池粘度适中和降低焊缝金属中[H]含量，在焊剂中加入3～5％的BaF2，改善焊缝表面成型和焊缝金属机械性能。
本发明的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，包括表面焊剂和衬垫焊剂，所述表面焊剂由表面焊料和表面焊料重量的20％水玻璃制备而成，其中所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO31～35％；Al2O314～19％；CaO3～5％；BaF23～5％；MnO3～6％；SiO26～9％；TiO22～3％；Fe粉17～22％；硼砂0.5～1.5％；稀土硅铁1～2％；钛铁1～1.5％；锰铁1～2％；钼铁0.5～1％；金属镍粉1～2％；稀土0.5～1％；
所述衬垫焊剂由衬垫焊料和衬垫焊料重量的20％水玻璃制备而成，其中所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO235～38％；SiO215～19％；MgO10～15％；CaO6～10％；BaF23～5％；MnO3～5％；Fe粉7～12％；硼砂0.5～1％；钛铁3～5％；钼铁0.5～1％；金属镍粉1～2％；稀土0.5～1％；。
在本发明的一个优选实施例中，所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO35％；Al2O316％；CaO4％；BaF23％；MnO3％；SiO26％；TiO22％；Fe粉22％；硼砂0.5％；稀土硅铁2％；钛铁1.5％；锰铁2％；钼铁0.5％；金属镍粉2％；稀土0.5％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO237％；SiO217％；MgO10％；CaO10％；BaF25％；MnO3％；Fe粉10％；硼砂1％；钛铁4％；钼铁0.5％；金属镍粉2％；稀土0.5％。
在本发明的一个优选实施例中，所述表面焊料由以下质量百分比的原料制混合而成：
MgO31％；Al2O319％；CaO5％；BaF24％；MnO5％；SiO29％；TiO22.5％；Fe粉17％；硼砂1％；稀土硅铁1％；钛铁1.5％；锰铁1％；钼铁1％；金属镍粉1％；稀土1％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO235％；SiO219％；MgO15％；CaO8.5％；BaF24％；MnO5％；Fe粉7％；硼砂0.5％；钛铁3％；钼铁1％；金属镍粉1％；稀土1％。
在本发明的一个优选实施例中，所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO33％；Al2O314％；CaO3％；BaF25％；MnO6％；SiO27.5％；TiO23％；Fe粉20％；硼砂1.5％；稀土硅铁1.5％；钛铁1％；锰铁1.5％；钼铁0.5％；金属镍粉1.5％；稀土1％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO238％；SiO215％；MgO13％；CaO6％；BaF23％；MnO4.5％；Fe粉12％；硼砂0.5％；钛铁5％；钼铁0.5％；金属镍粉1.5％；稀土1％。
本发明的所述的埋弧焊用组合烧结焊剂的生产方法，包括如下步骤：
(1)表面焊剂的制备
按比例称取表面焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至10～50目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用；
(2)衬垫焊剂的制备
按比例称取衬垫焊料中各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～60目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用。
本发明的有益效果是：本发明焊剂用于焊剂铜垫多丝单面埋弧自动焊(FCB法)，既能满足造船厂对钢板厚度最小至8mm的高速焊接，又能满足钢板厚度最大至40mm的超大线能量焊接，大大增加了FCB法高效焊接工艺在船舶建造中的使用范围；
由于高熔点氧化物MgO大量加入，本发明焊剂能在焊接过程中吸收多余的电弧热量，避免过热引起的焊缝组织粗大，确保焊缝组织均匀、细小，机械性能优良，满足船级社3Y级要求；在焊剂中加入3～5％的BaF2，能调整焊接熔池粘度，降低焊缝金属中[H]含量，改善焊缝表面成型和焊缝金属机械性能。
本发明的组分配方焊接电弧稳定、烟尘少，焊缝成形美观，过渡平滑，焊道整齐无咬边等缺陷。
附图说明
图1为本发明的FCB法三电极布置示意图。
图2为本发明的FCB法双电极布置示意图。
图3为本发明的焊接试验规范示意图。
图4为本发明实施例1和3与中国专利ZL200810034817.5所公开的一种埋弧烧结焊剂和中国发明专利公开号CN103962751A公开了的高效埋弧焊用烧结焊剂分别施焊8mm和40mm钢板的焊接工艺性能进行对比试验。焊缝外观质量对比示意图。
具体实施方式：
各实施例的表面焊剂由表面焊料和表面焊料重量的20％水玻璃制备而成，衬垫焊剂由表面焊料和表面焊料重量的20％水玻璃制备而成；具体制备方法如下：
(1)表面焊剂的制备
按比例称取表面焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至10～50目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用；
(2)衬垫焊剂的制备
按比例称取衬垫焊料中各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～60目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用。
各实施例的表面焊料和衬垫焊料重量配比如表1所示：
表1
采用本发明实施例1至3所得的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，匹配FCB法专用埋弧焊丝进行焊接试验，详细试验情况如下：
试验用FCB法焊接设备如表2所示：
表2
焊丝成分
FCB法专用埋弧焊丝的规格及成分如表3所示：
表3
试验用钢板
试验用钢板的等级及规格如表4所示：
表4
试验编号 钢板等级 钢板规格
实施例一 AH32 8mm
实施例二 DH36 25mm
实施例三 EH36 40mm
焊接试验规范
焊接试验规范如图3所示：
机械性能试验结果
焊接接头力学性能测试结果如表5所示：
表5
工艺性能试验结果
按照图3的焊接规范，对本发明实施例1和3与中国专利ZL200810034817.5所公开的一种埋弧烧结焊剂和中国发明专利公开号CN103962751A公开了的高效埋弧焊用烧结焊剂分别施焊8mm和40mm钢板的焊接工艺性能进行对比试验。焊缝外观质量对比如图4所示：
试验结果分析
据表5和图4可知，本发明运用于FCB法高效焊接方法，无论是薄板高速小线能量焊接，还是厚板超大线能量焊接，均能获得良好的机械性能和焊缝成型，满足船级社对该类焊材的3Y级的评定要求。重点考核的-20℃低温冲击吸收功，均能稳定在一个比较合适的范围，且具有较大的富余量。
以上试验结果表明：在原发明焊剂产品的基础上，增加高熔点氧化物MgO配比到(31～35)％，能吸收焊接过程中多余的电弧热量，避免过热引起的焊缝组织粗大，确保焊缝组织均匀、细小；焊剂中加入3～5％的BaF2，在焊接电弧作用下产生大量的[Ba2+]和[F-]，产生的[Ba2+]在高碱度熔渣环境下改善焊接熔池状态，获得良好的焊缝表面成型；同时，大量[F-]与熔池中结合生成HF气体而挥发，降低焊缝金属中[H+]含量，改善焊缝金属机械性能。
本发明能应用于国内外各造船厂的FCB法平面分段流水线，适用于钢板等级范围为A～EH36,钢板厚度范围8～40mm。

Claims (5)

1.船用埋弧焊用组合烧结焊剂，包括表面焊剂和衬垫焊剂，所述表面焊剂由表面焊料和表面焊料重量的20％水玻璃制备而成，其中所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO31～35％；Al2O314～19％；CaO3～5％；BaF23～5％；MnO3～6％；SiO26～9％；TiO22～3％；Fe粉17～22％；硼砂0.5～1.5％；稀土硅铁1～2％；钛铁1～1.5％；锰铁1～2％；钼铁0.5～1％；金属镍粉1～2％；稀土0.5～1％；
所述衬垫焊剂由衬垫焊料和衬垫焊料重量的20％水玻璃制备而成，其中所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO235～38％；SiO215～19％；MgO10～15％；CaO6～10％；BaF23～5％；MnO3～5％；Fe粉7～12％；硼砂0.5～1％；钛铁3～5％；钼铁0.5～1％；金属镍粉1～2％；稀土0.5～1％。
2.如权利要求1所述的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，其特征在于，所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO35％；Al2O316％；CaO4％；BaF23％；MnO3％；SiO26％；TiO22％；Fe粉22％；硼砂0.5％；稀土硅铁2％；钛铁1.5％；锰铁2％；钼铁0.5％；金属镍粉2％；稀土0.5％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO237％；SiO217％；MgO10％；CaO10％；BaF25％；MnO3％；Fe粉10％；硼砂1％；钛铁4％；钼铁0.5％；金属镍粉2％；稀土0.5％。
3.如权利要求1所述的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，其特征在于，所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO31％；Al2O319％；CaO5％；BaF24％；MnO5％；SiO29％；TiO22.5％；Fe粉17％；硼砂1％；稀土硅铁1％；钛铁1.5％；锰铁1％；钼铁1％；金属镍粉1％；稀土1％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO235％；SiO219％；MgO15％；CaO8.5％；BaF24％；MnO5％；Fe粉7％；硼砂0.5％；钛铁3％；钼铁1％；金属镍粉1％；稀土1％。
4.如权利要求1所述的船用埋弧焊用组合烧结焊剂，其特征在于，所述表面焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
MgO33％；Al2O314％；CaO3％；BaF25％；MnO6％；SiO27.5％；TiO23％；Fe粉20％；硼砂1.5％；稀土硅铁1.5％；钛铁1％；锰铁1.5％；钼铁0.5％；金属镍粉1.5％；稀土1％；
所述衬垫焊料由以下质量百分比的原料混合而成：
TiO238％；SiO215％；MgO13％；CaO6％；BaF23％；MnO4.5％；Fe粉12％；硼砂0.5％；钛铁5％；钼铁0.5％；金属镍粉1.5％；稀土1％。
5.权利要求1至4任一项权利要求所述的埋弧焊用组合烧结焊剂的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)表面焊剂的制备
按比例称取表面焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至10～50目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用；
(2)衬垫焊剂的制备
按比例称取衬垫焊料中各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～60目，再于高温炉中进行400～500℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮包装的真空包装袋中供焊接生产使用。
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