CN108581270A - 一种lpg船焊接用烧结焊剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种LPG船焊接用烧结焊剂及其制备方法与应用。所述的LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，包含如下按质量份计的组分：CaF212～18份；MgO 25～33份；Al2O315～20份；CaO 5～8份；SiO29～15份；TiO25～9份；MnO 0.5～2.5份；稀土硅铁1～3份；ZrO20.5～2份；硼铁0.1～0.5份；金属合金1～3份；水玻璃15～20份；该焊剂与EH14埋弧焊丝匹配，工艺性较好，低温韧性优良，适用于LPG船建造用大线能量焊接，低温韧性好、抗裂纹敏感性好，且成本较低，具有较大的市场推广前景和良好的经济效益。

Description

一种LPG船焊接用烧结焊剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种LPG船焊接用烧结焊剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国经济的迅速发展、石油资源的短缺和国家环保力度的加大，液化石油气(LPG)开发已成为我国能源开发的热点，越来越受到重视。
近年来LPG项目蓬勃发展，LPG船建造项目也逐渐增加，LPG船建造焊接成型相配套的焊材需求量也逐渐增加，尤其是埋弧焊材，目前主要从韩国、日本等国家进口，采购成本较高，采购周期较长，对国内LPG项目的实施有一定的局限作用。对于LPG船建造用焊接材料，国内相关研究起步较晚，目前积累了一些经验，但尚需进一步完善和提高。
迄今为止，适用于要求低温冲击韧性且可以采用大线能量焊接的相关的专利并不多，检索到的有以下几个：
(1)一种船用低温钢埋弧烧结焊剂(申请号201710010060.5)，该发明专利渣系、配套焊丝、适用范围及熔敷金属性能，与本专利所描述的均不一样。
(2)低温钢埋弧焊用药芯焊丝及焊剂(申请号201410730460.x)，该发明专利为药芯焊丝，焊剂的渣系、适用范围及熔敷金属性能，与本专利所描述的均不一样。
(3)一种海洋工程用高碱度、高韧性埋弧焊剂及其制备方法(申请号201410337433.6)，该发明专利焊剂的渣系、适用范围及熔敷金属性能，与本专利所描述的均不一样。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种LPG船建造焊接用烧结焊剂，该焊剂与符合ASMEⅡSFA-5.17的EH14埋弧焊丝匹配，工艺性较好，低温韧性优良，适用于LPG船建造用大线能量焊接，可以适用于埋弧焊，低温韧性好、抗裂纹敏感性好，且成本较低，低于进口的同类焊剂，具有较大的市场推广前景和良好的经济效益。
本发明的另一目的在于提供上述LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述LPG船焊接用烧结焊剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，主要渣系主要由CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2系组成，包含如下按质量份计的组分：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的各组分的加入方式优选为：
CaF2以萤石的形式，MgO以镁砂的形式，Al2O3以α-氧化铝的形式，CaO以硅灰石和大理石的形式，SiO2以硅灰石和石英的形式，TiO2以金红石的形式加入，MnO以锰矿的形式加入，ZrO2以氧化锆的形式，水玻璃以钾-钠水玻璃的形式加入；
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的各组分的加入方式进一步优选为：
金属合金以钛铁合金、钼铁合金和锆铁合金中的至少一种的形式加入；
所述的萤石的粒度优选为≤120目；其化学成分优选为CaF2≥95.0wt％，SiO2≤1.00wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；
所述的镁砂的粒度优选为≤120目；其化学成分优选为MgO≥98.0wt％，Si≤0.45wt％，S≤0.050wt％，P≤0.050wt％；
所述的α-氧化铝的粒度优选为≤120目；其化学成分优选为Al2O3≥99wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％；
所述的硅灰石的粒度优选为≤120目；其化学成分优选为CaSiO3≥80wt％，SiO2≥40wt％，CaO≥42wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％；
所述的大理石的粒度优选为120目；其化学成分优选为CaCO3≥98.0wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；
所述的石英的粒度优选为≤80目；其化学成分优选为SiO2≥95.0wt％，S≤0.020wt％，P≤0.020wt％；
所述的金红石的粒度优选为≤120目；其化学成分优选为TiO2≥95.0wt％，S≤0.020wt％，P≤0.020wt％；
所述的锰矿的粒度优选为≤80目；其化学成分优选MnO≥50.0wt％，S≤0.015wt％，P≤0.06wt％；
所述的钾-钠水玻璃的化学成分优选为M＝3.0，钾：钠为1：1，SiO2≥28％、K2O≥6％、Na2O≥5％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料造粒，干燥，高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂；
步骤(3)中所述的造粒优选在造粒盘中进行；
步骤(3)中所述的干燥的温度优选为300～400℃；
步骤(3)中所述的高温烧结的温度优选为660℃～750℃；
所述的LPG船焊接用烧结焊剂可进一步包装、入库；
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的粒度优选为12～40目，颗粒粒径过大将会使焊接过程不稳定，粒径过小则对工况条件下的焊接过程有不利影响(如透气性差、易吸潮等)；
所述的LPG船焊接用烧结焊剂在焊接领域中的应用；
本发明的原理：
CaF2是碱性氧化物，为熔渣主要组成部分，在焊剂中属于造渣剂和稀释剂。熔融状态的CaF2流动性较好，可以能降低熔渣的粘度、熔点和表面张力，提高熔渣的流动性。另外，CaF2对降低焊缝金属的扩散氢作用也比较明显。本发明实验结果表明，CaF2的含量不能低于12份，过低的含量容易造成铺展较差，并焊缝金属表面产生较多压坑。另外，本发明的实验结果表明，CaF2的含量不能超过18份，过高的CaF2的含量将会使熔渣粘度过低，造成焊道成型不良。
MgO是一种强碱性氧化物，为熔渣主要组成部分。在碱性渣系中，它可以提高焊缝金属的冲击韧性。本发明研究结果表明MgO的含量不能超过33份，过多的MgO会增加熔渣的粘度，提高熔渣的凝固温度，降低熔渣的流动性，严重影响焊缝的铺展性。但MgO含量不能低于25份，过低的MgO一方面会造成焊剂熔点过低，导致焊缝成型不良，一方面会造成熔渣碱度过低，导致焊缝金属的低温韧性下降。
Al2O3是一种中性氧化物，为焊剂的主要组成部分。在焊剂中是一种重要的玻璃体造渣材料，Al2O3是熔渣粘度的调节剂，能调整熔渣的流动性，具有增大熔渣表面张力的作用。本发明研究结果表明Al2O3的含量不能超过20份，过多的Al2O3会使焊缝中产生气孔和麻点，但Al2O3不能低于15份，过低的Al2O3可使焊缝表明凹凸不平，影响焊缝成型。
CaO是一种强碱性氧化物、为熔渣主要组成部分。可调节熔渣碱度，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。本发明研究结果表明CaO的含量不能超过8份，过多的CaO会降低熔渣的流动性，使焊缝铺展性变差；但CaO不能低于5份，过低的CaO导致焊剂碱度下降，会降低焊缝金属的低温韧性。
SiO2是一种酸性物质，主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，对焊缝的成型非常重要。本发明研究结果表明SiO2加入量大于15份时，焊缝金属增硅较严重，焊缝金属非金属夹杂物增多，导致焊缝金属低温韧性下降，但SiO2的加入量不能小于9份，否则将导致焊缝成型不良。
TiO2是一种碱性氧化物，与硼铁适量比例，组成钛-硼系可稳定焊缝金属组织，确保低温冲击韧性。
MnO是一种碱性金属氧化物，不仅可以改善焊剂的透气性，在形成熔渣的同时可以提高熔渣中Mn氧化物的浓度，降低焊接过程中氧化还原反应剧烈程度、稳定焊接过程，减少熔敷金属中Mn元素的烧损。
稀土硅铁在起到焊缝金属脱氧的同时，具有细化晶粒的作用，对焊缝金属的低温冲击韧性起到良好的促进作用。
ZrO2是一种酸性氧化物，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，同时可以向焊缝金属中过渡一定量的Zr，提高熔敷金属的低温韧性。
硼铁在起到焊缝金属脱氧的同时，在焊缝金属中形成经典的Ti-B系，具有良好的细化晶粒作用，对焊缝金属的低温冲击韧性起到良好的促进作用。
金属合金：主要为钛铁合金、钼铁合金、锆铁合金，主要起到脱氧、细化晶粒及降低焊缝金属回火脆性的作用。
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。
本发明采用以下途径提高LPG船焊接用烧结焊剂的性能：
(1)在原材料选择方面，尽量选用P、S等杂质元素含量较低的原材料(包括粉料和水玻璃)，以减少S、P质向熔敷金属中的过渡，提高熔敷金属的纯净度，有利有提高其低温韧性。
(2)采用CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2渣系。该渣系的特点是碱度高，能有效降低焊缝金属非金属夹杂物的含量，降低焊缝金属氧含量，提高其低温韧性。
(3)焊剂中含有一定量的稀土硅铁。稀土硅铁一方面可以改善脱渣性，一方面可以起到细化晶粒，稳定焊缝金属中针状铁素体，提高焊缝金属低温韧性的作用。
(4)焊剂中含有较高的CaF2氟化物和SiO2相互作用，可起到良好的脱氢效果。
(5)焊剂中加入一定量的大理石，可以提高电弧气氛的氧化性，降低电弧气氛的氢分压，从而降低扩散氢。
(6)焊剂中含有比例量适配的金红石、硼铁，在不同线能量焊接的情况下，均可起到细化焊缝金属晶粒、获得针状铁素体组织，确保焊缝稳定的低温冲击韧性。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供的LPG船焊接用烧结焊剂工艺性良好，在较宽的工艺规范窗口下，电弧稳定，脱渣容易，焊道成型美观。
(2)本发明提供的LPG船焊接用烧结焊剂生产适应性良好，焊剂颗粒度均匀。
(3)本发明提供的LPG船焊接用烧结焊剂与符合ASMEⅡSFA-5.17的EH14实心焊丝配合，熔敷金属成分稳定，屈服强度大于390MPa，抗拉强度大于510MPa，延伸率大于23％，-60℃夏比冲击功大于100J(侧向膨胀量大于0.38)，-75℃夏比冲击功大于60J(侧向膨胀量大于0.38)。
(4)本发明提供的LPG船焊接用烧结焊剂与LPG船建造用FH40母材，可适合15～50KJ/cm线能量的平位置焊接。
(5)本发明提供的LPG船焊接用烧结焊剂与小直径(≤3.2mm)焊丝匹配，可适用于埋弧平焊、横焊位置焊接，横焊位置焊接焊道间融合良好，焊缝成型良好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所述组分均为市购；
实施例1
一种LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，主要渣系主要由CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2系组成，包含如下按质量份计的组分：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除钾-钠水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与钾-钠水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料在造粒盘中造粒，350℃干燥，700℃高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂，其中，LPG船焊接用烧结焊剂的粒度为12～40目。
实施例2
一种LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，主要渣系主要由CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2系组成，包含如下按质量份计的组分：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除钾-钠水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与钾-钠水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料在造粒盘中造粒，300℃干燥，660℃高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂，其中，LPG船焊接用烧结焊剂的粒度为12～40目。
实施例3
一种LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，主要渣系主要由CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2系组成，包含如下按质量份计的组分：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除钾-钠水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与钾-钠水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料在造粒盘中造粒，400℃干燥，750℃高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂，其中，LPG船焊接用烧结焊剂的粒度为12～40目。
对比实施例
一种LPG船焊接用烧结焊剂，为氟碱性烧结焊剂，主要渣系主要由CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2系组成，包含如下按质量份计的组分：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除钾-钠水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与钾-钠水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料在造粒盘中造粒，400℃干燥，750℃高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂，其中，LPG船焊接用烧结焊剂的粒度为12～40目。
效果实施例
实施例1～3以及对比实施例制得的焊剂的各原料组分的化学成分要求如表1所示。
表1实施例1～3以及对比实施例制得的焊剂的各原料组分的化学成分要求
原材料名称 粒度(目) 化学成分(wt％)
萤石 ≤120 CaF2≥95.0，SiO2≤1.00，S≤0.010，P≤0.010
镁砂 ≤120 MgO≥98.0，Si≤0.45，S≤0.050，P≤0.050
α-氧化铝 ≤120 Al2O3≥99，S≤0.035，P≤0.035
硅灰石 ≤120 CaSiO3≥80，SiO2≥40，CaO≥42，S≤0.035，P≤0.035
大理石 120 CaCO3≥98.0，S≤0.010，P≤0.010
石英 ≤120 SiO2≥95.0，S≤0.020，P≤0.020
金红石 ≤80 TiO2≥95.0，S≤0.020，P≤0.020
锰矿 ≤80 MnO≥50.0，S≤0.015，P≤0.06
稀土硅铁 ≤120 S≤0.010，P≤0.010
ZrO2 ≤120 S≤0.010，P≤0.010
硼铁 ≤120 S≤0.010，P≤0.010
金属合金 ≤120 S≤0.010，P≤0.010
钾-钠水玻璃 - M＝3.0，SiO2≥28％、K2O≥6％、Na2O≥5％，S≤0.010，P≤0.010
将实施例1～3以及对比实施例制得的焊剂进行检测，在焊接试验前将焊剂经过320～350℃烘焙1小时，然后分别匹配符合ASMEⅡSFA-5.17的EH14实心埋弧焊丝，以Φ5.0mm焊丝为例，焊接工艺参数为：焊接电源直流反接，焊接电流600～650A，焊接电压32～35V，道间温度100～150℃，测试结果如表2～4所示。
表2实施例1～3制得的焊剂的熔敷金属化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn Ti B Ni S P
实施例1 0.017 0.142 1.73 0.020 0.0020 0.45 0.0028 0.012
实施例2 0.013 0.130 1.76 0.019 0.0018 0.51 0.0026 0.011
实施例3 0.016 0.118 1.81 0.020 0.0019 0.47 0.0028 0.011
对比实施例 0.015 0.108 1.76 0.020 0.0019 0.49 0.0022 0.009
表3实施例1～3制得的焊剂的熔敷金属力学性能
表4实施例1～3制得的焊剂的熔敷金属扩散氢(ml/100g)
实施例1 3.61
实施例2 3.22
实施例3 3.05
对比实施例 3.11
本发明制得的焊剂工艺性能优良，扩散氢低，与符合ASMEⅡSFA-5.17的EH14实心焊丝配合，可满足低温条件下服役的FH40钢不同线能量的焊接，与对比实施例相比，具有更好的低温韧性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于包含如下按质量份计的组分：
2.根据权利要求1所述的LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的各组分的加入方式为：
CaF2以萤石的形式，MgO以镁砂的形式，Al2O3以α-氧化铝的形式，CaO以硅灰石和大理石的形式，SiO2以硅灰石和石英的形式，TiO2以金红石的形式加入，MnO以锰矿的形式加入，ZrO2以氧化锆的形式，水玻璃以钾-钠水玻璃的形式加入。
3.根据权利要求2所述的LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于：
所述的金属合金以钛铁合金、钼铁合金和锆铁合金中的至少一种的形式加入。
4.根据权利要求2所述的LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于：
所述的硅灰石的粒度为≤120目；其化学成分为CaSiO3≥80wt％，SiO2≥40wt％，CaO≥42wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％。
5.根据权利要求1所述的LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于：
所述的锰矿的粒度为≤80目；其化学成分为MnO≥50.0wt％，S≤0.015wt％，P≤0.06wt％。
6.根据权利要求1所述的LPG船焊接用烧结焊剂，其特征在于：
所述的钾-钠水玻璃的化学成分为M＝3.0，钾：钠为1：1，SiO2≥28％、K2O≥6％、Na2O≥5％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％。
7.权利要求1～6任一项所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)将LPG船焊接用烧结焊剂的各组分除水玻璃外进行配料并干混，得到混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料与水玻璃湿混均匀，得到湿混料；
(3)将步骤(2)制得的湿混料造粒，干燥，高温烧结，得到LPG船焊接用烧结焊剂。
8.根据权利要求7所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的高温烧结的温度为660℃～750℃。
9.根据权利要求7所述的LPG船焊接用烧结焊剂的制备方法，其特征在于：
所述的LPG船焊接用烧结焊剂的粒度为12～40目。
10.权利要求1～6任一项所述的LPG船焊接用烧结焊剂在焊接领域中的应用。
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