CN108581273A - 一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂及制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂及制备与应用。所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂其渣系主要由CaF₂‑CaO‑Al₂O₃‑SiO₂组成，包含如下按质量百分比计的组分：CaF₂：35～45份，Al₂O₃：30～40份，CaSiO₃：10～20份，CaCO₃：3～5份，NaF：1～2份，LiF：1～2份，ZrO₂：1～2份，硅铁合金：1～3份，水玻璃：18～20份。本发明通过配料、干混、湿混、造粒、烘干、烧结和筛分等步骤制得上述焊剂，该焊剂与相应的低温钢H07MnNiDR焊丝匹配，工艺性能良好，熔敷金属低温韧性优良，扩散氢非常低。

Description

一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂及制备与应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂及制备与应用。

背景技术

随着我国工业的快速发展，对能源的需求增多，用于低温环境的设备和储罐增多。这类设备多用09MnNiDR低温钢板，需要大量-70℃低温钢专用焊材。因其使用条件苛刻，对与其相配套的焊材要求也较高。目前国内相配套的焊条已经十分成熟，但是这类埋弧焊材熔敷金属在(620±10℃)×1h热处理后，普遍存在低温冲击韧性较低、不稳定的问题，给承压设备的施工建造带来很多麻烦。埋弧焊具有效率高、熔敷金属组织均匀、焊接质量好等优点。目前国内外与低温钢埋弧焊相关的专利并不多，检索到的专利有：高强度低温钢用埋弧焊丝及焊剂(公开号：CN 102233493 A)。此专利提出的埋弧焊主要适用于﹣50℃低温钢的焊接，﹣70℃时韧性较差。

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用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，该烧结焊剂为氟碱型烧结焊剂，与实心焊丝配合，工艺性较好，低温韧性优良，扩散氢低，可用于焊接低温钢。

本发明的另一目的在于提供上述用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其渣系主要由CaF₂-CaO-Al₂O₃-SiO₂组成，包含如下按质量份数计的组分：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的各组分的加入方式优选为：

CaF₂以萤石的形式，Al₂O₃以α-氧化铝的形式，CaSiO₃以硅灰石的形式，CaCO₃以大理石的形式，NaF以氟化钠的形式，LiF以氟化锂的形式，ZrO₂以锆英砂的形式，硅铁合金以硅铁合金粉末的形式，水玻璃以钾钠水玻璃的形式；

所述的萤石的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaF₂≥95.0wt％，SiO₂≤1.00wt％，S≤0.030wt％，P≤0.030wt％；

所述的α-氧化铝的粒度优选为80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80目，其化学成分优选为SiO₂≥40wt％，CaO≥42wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％；

所述的大理石的的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaCO₃≥98.0wt％，S≤0.030wt％，P≤0.030wt％；

所述的氟化钠的化学成分优选为NaF≥94.0wt％；

所述的氟化锂的化学成分优选为LiF≥99.0wt％；

所述的锆英砂的的粒度优选为60目，其化学成分优选为ZrO₂≥60.0wt％，SiO₂≥34wt％，S≤0.030wt％，P≤0.030wt％；

所述的硅铁合金的粒度优选为80目，其化学成分优选为Si：43.0～47.0wt％，C≤0.020wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；

所述的水玻璃的化学成分优选为K₂O≥10.5，Na₂O≥2.5，SiO₂≥29.0，S≤0.050，P≤0.050，模数：2.9，波美度：40～42°(20℃)；

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：

(1)将用于低温钢焊接的超低扩散氢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，高温烧结成型，筛分，得到用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂；

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100～150℃

步骤(3)中所述的高温烧结的温度优选为800℃～850℃；

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂可进一步包装；

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的粒度优选为10～60目，颗粒粒径过大将会使焊接过程不稳定，粒径过小则导致焊接过程透气性差，产生压坑；

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂适用于石油、化工设备脱乙烷塔、冷却器、丙烷低温储罐制造的焊接；

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。熔融状态的CaF₂流动性较好，可以降低熔渣的粘度，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CaF₂的含量低于35质量份时，容易造成焊缝铺展差。CaF₂的含量超过45质量份时，会使电弧不稳定，熔渣粘度过低，焊缝成型不良。

Al₂O₃是一种两性氧化物，为熔渣的主要组成部分，是一种重要的造渣剂。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Al₂O₃的含量低于30质量份时，可使焊缝表明凹凸不平，影响焊缝成型，超过40质量份时，会使焊缝中产生气孔和麻点。

CaSiO₃：主要作用造渣。改善熔渣粘度和流动性，提高铺展性。本发明CaSiO₃的含量低于10质量份时，焊缝铺展较差，超过20质量份时，焊缝边缘不平直。

CaCO₃：主要作用保证电弧稳定性。本发明CaCO₃的含量低于3质量份时，电弧稳定性差，焊缝铺展较窄，超过5质量份时，焊缝表面产生压坑。

NaF、LiF：均为低熔点氟化物，主要作用是降低焊缝金属的扩散氢。

ZrO₂：具有负的线膨胀系数。在冷却过程中体积变化，有利于渣壳顺利剥离，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。

硅铁合金：主要起到脱氧的作用。

水玻璃：主要作用是粘结粉料。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较差，粉料利用率低；加入量过多时，易造成焊剂颗粒度过大，增加后续破碎量，提高焊剂松装密度，且会向焊剂中引入较多的SiO₂，对焊接工艺性产生不利影响。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)与常规焊剂相比，本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂中不含有MgO，保证了该焊剂长时间存放后吸潮性仍然很小，保证熔敷金属扩散氢含量极低。

(2)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂中含有较高的CaF₂以及一定量的NaF和LiF，三种氟化物和SiO₂相互作用，可起到良好的脱氢效果。

(3)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂采用CaF₂-CaO-Al₂O₃-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，保证其低温韧性。其次该渣系焊缝金属铺展、润湿性良好，与母材结合良好。

(4)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂中含有一定量的锆英砂。锆英砂一方面可以改善脱渣性，一方面可以向焊缝金属中过渡一定量的Zr，起到细化晶粒，提高焊缝金属低温韧性的作用。

(5)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂生产适应性良好，焊剂颗粒度均匀。

(6)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂焊接工艺性良好，工艺规范适应性大，电弧稳定，脱渣容易，焊道成型美观，而且成本较低，具有较大的市场推广前景和较好的经济效益。

(7)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂与实心焊丝配合熔敷金属扩散氢极低，可满足H_D≤3.0mL/100g(气相色谱法)。

(8)本发明提供的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂与焊丝H07MnNiDR配合，熔敷金属经(620±10)℃×1h热处理，强度合适，具有优良的低温冲击韧性，-70℃夏比冲击功均值大于150J。

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1

一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其渣系主要由CaF₂-CaO-Al₂O₃-SiO₂组成，包含如下按质量份数计的组分：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：

(1)将用于低温钢焊接的超低扩散氢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)制得的湿混料造粒盘中造粒，100℃干燥，800℃高温烧结成型，高温烧结成型的颗粒筛分，将筛分后的焊剂混合均匀后包装，得到用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其粒度为10～60目。

实施例2

一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其渣系主要由CaF₂-CaO-Al₂O₃-SiO₂组成，包含如下按质量份数计的组分：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：

(1)将用于低温钢焊接的超低扩散氢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)制得的湿混料造粒盘中造粒，150℃干燥，850℃高温烧结成型，高温烧结成型的颗粒筛分，将筛分后的焊剂混合均匀后包装，得到用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其粒度为10～60目。

实施例3

一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其渣系主要由CaF₂-CaO-Al₂O₃-SiO₂组成，包含如下按质量份数计的组分：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：

(1)将用于低温钢焊接的超低扩散氢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)制得的湿混料造粒盘中造粒，120℃干燥，820℃高温烧结成型，高温烧结成型的颗粒筛分，将筛分后的焊剂混合均匀后包装，得到用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其粒度为10～60目。

效果实施例

实施例1～3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制得的焊剂的各原料组分的化学成分要求

将实施例1～3制得的焊剂进行检测，匹配H07MnNiDR埋弧焊丝焊接试板，按照AWS5.23标准规定，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试；按GB/T 3965-2012进行扩散氢含量测定。以Φ4.0mm焊丝为例，焊接工艺参数为：焊接电源直流反接，焊接电流540～560A，焊接电压30～32V，行走速度40～45cm/min，道间温度100～150℃，焊后熔敷金属经620℃×1h热处理，测试结果见表2～4所示。

表2实施例焊丝及熔敷金属化学成分(wt％)

表3实施例熔敷金属力学性能

表4实施例熔敷金属扩散氢含量(气相色谱法)

本发明所提出的焊剂焊接工艺性能优良，熔敷金属扩散氢极低，与焊丝H07MnNiDR配合，熔敷金属的物理、化学性能满足AWS 5.23F7P10-ENi3-Ni3要求，强度合适，-70℃韧性优良，均值大于150J。

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)

1.一种用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于其渣系主要由

CaF₂-CaO-Al₂O₃-SiO₂组成，包含如下按质量份数计的组分：

2.根据权利要求1所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的各组分的加入方式为：

CaF₂以萤石的形式，Al₂O₃以α-氧化铝的形式，CaSiO₃以硅灰石的形式，CaCO₃以大理石的形式，NaF以氟化钠的形式，LiF以氟化锂的形式，ZrO₂以锆英砂的形式，硅铁合金以硅铁合金粉末的形式，水玻璃以钾钠水玻璃的形式。

3.根据权利要求2所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于：

所述的硅灰石的粒度为80目，其化学成分为SiO₂≥40wt％，CaO≥42wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％。

4.根据权利要求2所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于：

所述的锆英砂的的粒度为60目，其化学成分为ZrO₂≥60.0wt％，SiO₂≥34wt％，S≤0.030wt％，P≤0.030wt％。

5.根据权利要求2所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于：

所述的硅铁合金的粒度为80目，其化学成分为Si：43.0～47.0wt％，C≤0.020wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％。

6.根据权利要求2所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂，其特征在于：

所述的水玻璃的化学成分为K₂O≥10.5，Na₂O≥2.5，SiO₂≥29.0，S≤0.050，P≤0.050，模数：2.9，波美度：40～42°。

7.权利要求1～6任一项所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

(1)将权利要求1～6任一项所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢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，高温烧结成型，筛分，得到用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂。

8.根据权利要求7所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢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800℃～850℃。

9.根据权利要求7所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的制备方法，其特征在于：

所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂的粒度为10～60目。

10.权利要求1～6任一项所述的用于低温钢焊接的超低扩散氢烧结焊剂在石油、化工设备脱乙烷塔、冷却器、丙烷低温储罐制造领域中的应用。