CN108637527B

CN108637527B - 一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂及制备方法

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Publication number: CN108637527B
Application number: CN201810845647.2A
Authority: CN
Inventors: 任希乐
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: CN108637527A

Abstract

本发明公开了一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂，包括以下组份，以重量份数计为：CaF₂23～29，MgO 28～35，SiO₂8～15，Al₂O₃14～20，CaO 6～10，K₂O+Na₂O 5～7，0<MnO≤4，0<S≤0.06，0<P≤0.06,0<RE≤7，其中，所述RE为稀土元素。本发明的焊剂，通过合理的设计焊剂中的CaF₂；MgO；SiO₂；Al₂O₃；CaO；MnO的配比，提高焊剂的造渣性，熔点以及熔池流动性。在焊剂中加入质量百分比小于3的硅铁或是质量百分比小于3的金属锰，可起到联合脱氧的作用，降低氧含量，提高焊缝的强度。在焊剂中加入质量百分比小于7的稀土元素，细化晶粒，以增强焊缝的强度，提高焊缝金属低温冲击韧性的作用。

Description

一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂及制备方法

技术领域

本发明属于焊剂制备技术领域，具体涉及一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂及制备方法。

背景技术

随着国内用电量的不断增加，高水头大容量抽水储能电站的建设也不断增多。而应用于水电站工程的相应材料也在不断更新换代，800MPa级的高强钢已经普遍应用在水电行业，高强度钢带来的各种好处也显而易见，目前，1000MPa新材料也将逐步推广使用。在水电站工程中使用1000MPa高强钢材料，可有效的减少器件的壁厚，同时也能减轻构件质量，降低施工难度，节约生产成本。大型水电站、抽水蓄能电站等重要部件所到的1000MPa钢板，具有高塑韧性、超低焊接裂纹敏感性等优点。对于1000MPa水电站用的高强钢埋弧焊材来说，需要具有相应的强度，并且在保证高强度的同时，还需要降低其裂纹敏感性，以及达到一定的低温韧性。

目前国内水电行业依然普遍采用800MPa钢材，而1000MPa高强钢作为新材料正在逐步推广使用，相应的配套焊材依然处于空白。

发明内容

本发明的目的在于：解决上述现有技术中的不足，提供一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂及该烧结焊剂的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂，包括以下组份，以重量份数计为：

CaF₂ 23～29，MgO 28～35，SiO₂ 8～15，Al₂O₃ 14～20，CaO 6～10，K₂O+Na₂O 5～7，0<MnO≤4，0<S≤0.06，0<P≤0.06,0<RE≤7，

其中，所述RE为稀土元素。

在焊接过程中，焊剂中的各组份发生氧化还原反应，对焊缝进行脱氧脱硫脱磷以及保护的作用，使焊缝组织晶粒细化，保证其高强度及良好的低温韧性。其中RE为焊剂中的微量组分，但可以起到细化晶粒，强化焊缝的作用。

CaF₂主要从萤石中加入，萤石是一种重要材料，其主要作用是造渣，它能降低渣的熔点、黏度和表面张力，增加渣的流动性，可以减少焊缝金属的气体杂质。萤石作为强稀释剂，使焊缝中气体易于逸出，具有一定的去氢作用，可以降低焊缝中的扩散氢含量。还能提高焊剂的碱度，提高焊缝金属的冲击韧性。本发明中，CaF₂加入量控制在23～29。

MgO主要由烧结镁砂加入，可以提高焊剂的碱度，从而提高焊缝金属的冲击韧性，对焊接工艺性能也有很大的影响。因镁砂易吸潮，所以加入焊剂中后，会使焊剂的吸潮性增大。但MgO熔点较高，熔渣粘度急剧增大，提高熔渣熔化温度和凝固温度，降低熔渣的流动性，造成脱渣困难。本发明中，MgO加入量控制在28～35。

SiO₂是一种酸性物质，降低焊剂碱度，焊剂中与CaF₂搭配，能影响焊剂的抗气孔能力和抗锈蚀性，主要通过硅灰石加入。因硅灰石具有针状、纤维状晶体形态，在焊剂中使用可以增加颗粒强度，减少颗粒粉碎的程度。本发明中，SiO₂加入量控制在8～15。

Al₂O₃是两性氧化物，Al₂O₃具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂，是焊剂碱度的调整剂。本发明中，Al₂O₃加入量控制在14～20,超过这个范围，均不利于焊缝的成型，会出现压坑，纹路变尖等现象。

CaO是一种强碱性氧化物，为熔渣主要组成部分主要通过硅灰石加入。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。本发明中，CaO加入量控制在6～10，超过10份的CaO会使焊缝成型变差，造成摊不开的现象。

K₂O+Na₂O为水玻璃，浓度根据造粒情况随时调配，主要作用为粉体粘合剂，在焊剂烘干之后为其提供一部分颗粒强度。

MnO在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护焊缝，使焊缝不受空气中N和O的影响，而且被还原的锰元素是焊缝中主要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS起到了脱S的作用，减少焊缝产生热裂纹倾向。本发明中，MnO加入量控制在≤4。

进一步的，所述RE的重量分数为2-7份。

进一步的，所述烧结焊剂以重量份数计还包括1-3份的硅铁。

进一步的，所述烧结焊剂以重量份数计还包括1-3份的金属锰。

进一步的，所述烧结焊剂以重量份数计还包括，1-3份硅铁和1-3份金属锰。

在焊剂中，加入硅铁和/或锰铁，以Si和Mn联合脱氧的方式进行氧化还原反应，使得焊缝中的O含量减少，另外Mn的加入还使得焊缝中的S含量减少，S是一种有害物质，焊缝中S的含量必须严格控制。

用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂的制备方法，包括以下步骤，

将焊剂原料混合均匀，加入水玻璃，搅拌均匀，将搅拌均匀后的物料放入造粒机中，造粒，得到颗粒焊剂，将颗粒焊剂在150℃～250℃温度下烘干，然后在650℃～800℃进行高温烧结，装袋。其中，水玻璃模数为3.1水玻璃中钾钠比例为3:1，水玻璃浓度范围40-45BE。

进一步的，高温烧结的时间t的范围为：1h<t<1.5h。

进一步的，所述的颗粒焊剂的粒径为10-60目。

经过长期的试验，得出在本发明的焊剂在该粒度下，焊剂的堆积密度对于焊接过程中的气体逸出有一定的好处，并且在此粒度下，焊接时的气体能更好的从熔化的焊缝中逸出，保证了焊接工艺性能，得到表面光泽美观的焊缝。当焊剂的粒度过粗(＞10目)时，会造成焊缝表面出现无法有效得到保护，焊剂与空气中的氧发生反应，导致焊缝表面出现氧化色及压坑；而焊剂粒度过细(＜60目)会导致焊缝中的气体无法及时逸出，容易产生气孔。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的焊剂，通过合理的设计焊剂中的CaF₂；MgO；SiO₂；Al₂O₃；CaO；MnO的配比，提高焊剂的造渣性，熔点以及熔池流动性。在焊剂中加入质量百分比小于3的硅铁或是质量百分比小于3的金属锰，可起到联合脱氧的作用，降低氧含量，提高焊缝的强度。在焊剂中加入质量百分比小于7的稀土元素，细化晶粒，以增强焊缝的强度，提高焊缝金属低温冲击韧性的作用。

该焊剂在配合相应的焊丝焊接时，焊缝成型美观，脱渣容易，过渡平滑，没有压痕、咬边等缺陷。并且焊缝具有良好的拉伸强度与低温韧性，可用于水电行业蜗壳及压力管壁的焊接，也可用于船舶，桥梁，压力容器及其他相同强度等级的高强钢焊接作业。

附图说明

图1为本发明实施例4的脆性转变温度图；

图2为本发明实施例4的焊缝金相组织图一；

图3为本发明实施例4的焊缝金相组织图二；

图4为本发明实施例4的焊缝冲击断口扫描图。

具体实施方式

实施例1：按照焊剂中各组分的含量，秤取相应份数的焊剂原料，将原料在容器中混合均匀，向原料中加入水玻璃，再搅拌均匀；随后将搅拌均匀的物料加入到造粒机中，造粒，将得到的颗粒焊剂通过先过10目的筛网，再过60目筛网；将过筛后的颗粒焊剂在150℃烘干，再在650℃下烧结1小时，得到本实施例的烧结焊剂。

烧结焊剂的成分以质量百分比计为：

CaF₂ 23；MgO 28；SiO₂ 12；Al₂O₃ 15；CaO 8，K₂O+Na₂O 5，MnO 2，硅铁+金属锰4，S0.01，P 0.02，RE 2.1，其余为不可避免的杂质。

其中，RE表示稀土元素。

制备与本实施例的烧结剂配合使用的焊丝；制得的焊丝的成分以及规格如下表1所示：

表1实施例1焊丝化成分

将本实施例制备的烧结焊剂配合焊丝，在B950CF钢板上进行多层多道熔覆金属焊接试验，焊接工艺为，电流：550～620A、电压：25～35V、焊接速度：350mm/min～450mm/min。总共焊接10道，5层。

所用到的B950CF钢板中的化学成分入下表2所示

表2 B950CF钢板的化学成分

经过上述焊接工艺，得到的焊缝成型美观，并且在焊接过程中，脱渣容易。

对焊缝处进行力学性能检测，其结果如下表3所示；

表3实施例1焊缝的力学性能

实施例2：

按照焊剂中各组分的含量，秤取相应份数的焊剂原料，将原料在容器中混合均匀，向原料中加入水玻璃，再搅拌均匀；随后将搅拌均匀的物料加入到造粒机中，造粒，将得到的颗粒焊剂通过先过60目筛网，再过10目的筛网；将过筛后的颗粒焊剂在150℃烘干，再在650℃下烧结1.2小时，得到本实施例的烧结焊剂。

烧结焊剂的成分为：

CaF₂ 27；MgO 31；SiO₂ 8；Al₂O₃ 18；CaO 6，K₂O+Na₂O 4，MnO 1，硅铁+金属锰3，S0.06，P 0.03，RE 1.8，其余为不可避免的杂质。

其中，RE表示稀土元素。

表4实施例2焊丝化学成分

将本实施例制备的烧结焊剂配合焊丝，在B950CF钢板上进行多层多道熔覆金属焊接试验，在本实施例中，B950CF钢板的成分与实施例1中的相同，焊接工艺也与实施例1中的焊接工艺相同。

对焊缝处进行力学性能检测，其结果如下表3所示；

表5实施例2焊缝的力学性能

实施例3：

试验材料：焊剂：自制的XY-AF100SD焊剂，化学成分(质量百分比)：CaF₂ 25；MgO30；SiO₂ 12；Al₂O₃ 14；CaO 7，K₂O+Na₂O 5，MnO 2，硅铁+金属锰2，S 0.06，P 0.03，RE 1.8，其余为不可避免的杂质。

焊丝：自制焊丝，其化学成分见表6：

试板：B950CF钢板，化学成分见表2：

表6实施例3焊丝化学成分

焊接工艺：多层多道对接接头焊接试验，板厚为70mm，焊接工艺为：

电流：550～620A、电压：25～35V、焊接速度：350mm/min～450mm/min。

本实施例的焊缝成型美观，脱渣容易。对焊缝进行力学性能检测，检测结果见表7。焊缝区域有良好的组织状态及高的强韧性。

表7实施例3焊缝理力学性能

实施例:4

试验材料：焊剂：自制的XY-AF100SD焊剂，化学成分(质量百分比)：CaF₂ 27；MgO29；SiO₂ 10；Al₂O₃ 18；CaO 6，K₂O+Na₂O 6，MnO 1，硅铁+金属锰1，S 0.05，P 0.02，RE 1.3，其余为不可避免的杂质。

焊丝：自制焊丝，其化学成分见表8：

表8实施例4焊丝化学成分

焊接工艺：熔敷金属脆性转变温度试验，焊接工艺为：

电流：550～620A、电压：25～35V、焊接速度：350mm/min～450mm/min。焊缝成型美观，脱渣容易。

如图1所示，实施例4的焊缝金属的脆性转变温度为-40℃，但在-70℃时也具有优良的冲击性能，从图2中，可以看出，焊缝金属的晶粒细小，组织主要为先共析铁素体、粒状贝氏体及少量的低碳马氏体。低碳马氏体的存在表示焊缝具有一定的裂纹敏感性，而先共析铁素体中夹杂着针状铁素体对塑性与韧性起主要作用。粒状贝氏体的分布，阻碍了位错运动，从而通过弥散强化，细晶强化和位错强化提高焊缝的强度，从图3中可以得出，热影响区金属的晶粒较焊缝的晶粒大。从图4中可以得出，形貌主要由韧窝形貌(等轴韧窝与抛物线韧窝)组成，伴随有少量的撕裂棱和准解理形貌，该断口形貌造成冲击断裂时吸收的能力大，表现出较好的塑性。而热影响区冲击断口能谱显示韧窝区域内未含有杂质元素，断口表面纯净无杂质，也是具有良好塑性的表现。

Claims

1.一种用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂，其特征在于：包括以下组份，以重量份数计为：

CaF₂ 23～29，MgO 28～31，SiO₂ 8～15，Al₂O₃ 14～20，CaO 6～10，K₂O+Na₂O 5～7，0<MnO≤4，0<S≤0.06，0<P≤0.06,2<RE≤7；硅铁1-3和金属锰1-3份；

其中，所述RE为稀土元素。

2.根据权利要求1所述用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

将焊剂原料混合均匀，加入水玻璃，搅拌均匀，将搅拌均匀后的物料放入造粒机中，造粒，得到颗粒焊剂，将颗粒焊剂在150℃～250℃温度下烘干，然后在650℃～800℃进行高温烧结，装袋。

3.根据权利要求2所述的用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于：高温烧结的时间t的范围为：1h<t<1.5h。

4.根据权利要求2所述的用于1000MPa高强钢的埋弧自动焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于：所述的颗粒焊剂的粒径为10-60目。