CN109175787A - 一种碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用 - Google Patents

一种碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用，属于焊接用活性剂领域，该活性剂包括以下质量份的组分：SiO233～38份、TiO218～22份、Cr2O310～15份、NiO 10～15份、MnO 5～7份、CuO 10～15份、Al2O31～5份。采用本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂进行焊接过程中，焊缝熔宽为12.4mm条件下焊缝熔深达到了14.2mm，相比较现有技术中熔深为6.6mm时熔宽即达到15.1mm的焊接效果，本申请提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂在熔宽变化较窄条件下加深熔深效果显著。

Description

一种碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用
技术领域
本发明属于焊接用活性剂领域，特别涉及一种碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用。
背景技术
碳钢是含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金，一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。近年来，碳钢作为一种重要的工程材料，随着工业的蓬勃发展得到了越来越广泛的应用，碳钢焊接也在工业发展中起着重要的作用。目前碳钢主要通过钨极氩弧焊(TIG)进行焊接，但是由于钨电极本身的载流能力有限，限制了电弧功率的上限，导致单道焊焊缝熔深较浅，对于厚度大于4mm的碳钢板材需要开坡口进行多道焊或增大焊接电流。但是多道焊会增加焊接接头数量，形成更多非均相组织，增加碳钢在焊接部位的开裂可能性，降低碳钢的力学性能；增大电流虽然可以增加熔深以实现较厚碳钢的焊接，但是随电流增加，熔宽增加的幅度更大，焊接热影响区也随之变宽，焊头宽度变大，非均相组织宽度变大，且随着焊接热输入增大，焊接接头晶粒组织变粗大，焊接接头的综合力学性能显著降低。
针对提高碳钢钨极氩弧焊的熔深问题，目前又提出了活性钨极氩弧焊的方法。活性钨极氩弧焊(Activating flux TIG welding，A-TIG焊)是在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性剂，引起焊接电弧收缩或熔池流态变化，从而实现在焊接熔宽增加幅度较小的条件下熔深的大幅度增加。现有技术中的活性剂主要由氧化物、氯化物以及少量氟化物组成，但是仍存在熔深提高有限的问题。如中国专利CN101554690B公开在焊接过程中使用活性剂，得到的焊缝熔深仅为10mm；中国专利CN107262971A公开的活性剂只能焊接12mm以下的碳钢；中国专利CN108161279A公开的活性剂所焊碳钢焊缝熔深为12mm。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳钢钨极氩弧焊活性剂，在确保焊接熔宽较窄的前提下，显著提高碳钢钨极氩弧焊熔深；本发明还提供了该碳钢钨极氩弧焊活性剂的应用。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种碳钢钨极氩弧焊活性剂，包括以下质量份的组分：
SiO2 33～38份、TiO2 18～22份、Cr2O3 10～15份、NiO 10～15份、MnO 5～7份、CuO10～15份和Al2O3 1～5份。
优选的，所述碳钢钨极氩弧焊活性剂，包括以下质量份的组分：SiO2 35份、TiO2 20份、Cr2O3 13份、NiO 12份、MnO 6份、CuO 12份和Al2O3 2份。
优选的，所述SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO和Al2O3为粉末状，粒径独立地为190～210目。
本发明提供了上述技术方案所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的应用，包括以下步骤：将所述碳钢钨极氩弧焊活性剂用有机溶剂调和成粘稠状液体，然后将所述粘稠状液体涂覆在待焊区，静置4～8min，待有机溶剂挥发后进行焊接。
优选的，所述涂覆以活性剂的量计，单位面积涂覆量为0.06～0.14g/mm2。
优选的，所述有机溶剂为极性有机溶剂。
优选的，所述极性有机溶剂为丙酮或乙醇。
优选的，所述涂覆的区域为焊接区以及自焊接区边界至外延8～12mm的区域。
优选的，所述焊接方式为活性钨极氩弧焊；所述涂覆前还包括：对待焊接材料依次进行打磨和清洗。
优选的，所述焊接的工艺参数为：焊接电流170～185A，焊接速度75～85mm/min，电弧电压11～14V，氩气流量15L/min，钨极直径3.2mm。
本发明提供了一种碳钢钨极氩弧焊活性剂，以SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO、Al2O3为活性剂组分，与母材金属相匹配，在焊接时，活性剂中的合金元素化合物会进入焊缝，对焊缝组织产生一定的影响，Cr2O3能增加钢的淬透性，Al2O3可细化熔覆区晶粒，增加熔合区机械强度，保证熔池不发生坍塌变形，为增加熔深提供机械强度基础。同时，活性剂中的SiO2、TiO2、NiO、MnO、CuO等物质在高温电弧作用下蒸发形成蒸汽引起电弧收缩，电弧能量密度更高，电弧力增加，使电弧下熔池金属熔化体积增加，从而增加熔深；由于电弧发生收缩，因此熔宽变小。从实施例可以看出，采用本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂进行焊接过程中，焊缝熔宽为12.4mm条件下焊缝熔深达到了14.2mm，相比较现有技术中熔深为6.6mm时熔宽即达到15.1mm的焊接效果，本申请提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂在熔宽变化较窄条件下加深熔深效果显著。
附图说明
图1～3依次为应用例3、应用例6和应用例9中A-TIG焊焊缝显微组织图；
图4为对比例3中TIG焊焊缝显微组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种碳钢钨极氩弧焊活性剂，包括以下质量份的组分：SiO2 33～38份、TiO2 18～22份、Cr2O3 10～15份、NiO 10～15份、MnO 5～7份、CuO 10～15份和Al2O3 1～5份。
以质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括SiO2 33～38份，优选为34～37份，更优选为35份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括TiO2 18～22份，优选为19～21份，更优选为20份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括Cr2O3 10～15份，优选为11～14份，更优选为13份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括NiO 10～15份，优选为11～14份，更优选为12份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括MnO 5～7份，优选为6份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括CuO 10～15份，优选为11～14份，更优选为12份。
以所述SiO2的质量份计，本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂包括Al2O3 1～5份，优选为优选为2份。
优选的，所述碳钢钨极氩弧焊活性剂包括以下质量份的组分：SiO2 35份、TiO2 20份、Cr2O3 13份、NiO 12份、MnO 6份、CuO 12份和Al2O3 2份。
在本发明中，所述SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO和Al2O3优选为粉末状。在本发明中，所述SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO和Al2O3的粒径独立地优选为190～210目，更优选为200目。
本发明以所述SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO、Al2O3为活性剂组分，与母材金属相匹配，在焊接时，活性剂中的合金元素化合物会进入焊缝，对焊缝组织产生一定的影响，Cr2O3能增加钢的淬透性，Al2O3可细化熔覆区晶粒，增加熔合区机械强度，保证熔池不发生坍塌变形，为增加熔深提供机械强度基础。同时，活性剂中的SiO2、TiO2、NiO、MnO、CuO等物质在高温电弧作用下蒸发形成蒸汽引起电弧收缩，电弧能量密度更高，电弧力增加，使电弧下熔池金属熔化体积增加，从而增加熔深；由于电弧发生收缩，因此熔宽变小。
本发明对所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的制备方法即可；具体为：将所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的组分混合均匀即可。
本发明还提供了上述技术方案所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的应用，包括以下步骤：采用有机溶剂将所述碳钢钨极氩弧焊活性剂调和成粘稠状液体，然后将所述粘稠状液体涂覆在待焊区，静置4～8min，待有机溶剂挥发后进行焊接。
本发明将所述碳钢钨极氩弧焊活性剂用有机溶剂调成粘稠状液体。在本发明中，所述有机溶剂优选为极性有机溶剂，更优选为丙酮或乙醇。本发明对所述调和的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的碳钢钨极氩弧焊活性剂与有机溶剂的调和方法即可。本发明对所述有机溶剂的用量没有限制，以调和至活性剂呈粘稠状为止。
得到粘稠状液体后，本发明将所述粘稠状液体涂覆在待焊区。在本发明中，所述涂覆以活性剂的量计，单位涂覆量优选为0.06～0.14g/mm2，更优选为0.08～0.12g/mm2，最优选为0.09～0.11g/mm2。在本发明中，所述涂覆的区域优选为焊接区以及自焊接区边界至外延8～12mm的区域，进一步优选为焊接区以及自焊接区边界至外延9～10mm的区域。本发明对所述涂覆的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的涂覆方式即可。在本发明中，所述涂覆方式优选为毛刷刷涂。
在本发明中，所述待焊接材料为碳钢材料。本发明对所述碳钢材没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的碳钢即可。优选的，本发明所述碳钢为Q345碳钢或Q235碳钢。本发明对所述碳钢的厚度没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的碳钢厚度即可。
所述涂覆前，本发明优选还包括对待焊接材料依次进行打磨和清洗。本发明对所述打磨和清洗的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的打磨和清洗的方法即可。在本发明中，所述打磨优选为砂纸打磨；所述清洗优选为依次进行的丙酮清洗和乙醇清洗。本发明对所述砂纸打磨、丙酮清洗和乙醇清洗的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作方式即可。本发明对所述砂纸的目数没有限定，使用本领域技术人员熟知的进行待焊材料打磨的砂纸目数即可。
完成涂覆后，本发明待有机溶剂挥发后进行焊接。在本发明中，所述有机溶剂挥发的时间优选为4～8min，更优选为5～6min。在本发明中，所述焊接的方式优选为活性钨极氩弧焊。本发明对所述焊接的工艺参数没有具体限制，采用本领域技术人员熟知的钨极氩弧焊焊接的工艺参数即可。在本发明中，所述焊接的工艺参数优选为：焊接电流170～185A，焊接速度75～85mm/min，电弧电压11～14V，氩气流量15L/min，钨极直径3.2mm。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
使用精度为0.01mg的电子天平分别称取已烘干研磨至200目的SiO2 35g、TiO220g、Cr2O3 13g、NiO 12g、MnO 6g、CuO 12g和Al2O3 2g，置于烧杯内，使用滴管滴加10g丙酮，在丙酮的滴加过程中不断搅拌至活性剂呈粘稠状，得碳钢钨极氩弧焊活性剂。
实施例2
使用精度为0.01mg的电子天平分别称取已烘干研磨至200目的SiO2 33g、TiO222g、Cr2O3 12g、NiO11g、MnO 5g、CuO12g和Al2O3 2g，置于烧杯内，使用滴管滴加10g丙酮，在丙酮的滴加过程中不断搅拌至活性剂呈粘稠状，得碳钢钨极氩弧焊活性剂。
实施例3
使用精度为0.01mg的电子天平分别称取已烘干研磨至200目的SiO2 35g、TiO218g、Cr2O3 14g、NiO13g、MnO7g、CuO 14g和Al2O3 4g，置于烧杯内，使用滴管滴加10g丙酮，在丙酮的滴加过程中不断搅拌至活性剂呈粘稠状，得碳钢钨极氩弧焊活性剂。
应用例1
将实施例1得到的碳钢钨极氩弧焊活性剂进行活性钨极氩弧焊焊接(A-TIG焊)：碳钢待焊部位依次使用1200目砂纸进行打磨、20mL丙酮清洗。
使用毛刷将调和好的活性剂均匀涂覆在焊接区以及自焊接区边界至外延10mm的区域，以涂覆的活性剂的量计，单位面积涂覆量为0.10g/mm2。
放置5min至丙酮挥发后进行焊接。
焊接对象为16mm的Q345碳钢，焊接工艺参数为：焊接电流300A，焊接速度100mm/min，电弧电压22V，氩气流量15L/min，钨极直径3.2mm。
采用A-TIG焊焊接后对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，利用金相显微镜对接头宏观形貌进行观察并测量接头的熔深和熔宽，测试结果见表1。
应用例2
将实施例1得到的碳钢钨极氩弧焊活性剂进行活性钨极氩弧焊焊接(A-TIG焊)：碳钢待焊部位依次使用1200目砂纸进行打磨、20mL丙酮清洗。
使用毛刷将调和好的活性剂均匀涂覆在焊接区以及自焊接区边界至外延10mm的区域，以涂覆的活性剂的量计，单位面积涂覆量为0.10g/mm2。
放置5min至丙酮挥发后进行焊接。
焊接对象为6mm的Q235碳钢，焊接工艺参数为：焊接电流100A，焊接速度44mm/min，电弧电压11V，氩气流量15L/min，钨极直径3.2mm。
采用A-TIG焊焊接后对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，利用金相显微镜对接头宏观形貌进行观察并测量接头的熔深和熔宽，测试结果见表1。
应用例3
将实施例1得到的碳钢钨极氩弧焊活性剂进行活性钨极氩弧焊焊接(A-TIG焊)：碳钢待焊部位依次使用1200目砂纸进行打磨、20mL丙酮清洗。
使用毛刷将调和好的活性剂均匀涂覆在焊接区以及自焊接区边界至外延10mm的区域，以涂覆的活性剂的量计，单位面积涂覆量为0.10g/mm2。
放置5min至丙酮挥发后进行焊接。
焊接对象为6mm厚Q345碳钢，焊接工艺参数为：焊接电流180A，焊接速度80mm/min，电弧电压14V，氩气流量15L/min，钨极直径3.2mm。
采用A-TIG焊焊接后对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，利用金相显微镜对接头宏观形貌进行观察并测量接头熔宽；采用拉伸试验机，按GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》对接头抗拉强度、接头强度系数进行测试，熔宽及接头抗拉强度、接头强度系数的测试结果见表1。
利用金相显微镜对焊缝组织进行观察，如图1所示。
应用例4～6
使用实施例2得到的碳钢钨极氩弧焊活性剂代替应用例1～3中的碳钢钨极氩弧焊活性剂，其余操作及工艺同应用例1～3，依次得应用例4～6。
熔深、熔宽及接头抗拉强度、接头强度系数的测试结果见表1。
利用金相显微镜对应用例6所得焊缝组织进行观察，如图2所示。
应用例7～9
使用实施例3得到的碳钢钨极氩弧焊活性剂代替应用例1～3中的碳钢钨极氩弧焊活性剂，其余操作及工艺同应用例1～3，依次得应用例7～9。
熔深、熔宽及接头抗拉强度、接头强度系数的测试结果见表1。
利用金相显微镜对应用例9所得焊缝组织进行观察，如图3所示。
对比例1
按照应用例1的同样技术参数条件下进行TIG焊，期间不采用任何活性剂。
按照应用例1的方式对焊接区域进行检测，熔深、熔宽的测试结果见表1。
对比例2
按照应用例2的同样技术参数条件下进行TIG焊，期间不采用任何活性剂。
按照应用例2的方式对焊接区域进行检测，熔深、熔宽的测试结果见表1。
对比例3
按照应用例3的同样技术参数条件下进行TIG焊，期间不采用任何活性剂。
按照应用例3的方式对焊接区域进行检测，熔深、熔宽及接头抗拉强度、接头强度系数的测试结果见表1。
利用金相显微镜对焊缝进行检测，检测结果如图4所示。
表1应用例1～9和对比例1～3的焊接接头性能测试结果
由表1可以看到，在使用本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂条件下的A-TIG焊相比不使用本发明所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的TIG焊，在熔宽较窄的情况下达到了较深的熔深，显著提高了熔深，减小了熔宽。
同时，由表1可以看到，在使用本发明提供的碳钢钨极氩弧焊活性剂条件下的A-TIG焊相比不使用本发明所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的TIG焊，接头抗拉强度得到提升，接头强度系数较高，接头的力学性能得到了显著的提升。
由图1，图2，图3可以看出，焊缝组织为白色的先共析铁素体沿柱状晶分布，无碳贝氏体沿晶界向内平行生长，晶内组织包括粒状贝氏体，针状铁素体和少量珠光体，焊缝区的主要相是针状铁素体和块状的多边形铁素体，粒状贝氏体在铁素体基体上分布，形态为孤立的小岛状或长条状，其强韧性较好，在铁素体基体内起到了强化作用。
由图4可以看出，焊缝组织为针状铁素体，先共析铁素体沿晶界呈条状断续分布，晶粒度较小，有部分板条贝氏体和呈岛状的粒状贝氏体，晶内为细小的针状铁素体，区域内还分散分布着细小的珠光体组织。
比较图1和图4可以看出，使用本发明所述碳钢钨极氩弧焊活性剂的A-TIG相比较未使用碳钢钨极氩弧焊活性剂的TIG来说，焊缝组织中白色的先共析铁素体分布更为连贯，焊缝区针状铁素体和块状多边形铁素、粒状贝氏体体含量较多，接头强韧性较好，提高了接头的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳钢钨极氩弧焊活性剂，包括以下质量份的组分：
SiO233～38份、TiO218～22份、Cr2O310～15份、NiO10～15份、MnO5～7份、CuO10～15份和Al2O31～5份。
2.根据权利要求1所述的碳钢钨极氩弧焊活性剂，其特征在于，包括以下质量份的组分：SiO235份、TiO220份、Cr2O313份、NiO12份、MnO6份、CuO12份和Al2O32份。
3.根据权利要求1或2所述的碳钢钨极氩弧焊活性剂，其特征在于，所述SiO2、TiO2、Cr2O3、NiO、MnO、CuO和Al2O3为粉末状，粒径独立地为190～210目。
4.权利要求1～3任意一项所述的碳钢钨极氩弧焊活性剂的应用，包括以下步骤：采用有机溶剂将所述碳钢钨极氩弧焊活性剂调和成粘稠状液体，然后将所述粘稠状液体涂覆在待焊区，静置4～8min，待有机溶剂挥发后进行焊接。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述涂覆以活性剂的量计，单位面积的涂覆量为0.06～0.14g/mm2。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述涂覆的待焊区为目标焊接区以及自焊接区边界至外延8～12mm的区域。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述焊接的方式为活性钨极氩弧焊；所述涂覆前还包括：对待焊接材料依次进行打磨和清洗。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述有机溶剂为极性有机溶剂。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述极性有机溶剂为丙酮或乙醇。
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