CN109290699A - 一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂，包括基础焊剂和通过树脂覆膜在基础焊剂表面，基础焊剂按照质量百分成分计如下：电熔镁砂：15‑45%，氧化钙：5~10%，萤石：4~18%，硅灰石：12~19%，铝矾土：4~21%，粘土：5~9%，金红石：3~8%，锆英砂：5~21%，余量为氧化铁粉末。焊剂在焊接过程中，电弧稳定，熔池平稳，焊缝成形美观、脱渣性好，无咬边、气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷，可满足焊接生产的要求。

Description

一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种单面焊双面成型的衬垫焊剂，特别涉及一种该衬垫焊剂的覆膜处理及其制备方法。

背景技术

传统的焊剂按照制造方法分可以分为溶炼焊剂、粘接焊剂和烧结焊剂；按燥接工艺方法来分，可以分为埋弧焊剂和电渣焊剂。

20世纪六七十年代出现了的衬垫焊剂，也是焊剂的一种；20世纪40年代初苏联开始使用焊剂，那时候的焊剂多是溶炼焊剂，比较有代表性的有中锰高硅型、高锰高硅型；我国在50年代初开始从苏联引进了埋弧焊技术，同时也引进了配套的焊剂，使用最多的焊剂HJ431。

与熔炼焊剂相比，非熔炼焊剂（烧结焊剂和粘接焊剂）也有熔炼焊剂不能比的一面；首先，非熔炼焊剂能够向焊剂中添加合金元素，这样多了一种向焊缝中过渡合金元素的途径；通过焊剂和焊丝的组合，向焊缝中过渡一些有益的合金元素，改善焊缝金属力学性能；同时，非熔炼焊剂碱度的可调性区间大，可以获得高碱度的焊剂，耗能也比较低。

衬垫焊剂是将焊剂和衬垫的优点相结合起来的一种新的焊剂，而热固化衬垫焊剂是衬垫焊剂中的一种；它由两部分组成，即：基础焊剂和基础焊剂表面的树脂模；其中，基础焊剂是具有特定性能的烧结焊剂，热固化衬垫焊剂是在基础焊剂的表面覆上一层树脂膜，树脂膜在焊接热循环的作用下交联固化，固结成块状，以衬托焊缝背面金属；焊剂铝衬垫法衬垫焊剂既能够起到衬垫作用，衬托背面焊缝金属，单面焊双面成形，又能够像表面焊剂一样，参与焊缝化学冶金反应和保护熔池，获得均一的背面焊；同时，也可以对热固化衬垫焊剂改性，比如向其中加入金属粉末等合金，提高熔敷效率。

发明内容

焊剂铝衬垫法在造船业、重工业等的应用，能够大大提高焊接效率；焊剂铝衬垫法与其他的单面焊双面成形方法相比，其背面焊缝成形均匀、质量稳定，所以得到了广泛的应用；但是，国内尚未有成熟的热固化衬垫焊剂的制造技术，热固化衬垫焊剂也基本靠进口，这大大提高了生产成本和制约了我国造船业的发展，因此，本发明提供一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂来满足生产需要。

一种单面焊双面成型的覆膜沉淀焊剂，包括基础焊剂和通过树脂覆膜在基础焊剂表面，基础焊剂按照质量百分成分计如下：电熔镁砂：15-45%，氧化钙：5~10%，萤石：4~18%，硅灰石：12~19%，铝矾土：4~21%，粘土：5~9%，金红石：3~8%，锆英砂：5~21%，余量为氧化铁粉末。

进一步地，基础焊剂的组分为：电熔镁砂：15-43%，氧化钙：6~10%，萤石： 5~18%，硅灰石：14~19%，铝矾土：5~21%，粘土：5~7%，金红石：3~6%，锆英砂：5~18%，余量为氧化铁粉末。

MgO是很稳定的碱性氧化物，纯MgO的熔点为2800℃，属于高熔点的离子化合物，有利于熔渣从熔池中浮出；表面张力和键能相关，键能大，表面张力也大；MgO属于离子键，键能大，所以表面张力大；MgO的熔点虽高，但是形成高温的熔体后，被离解为Mg⁺和O^-2，1500℃的粘度不到0.1Pa·s；并且，MgO的加入，一方面保证了焊剂有较高的熔点和碱度，另一方面能够提高焊剂的工艺性能。

综合考虑，作为为热固化衬垫焊剂基础焊剂，MgO的含量应不小于20%，但是过多的MgO，在高温时会与水结合生成Mg（OH）2，造成焊缝扩散氢的增加，而且过多的MgO会造成焊道不整齐、易产生咬边、脱渣困难等，一般不应超过50%。

Ca0的性质和MgO有很多相似之处，熔点为2570℃，也是碱性氧化物，表面张力大等特点；CaO能够调整熔渣的粘度和流动性，因其熔点高，需与其他成分形成低熔点的化合物才有利于造渣；比如，1540℃时CaO和SiO2可形成Cao·SiO2低熔点共晶，降低了熔渣的软化温度；CaO还可以脱S脱P，但是Ca0易吸潮，会导致焊缝增氢。

综合考虑，CaO加入量控制在5%~10%。

CaF2是偏碱性的盐，熔点为1360℃，具有稀释熔渣的作用，加入一定量的时，能够降低熔渣的表面张力和粘度，改善焊道的摊开性、融合性和脱渣性；CaF2表面张力小，膨胀系数大，是焊剂中不可缺少的成分；CaF2的另一个重要的作用是与SiO2共同作用，脱去焊缝中氢，CaF2的电离电位较高，且F极易夺取电弧中的电子；如果熔渣中CaF2的含量过高，将会导致焊接电弧不稳定，并且熔渣变的很稀，对焊道成形与熔合产生破坏，焊道波纹易形成双波峰形。为了保证焊缝成形，通常含量控制在4%-18%。

Al2O3是中性氧化物，在强碱性熔渣中呈弱酸性，在强酸性渣呈弱碱性，氧化性小；随着含量的增加，焊道的鱼鳞波纹越细小，脱渣容易；Al2O3能够增加熔渣的粘度，降低熔渣流动性。当熔渣中其含量过高时，将会使焊缝成形变坏，焊道两侧边缘与母材熔合处较陡，容易造成焊缝金属夹渣、咬边和凹坑等缺陷。

为了保证焊缝成形，Al2O3的最佳含量为：4-21%。

SiO2是主要的造渣成分，是酸性强化物，能够减小熔渣的碱度，同时还能降低熔渣的表面张力，减小熔渣与液态金属之间的粘着力；对于酸性渣，增加SiO2的含量会使熔渣的粘度增大；对于碱性渣，则反而会使粘度减小；SiO2从高温到低温的过程中伴随着一级相变，体积发生了变化，这也有利于焊缝脱渣。

高熔点的强碱性氧化物MgO、CaO可以控制焊缝金属中的S、P含量，净化了焊缝金属，从而保证焊缝金属低温韧性，同时提高焊剂承载焊接电流能力，CaF2降低焊缝金属中的扩散氢，与SiO2共存的情况下，去氢效果更明显，降低焊缝金属的冷裂纹敏感性；因此Al2O3、SiO2可以保证良好的焊接工艺性能。

衬垫焊剂的焊接工艺性能不仅取决于焊剂的基本渣系和碱度，还与焊剂中氧化铁粉含量、脱氧元素种类和含量有着密切的联系，为了满足衬垫法焊接的熔敷效率，焊剂中加入了大量的氧化铁粉，必然影响到焊接工艺性能。

随氧化铁粉含量的增加，在成形方面，表面光洁度下降，当氧化铁粉含量超过40%，焊缝表面波纹粗大，甚至还会出现铁豆；随着铁粉含量增加，由于大量铁粉的存在，使焊接过程中产生较多的氧化铁存在于熔渣中，由于Fe2O3与a-Fe的晶格常数比较相近，当焊缝金属冷却结晶的同时，熔渣中的Fe2O3容易在a-Fe晶界上形核，导致在焊缝金属表面和渣壳之间形成一层致密的氧化膜粘连，使脱渣性能明显下降。

一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂的制备方法：包括以下步骤：

（1）干混：将称好的粉料放在铁盆中用手混合5分钟，直至粉料颜色均匀一致；

（2）湿混：往混合均匀的粉料中加入称量好的水玻璃，不断搅拌；

注意水玻璃加入的量要适当，加少了易致粉料的粘接效果不佳，加多了会导致粉料粘性太大，不利于造粒，一般采取分批多次加入；

（3）造粒：将湿混好的粉料放入12目的筛中，使劲揉搓，使粉料通过筛子方形孔洞，并落入铁盆中，然后转动铁盆，让焊剂翻滚，尽可能地使焊剂颗粒成球形。为了能使焊剂颗粒均匀，需除去不能通过12目筛孔的大颗粒，然后再过40目的细筛的筛选，除去通过了40目筛孔的细颗粒；

（4）干燥：刚造好粒的焊剂颗粒水分较多，外形不稳定且容易结块，通常应将刚造好粒的焊剂颗粒放入托盘中摊开晾晒，或直接放入烘箱，在150~200℃低温烘烤1~2小时；

（5）烧结：将干燥好的焊剂颗粒放入耐火钵中，在900℃下烧结2小时，然后炉冷然后再分别过筛，使焊剂粒度保证在12~40目之间；

（6）对得到的焊剂颗粒进行覆膜。

进一步地，覆膜的具体工艺步骤如下：

（1）将基础焊剂盛入蒸发皿后放入烘箱中，在250℃下烘烤30分钟；

（2）打开箱盖，待焊剂温度降低至200℃，加入称取的一半的硬脂酸钙粉末，用玻璃棒不断搅拌1分钟后，加入研磨好的2402粉末，继续搅拌5分钟，使基础焊剂与液态树脂更好地接触，然后加入另一半的硬脂酸钙；

（3）待箱内温度冷却到110℃左右时，向焊剂中加入乌洛托品水溶液，然后保温10分钟，蒸发水分；

（4）将覆好膜的基础焊剂取出，破碎筛分，然后密封即得单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂。

本发明的有益效果是:

1、焊剂在焊接过程中，电弧稳定，熔池平稳，焊缝成形美观、脱渣性好，无咬边、气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷，可满足焊接生产的要求。

2、高熔点的强碱性氧化物MgO、Ca0可以控制焊缝金属中的S、P含量，净化了焊缝金属，从而保证焊缝金属低温韧性，同时提高焊剂承载焊接电流能力，CaF2降低焊缝金属中的扩散氢，与SiO2共存的情况下，去氢效果更明显，降低焊缝金属的冷裂纹敏感性；Al2O3、SiO2可以保证良好的焊接工艺性能。

3、衬垫焊剂用可以考虑将焊剂颗粒加热到一定的温度，然后将热塑性粘结剂加入到加热了的焊剂中去，热塑性粘结剂在受热时将会软化熔融，均匀地流布于颗粒表面，待其冷却，加入固化剂后烘干；涂覆了热塑性粘结剂和固化剂的热固化衬垫焊剂，加热到其固化的温度范围，热塑性树脂在固化剂的作用下发生交联固化，将颗粒状的焊剂粘接成块状。

4、采用该覆膜衬垫焊剂进行埋弧焊接，得到的焊缝表面光滑、波纹细小、无麻点和压铁水，焊道边缘整齐，过渡圆滑，脱渣性能良好。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。

焊接材料有：10mm厚的Q235B级钢板，表面焊剂为天高牌SJ101，下敷热固化衬垫焊剂为本发明制备的覆膜衬垫焊剂，焊丝牌号为HO8A，直径为4.0mm。

用氧乙炔火焰切割对板料进行初切割，然后用砂轮切割机将初切的板料切成60×200×10mm尺寸的试板，并且砂轮打磨机打磨掉表面的氧化皮；将SJ101焊剂用烘箱在200℃下烘干2小时，自制热固化衬垫焊剂在60℃条件下烘干2小时。

焊剂铝衬垫法铝板的主要作用是盛放热固化衬垫焊剂和连接顶升机构，确保背面焊缝有合适的余高；由于在实验室没有找到合适的顶升机构，故将铝板更换成铝槽，用铝箔将预置好衬垫的铝槽紧紧粘贴在试板背面，所做的更换不影响试验的进行。

试板采用对接接头，不开坡口，装配间隙为0.5~1mm，焊丝的干伸长为40mm。

装配过程可以分为三步：

①将试板两端用CO2气体保护焊点固，同时在试板两端装上引弧板和熄弧板，并用砂轮将毛刺磨平；

②将事先烘干了的热固化衬垫焊剂预置于尺寸35×6×300mm的铝槽中，铝槽的两端用衬垫块卡住，以防热固化衬垫焊剂外溢；预置焊剂的过程中，需保持热固化衬垫焊剂堆积成“小山”状，高度大约在7~10mm之间；

③将试板平放于装满热固化衬垫焊剂的铝槽上，稍加按压，并用铝箔将铝槽和试板粘贴成牢固的整体；装配的过程中，先让焊接小车按照设定的行程行走一遍，然后根据焊丝行走的轨迹不断调节试板的位置，保证焊丝端部对准间隙中心。

下列实施例衬垫焊剂的制备方法如下：

（1）干混：将称好的粉料放在铁盆中用手混合5分钟，直至粉料颜色均匀一致；

（2）湿混：往混合均匀的粉料中加入称量好的水玻璃，不断搅拌；

（3）造粒：将湿混好的粉料放入12目的筛中，使劲揉搓，使粉料通过筛子方形孔洞，并落入铁盆中，然后转动铁盆，让焊剂翻滚使焊剂颗粒成球形；为了能使焊剂颗粒均匀，需除去不能通过12目筛孔的大颗粒，然后再过40目的细筛的筛选，除去通过了40目筛孔的细颗粒；

（4）干燥：将刚造好粒的焊剂颗粒放入托盘中摊开晾晒或直接放入烘箱，在150~200℃低温烘烤1~2小时；

（5）烧结：将干燥好的焊剂颗粒放入耐火钵中，在900℃下烧结2小时，然后炉冷然后再分别过筛，使焊剂粒度保证在12~40目之间；

（6）对得到的焊剂颗粒进行覆膜。

覆膜的具体工艺步骤如下：

（1）将基础焊剂盛入蒸发皿后放入烘箱中，在250℃下烘烤30分钟；

（2）打开箱盖，待焊剂温度降低至200℃，加入称取的一半的硬脂酸钙粉末，用玻璃棒不断搅拌1分钟后，加入研磨好的2402粉末，继续搅拌5分钟，使基础焊剂与液态树脂更好地接触，然后加入另一半的硬脂酸钙；

（3）待箱内温度冷却到110℃左右时，向焊剂中加入乌洛托品水溶液，然后保温10分钟，蒸发水分；

（4）将覆好膜的基础焊剂取出，破碎筛分，然后密封即得单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂。

实施例一

基础焊剂的组分为：电熔镁砂：15%，氧化钙： 10%，萤石：18%，硅灰石：14%，铝矾土：5%，粘土：5%，金红石：3%，锆英砂：5%，余量为氧化铁粉末，经过覆膜处理后，在焊接电流为680A，电压为28V、焊接速度为15m/h。

与SJ101焊剂对比发现，SJ101焊剂得到的焊缝出现少量未焊透、焊瘤、余高过小、凹凸不平，而本发明的焊剂焊缝表面光滑成型质量良好。

实施例二

作为本发明的另一个实施例，基础焊剂的组分为：电熔镁砂：45%，氧化钙：10%，萤石：4%，硅灰石：19%，铝矾土：4%，粘土：9%，金红石：3%，锆英砂：5%，余量为氧化铁粉末，经过覆膜处理后，在焊接电流为680A，电压为28V、焊接速度为15m/h。

与SJ101焊剂对比发现，SJ101焊剂得到的焊缝出现少量未焊透、焊瘤、余高过小、凹凸不平，而本发明的焊剂焊缝表面光滑成型质量良好。

实施例三

基础焊剂的组分为：电熔镁砂：15%，氧化钙：10%，萤石：15%，硅灰石：12%，铝矾土：4%，粘土：9%，金红石：8%，锆英砂：21%，余量为氧化铁粉末，经过覆膜处理后，在焊接电流为680A，电压为28V、焊接速度为15m/h。

实施例四

基础焊剂的组分为：电熔镁砂：15%，氧化钙：10%，萤石：18%，硅灰石：19%，铝矾土：21%，粘土：5%，金红石：3%，锆英砂：21%，余量为氧化铁粉末，经过覆膜处理后，在焊接电流为680A，电压为28V、焊接速度为15m/h。

上述焊剂进行焊接后其焊缝质量见表1：

	未焊透	余高	表面光滑	麻点	脱渣性能
						实施例1	○	正常	○	○	○
实施例2	○	正常	○	○	○
						实施例3	○	正常	○	○	○
实施例4	○	正常	○	○	○
						SJ101	○	过小	○	×	×

实施例熔敷金属力学性能

	屈服强度（MPa）	抗拉强度（MPa）	延伸率%	-30℃冲击功
					实施例1	556	650	24	151
实施例2	552	651	23	153
					实施例3	547	638	25	147
实施例4	567	632	26	140
					SJ101	520	621	23	123

采用本发明的单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂，能够在焊接过程中，使得电弧稳定，熔池平稳，焊缝成形美观、脱渣性好，无咬边、气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷，可满足焊接生产的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂，包括基础焊剂和通过树脂覆膜在基础焊剂表面，基础焊剂按照质量百分成分计如下：电熔镁砂：15-45%，氧化钙：5~10%，萤石：4~18%，硅灰石：12~19%，铝矾土：4~21%，粘土：5~9%，金红石：3~8%，锆英砂：5~21%，余量为氧化铁粉末。

2.根据权利要求1所述的衬垫焊剂，其特征在于：基础焊剂的组分为：电熔镁砂：15-43%，氧化钙：6~10%，萤石： 5~18%，硅灰石：14~19%，铝矾土：5~21%，粘土：5~7%，金红石：3~6%，锆英砂：5~18%，余量为氧化铁粉末。

3.一种如权利要求1所述的单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂的制备方法：包括以下步骤：

（1）干混：将称好的粉料放在铁盆中用手混合5分钟，直至粉料颜色均匀一致；

（2）湿混：往混合均匀的粉料中加入称量好的水玻璃，不断搅拌；

（3）造粒：将混合的粉料放入12目的筛中，使劲揉搓，使粉料通过筛子方形孔洞，并落入铁盆中，然后转动铁盆，让焊剂翻滚使焊剂颗粒成球形；为了能使焊剂颗粒均匀，需除去不能通过12目筛孔的大颗粒，然后再过40目的细筛的筛选，除去通过了40目筛孔的细颗粒；

（4）干燥：将刚造好粒的焊剂颗粒放入托盘中摊开晾晒或直接放入烘箱，在150~200℃低温烘烤1~2小时；

（5）烧结：将干燥好的焊剂颗粒放入耐火钵中，在900℃下烧结2小时，然后炉冷，再分别过筛，使焊剂粒度保证在12~40目之间；

（6）对得到的焊剂颗粒进行覆膜。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：覆膜的具体工艺步骤如下：

（1）将基础焊剂盛入蒸发皿后放入烘箱中，在250℃下烘烤30分钟；

（2）打开箱盖，待焊剂温度降低至200℃，加入称取的一半的硬脂酸钙粉末，用玻璃棒不断搅拌1分钟后，加入研磨好的2402粉末，继续搅拌5分钟，使基础焊剂与液态树脂更好地接触，然后加入另一半的硬脂酸钙；

（3）待箱内温度冷却到110℃左右时，向焊剂中加入乌洛托品水溶液，然后保温10分钟，蒸发水分；

（4）将覆好膜的基础焊剂取出，破碎筛分，然后密封即得单面焊双面成型的覆膜衬垫焊剂。