CN109483088B - 焊接背面保护剂及其制备方法和在深熔tig焊接中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开焊接背面保护剂及其制备方法和在深熔TIG焊接中的应用，选取粉末NaCl5—10质量份、CaO10—15质量份、CaF215‑20质量份、SiO25‑10质量份、CaSiO325‑30质量份、TiO25‑10质量份、Cr2O35‑10质量份、Al2O31‑5质量份、MnO21‑5质量份和V2O51‑5质量份，在研钵中研磨使其混合均匀。将背面保护剂粉末与丙酮混合后，均匀涂敷在试件表面，待丙酮完全挥发后进行焊接。试验采用MHZ1000型直流焊机及自制的深熔TIG焊枪进行对接焊，基材采用AISI 316不锈钢以及X70管线钢。本发明采用背面保护粉末的深熔TIG焊可以实现背面焊缝的有效保护及防止背面焊缝的氧化，从而保证焊接质量，同时背面保护粉末的加入有利于熔池的形成，从而降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更加具体地说，涉及焊接背面保护剂及其制备方法和在深熔TIG焊接中的应用，具体涉及不锈钢和碳钢的深熔TIG焊焊接方法。
背景技术
深熔TIG焊在传统TIG焊接的基础上通过大电流(>300A)形成的较大电弧压力与熔池液态金属的表面张力实现相对平衡，形成小孔而实现深熔焊接。它可以实现12mm 厚不锈钢材料的单面焊双面成型，焊接过程稳定，波纹细腻，成型美观，是真正的高速、高效、低成本的焊接方法，是对传统TIG焊的革新。深熔TIG焊是一种小孔焊接方法，其与小孔等离子焊在焊接过程中形成小孔的原理有本质区别，等离子焊接需要压缩电弧，焊接能量密度很高，而深熔TIG焊接法形成的小孔是“自然”形成的，电弧不经过压缩，主要是靠大电流形成的电弧力与表面张力平衡形成小孔而焊接。深熔TIG焊焊接时，基材在高温电弧的作用下迅速被加热，表面温度在极短时间内升高到沸点，金属熔化或汽化。金属汽化时，产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的逸出对熔化的液态金属产生一个反作用力，与电弧压力共同作用，使熔池金属表面向下凹陷，产生一个小凹坑，熔化的金属被挤向熔池四周。这个过程继续进行下去，便在液态金属中形成一个小孔。由于深熔TIG焊是一种穿孔焊接方法，在实际焊接过程中，深熔TIG焊的电弧在穿透试样之后会与空气接触，与空气接触的电弧会被产生氧化，从而影响焊缝的性能。通常意义的背面方法是用氩气保护，但是氩气保护技术应用范围较窄，工业应用场景较少。因此，需要寻求一种高效、应用范围广的背面保护方法。而背面保护粉末是在深熔 TIG焊过程中，在焊件背面涂敷一层活性剂，最终获得焊缝保护效果的焊接方法。与传统的氩气保护相比，背面粉末保护可以简化焊接工艺，提高生产率，降低生产成本，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供焊接背面保护剂及其制备方法和在深熔TIG焊接中的应用，通过该背面保护剂的使用，可完全焊透6mm厚的不锈钢及碳钢，保证背面焊缝不被氧化，从而保证焊缝性能。
本发明主要是针对深熔TIG焊，背面保护剂的筛选和配比，采用背面保护粉末的深熔TIG焊可以实现背面焊缝的有效保护及防止背面焊缝的氧化，从而保证焊接质量，同时背面保护粉末的加入有利于熔池的形成；不仅可以节约大量的能源消耗，而且还可以应用在更广泛的焊接位置及场所，从而降低制造成本。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
焊接背面保护剂，由NaCl 5—10质量份、CaO 10—15质量份、CaF2 15-20质量份、SiO2 5-10质量份、CaSiO3 25-30质量份、TiO2 5-10质量份、Cr2O3 5-10质量份、Al2O3 1-5质量份、MnO2 1-5质量份和V2O5 1-5质量份组成。
优选NaCl 5—8质量份、CaO 10—12质量份、CaF2 15—18质量份、SiO2 8—10质量份、CaSiO3 25—30质量份、TiO2 8—10质量份、Cr2O3 5—8质量份、Al2O3 3—5质量份、 MnO21—3质量份和V2O5 1—3质量份组成。
上述焊接背面保护剂中各个组分选择粉末，粒径为100—300目，优选150—200目。
在进行制备时，采用电子称称取各种试剂粉末，在研钵中研磨使其混合均匀，然后用筛子选取100-300目的粉末，研磨时间为10—30min。
在进行使用时，将上述焊接背面保护剂和丙酮混合成糊状或膏状后，均匀涂敷在试件表面，即涂覆在待焊接工件表面的背面并覆盖焊缝，其中焊接背面保护剂为92—95质量份，丙酮为5—8质量份。
涂敷厚度以刚好掩盖试件表面的金属光泽为宜，一般控制在0.1—0.5mm，优选0.1— 0.3mm，待丙酮完全挥发后进行焊接。
上述焊接背面保护剂在焊接AISI 316不锈钢或者X70管线钢中的应用，对背面焊缝金属进行涂覆和保护。
试验采用MHZ1000型直流焊机及自制的深熔TIG焊枪进行对接焊。焊接过程中采用直流正接的方式，焊枪保持不动工件沿纵向移动完成焊接过程。AISI316实验使用的焊接工艺参数为焊接电流为400—420A，焊接速度为200—300mm/min，电弧长度1—3mm，钨极直径8—10mm，钨极角度为50—60°，氩气流量20-25L/min。X70实验的焊接工艺参数为焊接电流为400—420A，焊接速度为250—300mm/min,电弧长度1—3mm，钨极直径8—10mm，钨极角度为50—60°，氩气流量20-25L/min。
在焊接不锈钢和管线管时,由于该类材料中的元素与氧的亲和能力大,如果不采取焊缝保护措施,背面的焊缝金属很容易在焊接过程中被氧化,发生合金元素的烧损,且易产生焊接缺陷,造成焊缝金属的力学性能和耐蚀性下降。为保证焊接质量,在进行此类材料焊接时,不可避免的需要对焊缝背面进行保护，而常用保护方法为焊缝背面充氩保护。背面充氩保护存在着一些自身很难克服的缺点：工作效率低。由于充氩气和焊接操作是同时进行的,因此两个操作存在相互干涉的问题,尤其在检修焊接时,检修空间的狭小往往会影响施工效率和焊接质量；浪费严重。充氩用气量跟打底层焊接时间成正比,所以当焊接大口径管道时,氩气的用量是相当大的。另外焊接过程中的“常气流”现象也是造成充氩气保护成本高的重要因素；充氩气保护无法解决的问题是在缺陷焊口处,挖补时无法进行充氩保护,进而使得焊补处成为安全隐患。
在本发明中，提供适用于深熔TIG焊的焊缝背面保护剂，在焊接过程中,可以应用保护剂对焊缝背面进行保护,从而给不锈钢和管线钢的焊接带来很大的方便,同时为焊缝保护提供一种新的方法。在待焊接工件表面的背面并覆盖焊缝后，既可以免去充气保护，同时在焊接时背面保护剂参与反应并进行吸热，起到对焊接工件的冷却作用，从而在一定程度上冷却熔池，使热影响区变窄。
与现有技术相比，本发明通过添加背面保护剂的深熔TIG焊实现了6mm厚的AISI316奥氏体不锈钢及X70钢的背面保护效果，该方法简化了焊接保护工艺，提高了生产效率，降低了生产成本，具有较高的应用价值。本发明通过使用背面保护剂可以有效防止焊缝背面在焊接过程中的氧化，节约了能源消耗，同时一定程度上冷却熔池，对焊接过程中的熔池的稳定起了一定的效果，保证了焊缝的性能。
附图说明
图1是没有使用背面保护剂的焊缝背面的照片(AISI316)。
图2是使用背面保护剂的焊焊缝背面的照片(AISI316)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
| 药品名称 | 分子式 | 纯度 | 规格 | 生产厂家 |
| 氯化钠 | NaCl | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 氧化钙 | CaO | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 氟化钙 | CaF<sub>2</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 二氧化硅 | SiO<sub>2</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 硅酸钙 | CaSiO<sub>3</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 二氧化钛 | TiO<sub>2</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 三氧化铬 | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | ≥99％ | 分析纯 | 天津风船化学试剂有限公司 |
| 氧化铝 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 氧化锰 | MnO<sub>2</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
| 氧化钒 | V<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | ≥98％ | 分析纯 | 天津江天化工技术有限公司 |
基材前处理：基材采用AISI 316不锈钢(其化学成分如表1所示)以及X70管线钢(其化学成分如表2所示)，焊前需要用机械方法进行打磨直至板材出现金属光泽，然后采用无水乙醇清理表面的油脂等污物，尤其是在焊接接头两侧各50mm的范围内一定要保证焊件表面的洁净。一般情况下，焊件清洗完毕后必须及时使用，以避免沾染油污对焊接质量的影响，否则需要重新进行清洗。
表1 AISI 316化学成分(质量百分数，wt％，其余为Fe)
| Ni | Cr | P | Mn | C | Si | S | Mo |
| 10～14 | 16～18 | 0.045 | ≤2.0 | ≤0.08 | ≤0.75 | ≤0.030 | 1.75～2.25 |
表2 X70化学成分(质量百分数，wt％，其余为Fe)
| V | Nb | P | Mn | C | Si | S | Ti |
| ≤0.06 | ≤0.05 | 0.020 | ≤1.70 | ≤0.16 | ≤0.45 | ≤0.010 | ≤0.06 |
采用电子称称取各种试剂粉末，在研钵中研磨半小时使其混合均匀，然后用筛子选取100-300目的粉末。将92～95％的背面保护剂粉末与5～8％的丙酮混合成糊状或膏状后，采用毛刷将活性剂均匀的涂敷在试件表面；涂敷厚度以刚好掩盖试件表面的金属光泽为宜，一般控制在0.3mm，待丙酮完全挥发后进行焊接。配置活性剂粉末如下表3所示，单位为g：
表3配置活性剂粉末
| 药品名称 | 编号1 | 编号2 | 编号3 | 编号4 | 编号5 |
| 氯化钠 | 5 | 10 | 8 | 10 | 5 |
| 氧化钙 | 15 | 10 | 12 | 10 | 15 |
| 氟化钙 | 20 | 15 | 18 | 15 | 15 |
| 二氧化硅 | 10 | 5 | 8 | 5 | 10 |
| 硅酸钙 | 30 | 25 | 30 | 25 | 30 |
| 二氧化钛 | 8 | 5 | 8 | 5 | 10 |
| 三氧化铬 | 5 | 10 | 10 | 5 | 8 |
| 氧化铝 | 3 | 1 | 3 | 5 | 5 |
| 氧化锰 | 3 | 3 | 5 | 5 | 1 |
| 氧化钒 | 1 | 1 | 3 | 3 | 5 |
焊接过程：试验采用MHZ1000型直流焊机及自制的深熔TIG焊枪进行对接焊。焊接过程中采用直流正接的方式，焊枪保持不动工件沿纵向移动完成焊接过程。实验采用的焊接工艺参数如表4、5所示。
表4 AISI316焊接工艺参数
表5 X70焊接工艺参数
AISI316不锈钢的深熔TIG焊，涂有背面保护剂和没有涂背面保护剂的焊缝力学性能参数对比。接头横向拉伸实验根据GB/T 2651-2008国家标准《焊接接头拉伸试验方法》对焊接后的试样进行取样和力学试验。采用CSS-44100万能拉伸试验机，拉伸速率为 2mm/min，每组实验取3个平行试样，取其平均值作为该焊接接头的抗拉强度值。
本专利中所使用的材料的基本力学参数，如下表所示。
AISI316不锈钢深熔TIG背面涂有保护剂和没有涂保护剂焊缝力学性能试验对比
X70钢深熔TIG背面涂有保护剂和没有涂保护剂焊缝力学性能试验对比
从焊缝力学测试结果可以看出，AISI316不锈钢深熔TIG，焊缝背面涂有保护剂后，其焊缝抗拉强度值从没有涂保护剂时的538MPa,提到到了666MPa,力学性能提高了近23.8％，几乎接近了母材的抗拉强度。针对X70管线管，焊缝背面涂有保护剂后，其焊缝的抗拉强度值达到了589MPa,比没有涂保护剂的时候，提到了近13.8％。经测量，可以发现热影响区明显变窄，背面涂有保护剂形成的热影响区宽度仅仅为背面没有涂保护剂的热影响区宽度的50—60％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.焊接背面保护剂，其特征在于，由NaCl 5—10质量份、CaO 10—15质量份、CaF215-20质量份、SiO2 5-10质量份、CaSiO3 25-30质量份、TiO2 5-10质量份、Cr2O3 5-10质量份、Al2O3 1-5质量份、MnO2 1-5质量份和V2O5 1-5质量份组成。
2.根据权利要求1所述的焊接背面保护剂，其特征在于，由NaCl 5—8质量份、CaO 10—12质量份、CaF2 15—18质量份、SiO2 8—10质量份、CaSiO3 25—30质量份、TiO2 8—10质量份、Cr2O3 5—8质量份、Al2O3 3—5质量份、MnO2 1—3质量份和V2O5 1—3质量份组成。
3.根据权利要求1或者2所述的焊接背面保护剂，其特征在于，各个组分选择粉末，粒径为100—300目。
4.如权利要求1所述的焊接背面保护剂的制备方法，其特征在于，采用电子称称取各种试剂粉末，在研钵中研磨使其混合均匀，然后用筛子选取100-300目的粉末，研磨时间为10—30min。
5.如权利要求1所述的焊接背面保护剂的使用方法，其特征在于，在进行使用时，将焊接背面保护剂和丙酮混合成糊状或膏状后，均匀涂敷在试件表面，即涂覆在待焊接工件表面的背面并覆盖焊缝，其中焊接背面保护剂为92—95质量份，丙酮为5—8质量份。
6.根据权利要求5所述的焊接背面保护剂的使用方法，其特征在于，涂敷厚度以刚好掩盖试件表面的金属光泽为宜，一般控制在0.1—0.5mm，待丙酮完全挥发后进行焊接。
7.如权利要求1所述的焊接背面保护剂在深熔TIG焊接AISI 316不锈钢或者X70管线钢中的应用，其特征在于，对背面焊缝金属进行涂覆和保护。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，AISI316的焊接工艺参数为焊接电流为400—420A，焊接速度为200—300mm/min，电弧长度1—3mm，钨极直径8—10mm，钨极角度为50—60°，氩气流量20-25L/min；X70的焊接工艺参数为焊接电流为400—420A，焊接速度为250—300mm/min，电弧长度1—3mm，钨极直径8—10mm，钨极角度为50—60°，氩气流量20-25L/min。
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