CN110052739A - 一种高强高韧埋弧横焊焊剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强高韧埋弧横焊焊剂及其制备方法和应用，其中，高强高韧埋弧横焊焊剂，包括焊剂药粉和粘合剂，所述焊剂药粉包括以下重量份的各组分：氧化镁20‑25份、氧化钙9‑15份、三氧化二铝25‑30份、氟化钡15‑20份、电解金属锰5‑10份、硅泥8‑12份、镍粉1.5‑2.5份。本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，采用该埋弧焊剂熔敷金属抗拉强度达到620MPa,低温冲击功较高，专门用于横焊焊接，脱渣容易，成形美观，可以保证焊接质量。

Description

一种高强高韧埋弧横焊焊剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于焊接材料中焊剂领域，尤其是涉及一种高强高韧埋弧横焊焊剂及其制备方法和应用，该焊剂熔敷金属强度为60kg级，低温韧性指标为-30℃＞50J。
背景技术
随着承压储罐类产业快速发展，储罐材料日益改进，现在承压储罐抗拉强度已逐渐提高，已有使用12MnNiDR钢板为主要材料的高强度储罐，这也使得对配套埋弧横焊焊材性能要求提升。且在横焊工艺下，对焊缝铁水流动性，渣壳粘度要求更加苛刻，铁水流动性较差，无法填满K型坡口，铁水流动性过好，又容易出现铁水下淌。同时要求颗粒度较细较匀，可以将焊缝填满。现国内埋弧横焊焊材抗拉强度都在500MPa级，属于普通碳钢用级别。根据承压储罐材料的发展及要求，尤其针对现有的12MnNiDR，发明一种熔敷金属抗拉强度大于620MPa，-30℃冲击吸收功大于50J的低合金高强钢用埋弧横焊专用焊剂来满足现承压储罐高强高韧的特点是十分必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高强高韧埋弧横焊焊剂，以克服现有技术的缺陷，采用该埋弧焊剂熔敷金属抗拉强度达到620MPa,低温冲击功较高，专门用于横焊焊接，脱渣容易，成形美观，可以保证焊接质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高强高韧埋弧横焊焊剂，包括焊剂药粉和粘合剂，所述焊剂药粉包括以下重量份的各组分：氧化镁20-25份、氧化钙9-15份、三氧化二铝25-30份、氟化钡15-20份、电解金属锰5-10份、硅泥8-12份、镍粉1.5-2.5份。
优选的，所述氧化镁、氧化钙、氟化钡、硅泥和三氧化二铝的颗粒度60％以上分布在120-150目。
优选的，所述电解金属锰和镍粉的颗粒度99％分布于60-100目之间。
优选的，焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比高于50％。
优选的，氧化镁纯度≥90wt％、氧化钙纯度≥95wt％、氟化钡纯度≥95wt％、三氧化二铝纯度≥95wt％，金属锰中含锰量≥99.0wt％，硅泥中含二氧化硅量≥95wt％，镍粉含镍量≥98wt％。
优选的，所述粘合剂加入量为焊剂粉料总重量的18-21％。
优选的，所述粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1，波美度为45Be0，20℃下粘度≥250PaS。
本发明焊剂药粉的配方分析：
氧化镁和氧化钙，氧化镁和氧化钙作用相近，一是在高温下生成还原性的气氛，利于电弧气氛中的钾、钠离子存在，从而提高电弧稳定性；二是镁和钙具有一定的脱硫作用。相较于氧化钙，较纯的氧化镁是更常见的生产原料。但是由于要抑制焊剂中铝元素可能带来的气孔影响，需加入一定量的氧化钙。按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，氧化镁含量是20-25份，氧化钙含量为9-15份。
三氧化二铝，三氧化二铝可增加焊缝的脱硫能力，且通过增加三氧化二铝可以使焊缝波纹更加细密，同时由于铝元素对焊缝的冶金作用，使焊缝冷却时发生相变体积变化，从而促进焊缝脱渣，这对横焊焊接的脱渣性能有很大影响。同时三氧化二铝较多时，必须配有足够的氧化钙，否则容易产生气孔。在本发明中，按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，三氧化二铝含量为25-30份。
氟化钡，在焊接的高温条件下，氟化物能够与二氧硅反应，生成的气体有利于排除电弧区的氢气。另外氟化钡是所有氟化物中熔沸点较高的，凝固时具有强烈的稀渣作用，能够增加熔池的流动性，保证焊缝在大参数下成形美观，但是同时氟化物使焊剂碱性增加，电弧电离性变差，过多的氟化物会造成电弧不稳定，从而影响到焊接工艺性。为了获得合适的焊接性能，在本发明中，按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，氟化钡含量在15-20份。
金属锰，锰是很好脱氧脱硫元素，同时也是重要的合金过渡元素。许多高强钢焊丝为了达到高的熔敷金属抗拉强度会在焊丝中添加较多的锰元素来提高强度，而这部分锰会在焊接时烧损一些，为了补充这部分烧损的锰元素，需要在焊剂中加入对应的锰含量。但是随着锰含量增加，低温韧性强化效果逐渐减弱，过多的锰甚至会对低温冲击性能带来不利影响。在本发明中，按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，金属锰含量在5-10份。
硅泥，硅是强力的脱氧剂，脱氧能力是锰4倍左右，硅可以细化熔滴，改变铁水流动性，同时提高熔敷金属抗拉强度，但提升量根据熔敷金属的锰含量有所限定，当加入的硅较多时，会降低焊缝低温韧性。在本发明中，按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，加入硅泥含量为8-12份。
镍粉，金属镍粉是该产品拥有良好低温韧性的关键所在，镍会显著改变相变温度，影响焊缝组织，从而显著降低韧脆转变温度。但镍含量过高会增加热裂纹倾向。本次发明中，按重量份计，100份的焊剂药粉原料中，镍含量在1.5-2.5份。
本发明的另一目的在于提出一种高强高韧埋弧横焊焊剂的制备方法，以制备上述高强高韧埋弧横焊焊剂。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高强高韧埋弧横焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将配方量的焊剂药粉各组分混匀，再将它们跟粘合剂混合均匀，得混合物A；
(2)将混合物A分别多次过30目筛与60目筛,取颗粒度在30-60目的混合物A备用；
(3)将颗粒度在30-60目的混合物A置于通风干燥处12-18h进行初步晾干；
(4)将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300-350℃保温1-2h去除水分，再于800-850℃保温1-2h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
优选的，步骤(4)中，将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300℃保温1h去除水分，再于800℃保温1h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
本发明还涉及如上所述的高强高韧埋弧横焊焊剂在承压储罐横焊中的应用。
相对于现有技术，本发明所述的一种高强高韧埋弧横焊焊剂具有以下优势：
本发明所述的一种高强高韧埋弧横焊焊剂，通过调整氟化钡，氧化物，硅泥、三氧化二铝的含量，确定一个适宜的渣系，使渣壳粘度，铁水流动性满足横焊的特殊要求。通过加入一定量的合金成分起强化作用，并控制好各元素间的比例，来获得620MPa的熔敷金属抗拉强度，以及50J的-30℃的低温冲击功。同时把握好焊剂本身的颗粒度，能够有效提升焊剂焊接工艺性。
本发明所述的一种高强高韧埋弧横焊焊剂，可与埋弧低合金钢焊丝H08MnMoA配套使用,其抗拉强度达到620MPa，低温冲击功-30℃≥50J。与500MPa级使用的焊剂相比，强度更高，低温冲击韧性更好。由于配合焊丝由H10Mn2变更为H08MnMoA，其焊剂组分相比要进行调整。因H08MnMoA中本身含有一定量的钛、钼元素，而如果在焊剂中再加入钛可能会造成钛含量过高而引起的黏渣，于是舍弃金红石，钛铁合金此类含钛元素组分，而钼含量过高会引起低温冲击吸收功降低，舍弃钼铁组分。
本发明所述的一种高强高韧埋弧横焊焊剂，将焊剂药粉颗粒度范围控制在30-60目，并且保证40-50目的颗粒度占比＞50％也是本次发明亮点之一。
所述一种高强高韧埋弧横焊焊剂的制备方法与上述高强高韧埋弧横焊焊剂相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规化学试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
一种高强高韧埋弧横焊焊剂，包括焊剂药粉和粘合剂，所述焊剂药粉包括以下重量份的各组分：氧化镁20-25份、氧化钙9-15份、三氧化二铝25-30份、氟化钡15-20份、电解金属锰5-10份、硅泥8-12份、镍粉1.5-2.5份。
首先要对焊剂中焊剂药粉的原材料成分进行优选控制。要求氧化镁纯度≥90wt％、氧化钙纯度≥95wt％、氟化钡纯度≥95wt％、三氧化二铝纯度≥95wt％，金属锰中含锰量≥99.0wt％，硅泥中含二氧化硅量≥95wt％，镍粉含镍量≥98wt％。并控制其中矿粉类(氧化镁、氧化钙、氟化钡、硅泥)以及化工类原材料(三氧化二铝)的颗粒度60％以上分布在120-150目。金属粉(电解金属锰和镍粉)的颗粒度99％分布于60-100目之间，这样更利于焊剂成品颗粒度的控制。
成品后，焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比高于50％。
作为本发明一种可选的实施例，粘合剂可选为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。波美度为45Be0，20℃下粘度≥250PaS。粘合剂加入量为焊剂粉料总重量的18-21％，略低于焊剂生产常用量，便于制造颗粒度更细的焊剂。
制备上述的高强高韧埋弧横焊焊剂的方法，包括以下步骤：
(1)将配方量的焊剂药粉各组分混匀，再将它们跟粘合剂混合均匀，得混合物A；
(2)将混合物A分别多次过30目筛与60目筛,取颗粒度在30-60目的混合物A备用；
(3)将颗粒度在30-60目的混合物A置于通风干燥处12-18h进行初步晾干；
(4)将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300-350℃保温1-2h去除水分，再于800-850℃保温1-2h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
作为本发明一个优选的实施情况，步骤(4)中，将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300℃保温1h去除水分，再于800℃保温1h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
下面结合实施例来详细说明本发明。
制作流程具体如下：
对焊剂中焊剂药粉的原材料成分进行优选控制。要求氧化镁纯度≥90wt％、氧化钙纯度≥95wt％、氟化钡纯度≥95wt％、三氧化二铝纯度≥95wt％，金属锰中含锰量≥99.0wt％，硅泥中含二氧化硅量≥95wt％，镍粉含镍量≥98wt％。并控制其中矿粉类(氧化镁、氧化钙、氟化钡、硅泥)以及化工类原材料(三氧化二铝)的颗粒度60％以上分布在120-150目。金属粉(电解金属锰和镍粉)的颗粒度99％分布于60-100目之间。
将焊剂药粉各原料组分按比例称取共2kg，每种粉剂称取误差小于0.5g，将称取好的粉剂先进行干搅拌，混合至颜色均匀后加入前文所述的定量水玻璃进行湿混与搅拌，待均匀后，分别多次过30与60目筛。将筛好后的焊剂置于通风干燥处12-18h来进行初步晾干。之后放入高温炉，300℃保温1h去除水分，800℃保温1h完成烧结，提高焊剂本身强度及耐潮性。焊剂完成后立即按照国标要求进行熔敷金属力学实验。
为验证各组粉的影响，进行以下实验：
实施例1
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)按照上述成分与制成埋弧焊剂，根据国标GB/T 36034-2018《埋弧焊用高强钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂分类组合要求》以及GB/T47018-2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》来进行对焊剂及熔敷金属硫磷含量检验、熔敷金属力学性能测试，以及熔敷金属射线探伤、熔敷金属弯曲测试验。
根据上述标准，配合直径为4.0mm的承压用H08MnMoA焊丝做焊接试验。最后各项指标如下。
①焊剂硫磷含量：
②熔敷金属硫磷含量：
③熔敷金属力学性能
④射线探伤检验：经X光射线探伤，质量等级为一级。
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(3)成品后，焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比为65％。
实施例2
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)按照上述成分制成埋弧焊剂同样按照实施例1的规范进行试验。最后各项指标如下。
①焊剂硫磷含量：
②熔敷金属硫磷含量
③熔敷金属力学性能
④射线探伤检验：经X光射线探伤，质量等级为一级。
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(3)成品后，焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比为60％。
实施例3
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)按照上述成分制成埋弧焊剂同样按照实施例1的规范进行试验。最后各项指标如下。
①焊剂硫磷含量：
②熔敷金属硫磷含量
③熔敷金属力学性能
④射线探伤检验：经X光射线探伤，质量等级为一级。
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(3)成品后，焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比为58％。
为了体现各原料之间的作用，特做元素含量不符合前文所述的对比例如下：
对比例1(减少氧化钙及氧化镁)：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)熔敷金属力学性能：
可见氧化物减少，延伸率会大幅下降，无法满足要求。
对比例2(减少金属锰)：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)熔敷金属力学性能：
可见锰含量减少，抗拉及屈服降低，无法满足要求。
对比例3(增加金属锰)：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)熔敷金属力学性能：
可见锰含量增加，强度提高，但是低温冲击吸收功低于要求。
对比例4(减少金属镍)：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)熔敷金属力学性能：
可见镍含量降低，冲击吸收功大幅减少，不满足要求。
对比例5(增加金属镍)：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量份数如下表：(份)
(2)熔敷金属力学性能：
可见增加金属镍各项性能略微提升，但金属镍本身属贵重金属，加入镍过多不仅不符合成本节约原则也会带来热裂纹缺陷。
通过上述三个实施例与五个对比例，得到如下结论：
本发明的焊剂可用于埋弧横焊焊接工艺，配合相应的埋弧焊丝可以获得抗拉强度620MPa以上，-30℃低温冲击吸收工大于50J较好的力学性能。同时焊缝可以通过射线探伤检验，证明焊缝不存在会产生明显影响的缺陷，焊接工艺性可以有所保证。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强高韧埋弧横焊焊剂，包括焊剂药粉和粘合剂，其特征在于：所述焊剂药粉包括以下重量份的各组分：氧化镁20-25份、氧化钙9-15份、三氧化二铝25-30份、氟化钡15-20份、电解金属锰5-10份、硅泥8-12份、镍粉1.5-2.5份。
2.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：所述氧化镁、氧化钙、氟化钡、硅泥和三氧化二铝的颗粒度60％以上分布在120-150目。
3.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：所述电解金属锰和镍粉的颗粒度99％分布于60-100目之间。
4.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：焊剂药粉的颗粒度在30-60目，且40-50目的颗粒度占比高于50％。
5.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：氧化镁纯度≥90wt％、氧化钙纯度≥95wt％、氟化钡纯度≥95wt％、三氧化二铝纯度≥95wt％，金属锰中含锰量≥99.0wt％，硅泥中含二氧化硅量≥95wt％，镍粉含镍量≥98wt％。
6.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：所述粘合剂加入量为焊剂粉料总重量的18-21％。
7.根据权利要求1所述的高强高韧埋弧横焊焊剂，其特征在于：所述粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1，波美度为45Be0，20℃下粘度≥250PaS。
8.一种制备如权利要求1至7任意一项所述的高强高韧埋弧横焊焊剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将配方量的焊剂药粉各组分混匀，再将它们跟粘合剂混合均匀，得混合物A；
(2)将混合物A分别多次过30目筛与60目筛,取颗粒度在30-60目的混合物A备用；
(3)将颗粒度在30-60目的混合物A置于通风干燥处12-18h进行初步晾干；
(4)将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300-350℃保温1-2h去除水分，再于800-850℃保温1-2h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
9.根据权利要求8所述的高强高韧埋弧横焊焊剂的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，将经初步晾晒的颗粒度在30-60目的混合物A于300℃保温1h去除水分，再于800℃保温1h完成烧结，即可得本发明所述的高强高韧埋弧横焊焊剂。
10.如权利要求1至7任意一项所述的高强高韧埋弧横焊焊剂在承压储罐横焊中的应用。
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