CN110919234B - 原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法，包括低碳钢带和药芯粉末，药芯粉末填充于钢带中，所述的药芯粉末按质量百分含量包括如下组分：60～80%的硼铁，5～12%的硅灰石粉末，3～7%的硅铁，1～5%的白泥粉末，1～3%的氟化钠粉末，1～3%的钛酸钾粉末，余量为铁粉，所述药芯粉末占焊丝总重的12‑22%。本发明提供的焊丝，不仅免除清渣工序，减少废渣排放，提高材料利用率，而且首次拓展了熔渣功能，提出了原位生成熔渣涂层技术，原位生成的玻璃熔渣涂层具有防锈蚀和防氧化，具有保护焊缝的功能。

Description

原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
焊接熔渣在焊接冶金过程中发挥着重要作用。主要起到保护液态金属免受空气的侵入、对焊缝进行冶金净化、协助焊缝成型等作用。但焊接熔渣也能产生不利作用，如脱渣困难，脱渣性因此成为焊接工艺性能的关键指标之一；且焊后清除熔渣产生大量的材料浪费和废渣排放，污染环境。
截止目前，人类仍然将熔渣作为一种必须清除的废渣进行处理，尚未有将熔渣作为一种能够实现表面改性的有益涂层的报道。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法。本发明通过设计新型配方，首次提出一种能在焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，焊后无需敲渣，且焊道表面的涂层可以有效防锈蚀和防氧化，具有保护焊缝的作用。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提供了一种药芯粉末，所述药芯粉末按质量百分含量包括如下组分：60～80％的硼铁，5～12％的硅灰石粉末，3～7％的硅铁，1～5％的白泥粉末，1～3％的氟化钠粉末，1～3％的钛酸钾粉末，余量为铁粉。
作为优选，所述硼铁含硼量为20％，余量为铁，所述的硅灰石成分为CaSiO3，所述的硅铁含硅量为75％，余量为铁，所述的白泥成分为SiO2 50％，Al2O3 40％，Fe2O3 10％。
本发明还提供了一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层，所述焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层利用包括所述的药芯粉末通过熔焊方法制备而成。
本发明还提供了一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，所述焊丝包括低碳钢带和和所述的药芯粉末，所述药芯粉末填充于钢带中，所述药芯粉末占焊丝总重的12-22％。
作为优选，所述低碳钢带为低碳钢带H08A，其成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。
优选地，所述药芯中的硼铁，硅灰石粉末，硅铁，白泥粉末，氟化钠粉末，钛酸钾粉末及铁粉组分的粒径均大于等于200目。
优选地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.8×12mm或0.9×14mm。
优选地，所述焊丝直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm中的任意一种。
优选地，所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝及其制备方法，包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的12-22％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.0、1.2mm或1.6mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
硼铁：在焊接过程中起到先期脱氧作用，并形成B2O3，与其他氧化物复合形成玻璃熔渣涂层。本焊丝药芯中硼铁含量小于60％时，熔渣的覆盖率降低，破坏玻璃涂层完整性；当硼铁含量大于80％时，焊缝淬硬倾向最大，易出现热裂纹。
硅灰石粉末：具有提高电弧稳定性和细化熔滴的作用，同时改善玻璃涂层的物化性能，增强玻璃涂层与焊缝之间的粘性。
硅铁：脱氧，其脱氧产物进入熔渣涂层，加强熔渣涂层和焊道之间的冶金反应，增强结合力，同时改善熔渣涂层的物化性能。
白泥粉末：调整熔渣涂层的物化性能，生成尖晶石相牢固连接焊道与涂层。
氟化钠粉末：一方面F降低熔敷金属中的H含量，另外一方面Na有稳定电弧作用。并改善熔渣涂层覆盖性。
钛酸钾粉末：改善熔渣涂层的流动性，另外一方面K有稳定电弧作用。
铁粉：过渡Fe到熔敷金属中，少量的铁氧化物增加涂层对焊道的粘附性能。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明通过同时在药芯中添加硼铁，在焊接过程中起到先期脱氧作用，形成B2O3产物；硅铁起到沉淀脱氧作用，形成SiO2产物；铁粉氧化形成FeO，这两种脱氧产物共同与造渣剂硅灰石，白泥，氟化钠，钛酸钾复形成复合B2O3-SiO2-Al2O3-FeO-CaO-(Na，K)F玻璃涂层；且FeO在渣金界面的分配和迁移会增强玻璃涂层与焊缝基体的结合度；Al2O3作为尖晶石相部分嵌入焊缝，提高玻璃涂层与焊缝基体的结合强度；氟化钠和钛酸钾在焊接过程中有利于避免H气孔的产生，同时稳定电弧，而过渡到涂层中的(Na，K)F起降低玻璃涂层粘度，增加涂层覆盖率的作用。上述成分共同作用，一方面通过形成熔渣隔离空气，通过脱氧组分脱氧、固氮，造气，以改善自保护效果；另一方面形成的玻璃熔渣涂层均匀连续覆盖于焊道表面，具有防锈、防污染和防氧化的功能。
有益效果：相对于现有技术，本发明具备以下优点：
1、本发明的自保护药芯焊丝焊接产生的熔渣，免于清除。
2、该自保护药芯焊丝焊接产生的熔渣，与熔敷金属结合强度高。
3、该自保护药芯焊丝焊接产生的熔渣，是一种玻璃涂层，具备防锈蚀和防氧化和具有保护焊缝的功能。
4、通过该焊丝实施焊接，该型焊丝不仅避免了清渣所带来的工时浪费，提高了材料利用率，避免了废渣排放；同时首次发明了这种能够在焊道表面原位生成的具有防锈、防污染和防氧化功能的玻璃熔渣涂层。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所用的硼铁含硼量为20％，余量为铁，所用的硅灰石成分为CaSiO3，所用的硅铁含硅量为75％，余量为铁，所用的白泥成分约为SiO2 50％，Al2O340％，Fe2O3 10％。
实施例1
一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯粉末，药芯粉末填充于钢带中，钢带H08A成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。药芯粉末按以下质量进行配制：80g的硼铁，6g的硅灰石粉末，3g的硅铁，3g的白泥粉末，1g的氟化钠粉末，2g的钛酸钾粉末，5g的铁粉。所有粉末过200目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入U形的0.9×14mm的H08A碳钢钢带槽中，药芯粉末占焊丝总重的22％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm、1.1、1.0mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.0mm的产品。焊接电流为270～320A，焊接电压为26～30V，焊接速度为0.3m/min，层间温度控制在150～250℃，焊道表面玻璃熔渣涂层的覆盖性、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性见表1。
实施例2
一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中。钢带H08A成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：60g的硼铁，12g的硅灰石粉末，7g的硅铁，5g的白泥粉末，2g的氟化钠粉末，3g的钛酸钾粉末，11g的铁粉。所有粉末过200目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入U形的0.9×14mm的H08A碳钢钢带槽中，药芯粉末占焊丝总重的12％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.2mm的产品。焊接电流为270～320A，焊接电压为26～30V，焊接速度为0.3m/min，层间温度控制在150～250℃，焊道表面玻璃熔渣涂层的覆盖性、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性见表1。
实施例3
一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，钢带H08A成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：70g的硼铁，8g的硅灰石粉末，6g的硅铁，1g的白泥粉末，3g的氟化钠粉末，1g的钛酸钾粉末，11g的铁粉。所有粉末过200目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8×12mm的H08A碳钢钢带槽中，药芯粉末占焊丝总重的18％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。焊接电流为270～320A，焊接电压为26～30V，焊接速度为0.3m/min，层间温度控制在150～250℃，焊道表面玻璃熔渣涂层的覆盖性、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性见表1。
对比例1
一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，钢带H08A成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：55g的硼铁，10g的硅灰石粉末，6g的硅铁，5g的白泥粉末，2g的氟化钠粉末，3g的钛酸钾粉末，19g的铁粉。所有粉末过200目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8×12mm的H08A碳钢钢带槽中，药芯粉末占焊丝总重的13％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。焊接电流为270～320A，焊接电压为26～30V，焊接速度为0.3m/min，层间温度控制在150～250℃，焊道表面玻璃熔渣涂层的覆盖性、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性见表1。
对比例2
一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，钢带H08A成分为C：0.1％，Mn：0.3～0.55％，Si：0.3％，S：≤0.03％，P：≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：85g的硼铁，6g的硅灰石粉末，3g的硅铁，1g的白泥粉末，2g的氟化钠粉末，1g的钛酸钾粉末，2g的铁粉。所有粉末过200目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入U形的0.9×14的H08A碳钢钢带槽中，药芯粉末占焊丝总重的20％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm、1.1、1.0mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.0mm的产品。焊接电流为270～320A，焊接电压为26～30V，焊接速度为0.3m/min，层间温度控制在150～250℃，焊道表面玻璃熔渣涂层的覆盖性、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性见表1。
熔渣覆盖率测量方法是在200mm×80mm×20mm的试板上进行平板焊接，焊缝一次成型，长约为150mm，焊后空冷，对焊道表面摄照并用于计算机图像软件分析，以熔渣涂层覆盖面积占焊缝表面总面积比来评价熔渣涂层覆盖率。裂纹试验是在200mm×80mm×20mm的试板上进行平板焊接，焊后空冷至室温、并利用着色探伤技术显示焊道上的裂纹，记录其总长度。抗锈性实验模仿焊件截取焊道，底面涂耐高温透明防氧化阻燃涂料(耐温1700℃)，排除其对实验结果的影响，在室外服役环境，置于露天场所一个月，称重量变化Δm1。截取焊道，底面涂耐高温透明防氧化阻燃涂料(耐温1700℃)，排除其对实验结果的影响，以观察焊道表面玻璃涂层的抗高温氧化性能。经过处理的焊道置于恒重的氧化铝坩埚内，在空气中加热至700℃进行氧化实验，每隔20h测重量变化，共进行60h，3次取平均值Δm2。称重在精度为0.1mg的AL204型精密电子天平上测量。
在进行相对抗蚀性和相对抗高温氧化性计算时，选择的对比样为将实施例1中焊道表面涂层切除，进行无涂层状态下的焊缝抗锈蚀、抗高温氧化性实验，然后将其结果分别与各实施例和对比例的增重比作为相对抗锈性和相对抗高温性。
表1 焊道熔渣涂层覆盖率、裂纹敏感性、抗锈蚀及抗高温氧化性实验结果
Figure BDA0002313604610000061

Claims (9)

1.一种药芯粉末，其特征在于，所述药芯粉末按质量百分含量包括如下组分：60～80%的硼铁，5～12%的硅灰石粉末，3～7%的硅铁，1～5%的白泥粉末，1～3%的氟化钠粉末，1～3%的钛酸钾粉末，余量为铁粉。
2.根据权利要求1所述的药芯粉末，其特征在于，所述硼铁含硼量为20%，余量为铁，所述的硅灰石成分为CaSiO3，所述的硅铁含硅量为75%，余量为铁，所述的白泥成分为SiO250%，Al2O3 40%，Fe2O3 10%。
3.一种焊道表面原位生成的玻璃熔渣涂层，其特征在于，所述焊道表面原位生成的玻璃熔渣涂层利用权利要求1或2所述的药芯粉末通过熔焊方法制备而成。
4.一种焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝包括低碳钢带和权利要求1或2任一项所述的药芯粉末，所述药芯粉末填充于钢带中，所述药芯粉末占焊丝总重的12-22%。
5.根据权利要求4所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带为低碳钢带H08A，其成分为C：0.1%，Mn：0.3～0.55%，Si：0.3%，S：≤0.03%，P：≤0.03%。
6.根据权利要求4所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉末中的硼铁，硅灰石粉末，硅铁，白泥粉末，氟化钠粉末，钛酸钾粉末及铁粉组分均过200目筛。
7.根据权利要求4所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.8×12 mm或0.9×14 mm。
8.根据权利要求4所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.0 mm、1.2 mm或1.6中的任意一种。
9.权利要求4所述的焊道表面原位生成玻璃熔渣涂层的自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用成型轧辊将低碳钢带轧成U形，然后通过送粉装置将所述药芯粉末按焊丝总重的12-22%加入到U形槽中；
（2）将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.0、1.2 mm或1.6 mm，得到最终产品。
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