CN111644778A - 一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料及其制备方法和应用，该表面涂层材料包括按质量百分比计的如下组分：基础油85～90％、聚四氟乙烯4～10％、纳米二氧化钛1～2％、氧化锡0.6～1.3％、纳米锑粉0.2～0.6％、稳弧剂1.5～2.5％。该发明通过添加纳米二氧化钛、纳米锑粉等成分提高送丝性能、降低导电嘴磨损率的同时兼顾优良的导电性，同时硼酸钾和碳酸钠等稳弧剂的添加提高了无镀铜焊丝的电弧稳定性，减低飞溅，使得焊接工艺性得到很大提高，通过汉诺威定量测定电流电压变异系数降低5～10％，飞溅率降低10～15％。

Description

一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着焊接装备不断发展，自动化程度的不断提高，气保实心焊丝的使用越来越普遍，但传统气保实心焊丝以镀铜焊丝为主，在生产和使用过程中还存在一系列问题：生产过程中酸碱污染严重，电镀能耗高不利环保；镀铜层易脱落，加剧电化学腐蚀，且堵塞送丝软管，造成防锈差和送丝不畅；使用过程中存在飞溅大、焊接烟尘大，成型不良等问题，影响在自动化设备中的广泛应用。
无镀铜焊丝的出现为解决上述问题指出了方向，但仍存在以下瓶颈：防锈性能不良，导电嘴磨损严重以及导电性不佳等问题。目前无镀铜焊丝的生产主要以表面涂油和涂层进行，重点解决防锈性或者导电嘴磨损问题，但无法兼顾所有问题，如涂覆方式为毛毡或者滴定或者固体粉料压模涂覆无法克服涂覆不均匀，表面质量不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有无镀铜焊丝防锈性能不良，导电嘴磨损严重以及导电性不佳等问题。
为此，本发明提供了一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，包括按质量百分比计的如下组分：基础油85～90％、聚四氟乙烯4～10％、纳米二氧化钛1～2％、氧化锡0.6～1.3％、纳米锑粉0.2～0.6％、稳弧剂1.5～2.5％。
进一步的，所述基础油为棕榈油或者动物性脂肪类油。
进一步的，所述聚四氟乙烯的直径不大于20μm。
进一步的，所述纳米二氧化钛、氧化锡、纳米锑粉三者质量之和占表面涂层材料总质量的1.8～3.9％。
进一步的，所述纳米二氧化钛和纳米锑粉的尺寸均控制为50～150nm。
进一步的，所述稳弧剂为硼酸钾、碳酸钾中一种或两种混合物，且硼酸钾和碳酸钾两者混合的质量比为2:1。
另外，本发明还提供了上述用于无镀铜焊丝的表面涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将基础油置于反应器中加热80～100℃，搅拌30min；
2)将聚四氟乙烯、纳米二氧化钛、氧化锡、纳米锑粉、稳弧剂混合摇粉摇粉1h，待充分均匀混合后投至步骤1)的反应器中，加热至80～100℃，搅拌40min后静置，即得表面涂层材料。
本发明还提供了一种无镀铜焊丝，包括焊丝基体以及上述用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，所述表面涂层材料涂覆于焊丝基体表面。
进一步的，所述表面涂层材料的涂覆方式为减径过模涂覆，其涂覆工艺条件为预制焊丝直径略小于成品焊丝直径，且定颈压缩比控制为5～15％，表面涂层材料涂覆量控制在6～10mg/m2。
进一步的，所述表面涂层材料的涂覆方式为静电喷涂，其涂覆工艺条件为定颈直径为成品焊丝直径，表面涂层材料涂覆量控制为4～10mg/m2。
在发明中，基础油的主要作用为隔离空气，起防锈作用；聚四氟乙烯主要作用为润滑，减小拉拔及送丝阻力，且当聚四氟乙烯直径大于20μm，聚四氟乙烯颗粒无法在基础油中形成悬浮液，而且涂覆的均匀性受到影响，进而使防锈性能下降，因而将聚四氟乙烯的直径控制在20μm以下；纳米二氧化钛、氧化锡、纳米锑粉三者主要作用为降低导电嘴磨损，提高导电性，且经试验研究表明其性能受纳米微粒尺寸的影响，将纳米微粒尺寸控制为50～150nm内纳米微粒具有良好的润滑性，降低导电嘴磨损量，同时提高电弧的稳定性；稳弧剂(硼酸钾、碳酸钾)起到提高电弧稳定性，降低飞溅作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料通过添加纳米金属氧化物二氧化钛、纳米锑粉等成分提高送丝性能、降低导电嘴磨损率的同时兼顾优良的导电性，同时硼酸钾和碳酸钠等稳弧剂的添加提高了无镀铜焊丝的电弧稳定性，减低飞溅，使得焊接工艺性得到很大提高，通过汉诺威定量测定电流电压变异系数降低5～10％，飞溅率降低10～15％。
(2)本发明提供的这种无镀铜焊丝在其表面涂覆的表面涂层材料具有隔离防锈、稳弧低电阻率及改善磨削环境的特点，解决了传统镀铜焊丝因掉铜粉造成堵管，镀层覆盖不造成全锈蚀等问题，同时通过在焊丝表面形成隔离层，使得焊丝的防锈性大幅提高，空气裸放2个月不发生锈蚀。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中采用镀铜焊丝和无镀铜焊丝焊接的导电嘴磨损情况对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，包括按质量百分比计的如下组分：棕榈油88％、聚四氟乙烯7％、纳米二氧化钛1.0％、氧化锡1.2％、纳米锑粉0.5％、硼酸钾2.3％。其中，聚四氟乙烯的直径控制在20μm，纳米二氧化钛、纳米锑粉的尺寸控制在150nm左右。
表面涂层材料制备方法：将基础油置于反应器中加热100℃，搅拌30min；将其余材料放置在小型摇粉机中摇粉1h，待充分均匀混合后投入至反应器中，加热至100℃，搅拌40min后静置，制成无镀铜焊丝用表面涂层材料。
采用减颈过模涂覆的方式将上述制得的表面涂层材料涂覆于焊丝基体表面，涂覆工艺条件如下：预制焊丝直径略小于成品焊丝直径，最后定颈压缩比控制在约5％，表面涂层材料涂覆量控制在9～10mg/m2。
实施例2：
本实施例提供了一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，包括按质量百分比计的如下组分：棕榈油90％、聚四氟乙烯4.5％、纳米二氧化钛1.5％、氧化锡1.0％、纳米锑粉0.5％、碳酸钾2.5％。其中，聚四氟乙烯的直径控制在15μm，纳米二氧化钛、纳米锑粉的尺寸控制在100nm左右。
表面涂层材料制备方法：将基础油置于反应器中加热至90℃，搅拌30min；将其余材料放置在小型摇粉机中摇粉1h，待充分均匀混合后投入至反应器中，加热至90℃，搅拌40min后静置，制成无镀铜焊丝用表面涂层材料。
采用减颈过模涂覆的方式将上述制得的表面涂层材料涂覆于焊丝基体表面，涂覆工艺条件如下：预制焊丝直径略小于成品焊丝直径，最后定颈压缩比控制在约10％，表面涂层材料涂覆量控制在6～8mg/m2。
实施例3：
本实施例提供了一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，包括按质量百分比计的如下组分：动物脂肪类油85％、聚四氟乙烯10％、纳米二氧化钛2％、氧化锡0.9％、纳米锑粉0.6％、硼酸钾1.0％、碳酸钾0.5％。其中，聚四氟乙烯的直径控制在10μm，纳米二氧化钛、纳米锑粉的尺寸控制在50nm左右。
表面涂层材料制备方法：将基础油置于反应器中加热至100℃，搅拌30min；将其余材料放置在小型摇粉机中摇粉1h，待充分均匀混合后投入至反应器中，加热至100℃，搅拌40min后静置，制成无镀铜焊丝用表面涂层材料。
采用静电喷涂的涂覆方式将上述制得的表面涂层材料涂覆于焊丝基体表面，涂覆工艺条件如下：定颈直径为成品焊丝直径，表面涂层材料涂覆量控制在4～6mg/m2。
下面将本发明制备的无镀铜焊丝和现有的镀铜焊丝进行如下性能测试试验。
1)导电嘴磨损试验
试验选用铬锆铜材质导电嘴，焊接规范符合表1规定，焊接在自动化旋转设备上连续进行，焊枪不摆动，连续焊接至少10Kg焊丝，检测本发明制备的无镀铜焊丝(WH50-6N)和镀铜焊丝(WH50-6)的导电嘴磨损量结果如图1所示。
其中，导电嘴磨损量计算过程如下：焊接前称量导电嘴重量M1，焊丝重量MS1，焊后将导电嘴附着的飞溅、烟尘等清理干净后，再称量导电嘴质量M2，焊丝重量MS2，其中导电嘴称量精确到0.0001g，焊丝称量精度0.001Kg，导电嘴磨损量按照下式计算：
Figure BDA0002508263470000051
式中：
P-导电嘴磨损量(mg/Kg)；
M1-焊接前称量导电嘴重量(mg)；
M2-焊接后称量导电嘴重量(mg)；
MS1-焊接前称量焊丝重量(Kg)；
MS2-焊接后称量焊丝重量(Kg)。
表1：试验参数
焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度mm/s 极性 气体
300 30 6 直流反接 CO<sub>2</sub>
由表1和图1可知：两种焊丝的导电嘴磨损量都较小，镀铜焊丝WH50-6导电嘴磨损略大于无镀铜WH50-6N分别为0.47mg/Kg和0.162mg/Kg，无镀铜焊丝更优。
2)焊丝飞溅率
采用林肯气保焊机CV500P，试验按照GB/T25776-2010“焊接材料焊接工艺性能你评定方法”中3.2.4节有关焊接飞溅率测定方法测定不同焊丝飞溅率，其测试结果如表2所示。将尺寸为300mmx50mmx20mm的试板立放在厚度大于3mm的紫铜板上，在紫铜板上放置一个用约1mm厚紫铜薄板围成的高400mm的圆筒，其周长为1500mm-2000mm，以防止飞溅物散失。焊前称量焊丝和纸片的质量，焊后称量焊丝和包裹飞溅和纸片重量，按照下述公式计算飞溅率S，试验时ER50-6系列样品参数为电流240A，采用CO2保护，电压27V。
Figure BDA0002508263470000061
式中：
S-飞溅率；
m-飞溅物总质量，单位克(g)；
m1-焊接前焊丝重量，单位克(g)；
m2-焊接后焊丝重量，单位克(g)。
表2：不同焊丝飞溅率
Figure BDA0002508263470000062
Figure BDA0002508263470000071
从表2可以看出，整体上无镀铜焊丝的飞溅率低于镀铜焊丝，飞溅减低约20％。
3)电弧稳定性
采用汉诺威弧焊质量分析仪对不同焊丝进行电参数测试，其测试结果如表3所示。在对电弧物理特征参数的综合分析的基础上，探讨定量评价焊丝工艺性，为焊丝工艺性提供科学的评价标准，为改进和创新焊丝的工艺性提供依据。实心焊丝电弧稳定性用熔滴短路周期变异系数ε(Tc)来表示。熔滴短路周期变异系数越小，表明熔滴过渡越均匀，熔滴尺寸越均匀，焊接过程越稳定,因此熔滴短路周期变异系数ε(Tc)可以作为评价实心焊丝工艺性的判据。
表3：熔滴短路周期变异系数
Figure BDA0002508263470000072
4)焊接烟尘试验
对本发明制备的无镀铜焊丝(WH50-6N)和镀铜焊丝(WH50-6)进行焊接烟尘试验，其焊接烟尘监测所采用的焊接工艺参数如表4所示，废气监测结果如表5所示。其中，根据《环境监测技术规范》及《污染源统一监测分析办法》的有关技术要求并结合现场的实际情况进行布点，本次监测点位设置于废气排放烟道的出口；监测因子：烟尘、一氧化氮、二氧化氮、烟尘中Cr、Cu、Fe、Mn。
表4：焊接烟尘监测所采用的焊接工艺参数
焊接位置 平焊 保护气流量 18L/min
焊接电流 200～205A 环境温度 28℃
焊接电压 21～22V 环境湿度 75％
焊接速度 20cm/min 焊接时间 12min
表5：废气监测结果(单位：mg/m3)
Figure BDA0002508263470000081
由上表可知，无镀铜焊丝WH50-6N所产生的烟尘量平均为19.4mg/m3，镀铜焊丝WH50-6烟尘量平均为52.1mg/m3，两者相比较无镀铜焊丝焊接时所产生的烟尘量比镀铜焊丝降低60％；无镀铜焊丝WH50-6N的“铜烟”量平均为0.16mg/m3，镀铜焊丝的“铜烟”尘量平均为0.957mg/m3，无镀铜焊丝焊接时所产生的铜烟尘量降低了约80％；无镀铜焊丝WH50-6N的“铁烟”量平均为7.3mg/m3，镀铜焊丝所产生的铁烟尘量平均为23.37mg/m3，无镀铜焊丝焊接时所产生的铁烟尘量降低了约70％；无镀铜焊丝WH50-6N产生的锰烟尘量平均为1.55mg/m3，镀铜焊丝所产生的锰烟尘量平均为3.2mg/m3，无镀铜焊丝焊接时所产生的锰烟尘量降低了约50％；由此可见，采用本发明表明涂层材料涂覆制备的无镀铜焊丝焊接时所产生的烟尘量、铜烟尘量、铁烟尘量及锰烟尘量相较于镀铜焊丝均大大减少。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分：基础油85～90％、聚四氟乙烯4～10％、纳米二氧化钛1～2％、氧化锡0.6～1.3％、纳米锑粉0.2～0.6％、稳弧剂1.5～2.5％。
2.如权利要求1所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，所述基础油为棕榈油或者动物性脂肪类油。
3.如权利要求1所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的直径不大于20μm。
4.如权利要求1所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛、氧化锡、纳米锑粉三者质量之和占表面涂层材料总质量的1.8～3.9％。
5.如权利要求1所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛和纳米锑粉的尺寸均控制为50～150nm。
6.如权利要求1所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，其特征在于，所述稳弧剂为硼酸钾、碳酸钾中一种或两种混合物，且硼酸钾和碳酸钾两者混合的质量比为2:1。
7.如权利要求1～6任一项所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将基础油置于反应器中加热80～100℃，搅拌30min；
2)将聚四氟乙烯、纳米二氧化钛、氧化锡、纳米锑粉、稳弧剂混合摇粉1h，待充分均匀混合后投至步骤1)的反应器中，加热至80～100℃，搅拌40min后静置，即得表面涂层材料。
8.一种无镀铜焊丝，其特征在于，包括焊丝基体以及如权利要求1～6任一项所述的一种用于无镀铜焊丝的表面涂层材料，所述表面涂层材料涂覆于焊丝基体表面。
9.如权利要求8所述的无镀铜焊丝，其特征在于，所述表面涂层材料的涂覆方式为减径过模涂覆，其涂覆工艺条件为预制焊丝直径略小于成品焊丝直径，且定颈压缩比控制为5～15％，表面涂层材料涂覆量控制在6～10mg/m2。
10.如权利要求8所述的无镀铜焊丝，其特征在于，所述表面涂层材料的涂覆方式为静电喷涂，其涂覆工艺条件为定颈直径为成品焊丝直径，表面涂层材料涂覆量控制为4～10mg/m2。
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