CN116690027A - 一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接材料领域，公开了一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂及其制备方法。所用原料重量百分比为：烧结镁砂：23‑27%、铝矾土：20‑23%、浮选萤石：15‑20%、大理石：7‑10%、硅灰石：10‑15%、锰铁：2‑3%、高硅硅铁：1‑1.5%、金红石：8‑10%、氧化铈：1‑2%。按比例称重混合后搅拌均匀，然后加入重量为粉料总重量18～23%的钾钠水玻璃进行湿混，待均匀湿混后的混合物进行造粒，然后依次使用10目筛网和40目筛网对混合物进行过筛，将介于10目及40目之间的混合物置于150℃‑200℃进行烘干，烘干后放入780‑850℃烧结。本发明得到了渣系为Al2O3‑SiO2‑MgO‑CaF2‑TiO2的适用304不锈钢埋弧焊用焊剂配方，本配方焊剂的熔点高，熔渣薄，焊剂的消耗量大大减少。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，公开了一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂及其制备方法。
背景技术
304钢作为奥氏体不锈钢中应用最为广泛的种类，一直受到国内研究人员的高度重视，但对其配套焊剂的研发则较少，当今一些不锈钢焊接生产中仍然使用熔炼焊剂。
在常温下304奥氏体不锈钢的显微组织为稳定的奥氏体组织，与其他类型的不锈钢相比，该材料不发生相变，对氢不敏感，易焊接，且焊态接头有良好的塑韧性，但焊缝处容易产生热裂纹和晶间腐蚀。
晶间腐蚀是沿晶粒分界面向内延伸的腐蚀，极大降低了晶粒间结合力，从而降低金属的强度，但出现晶间腐蚀时，外表面却无异常状态，不容易被检测出来，因而给材料的使用带来极大的安全隐患。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂。通过对焊剂配方设计，特别是稀土氧化铈比例的设计，最终得到的焊接接头具有与母材相当的性能，如抗拉强度、冲击韧性等，采用本配方的焊剂焊接，电弧稳定，脱渣好，焊缝成型美观，具有良好的使用性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
（1）一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂，所用原料重量百分比为：烧结镁砂：23-27%、铝矾土：20-23%、浮选萤石：15-20%、大理石：7-10%、硅灰石：10-15%、锰铁：2-3%、高硅硅铁：1-1.5%、金红石：8-10%、氧化铈：1-2%；各原料总量为100%。
所用粘结剂为钾钠水玻璃，其用量为上述粉料总重的18～23%。
其中上述各原料的主要成分及重量百分比成分如下：
烧结镁砂主要成分MgO，其中MgO：90～95%、SiO2≤5%、S≤0.03%、P≤0.03%、C≤0.20%、1hr@1000℃的烧失量≤1.0%；粒度要求为100%通过40目且95%以上通过60目，但过200目数量不超过30%；
铝矾土主要成分是Al2O3，其中Al2O3：80～85%、SiO2:5～10%、Fe2O3≤2.5%、TiO2≤5%、S≤0.03%、P≤0.05%、C≤0.1%、碱度≤0.3、1hr@105℃的水分≤0.5%；粒度要求为100%通过60目且95%以上通过100目，但过325目数量不超过60%；
浮选萤石主要成分是CaF2，其中CaF2≥97.0％、SiO2≤2%、S≤0.05%、P≤0.03%、CaCO3≤1.5%、1hr@105℃的水分≤0.5%；粒度要求为100%通过60目、70%以上通过200目，但过325目数量不超过20%；
金红石主要成分是TiO2，其中TiO2≥95%、S≤0.03%、P≤0.03%；粒度要求为100%通过40目、90%以上通过120目，但过200目数量不超过30%；
大理石主要成分是CaCO3，其中CaCO3≥98%、S≤0.01%、P≤0.01%；粒度要求为100%通过60目、90%以上通过120目，但过200目数量不超过30%；
锰铁中Mn：76.0-80.0%、C≤1.00%、Si≤1.50%、S≤0.030%、P≤0.100%、N≤0.0550%；粒度要求为100%通过100目、80%以上通过200目，但过325目数量不超过30%；
高硅硅铁中Si:40.0～47.0%、C≤0.10%、S≤0.03%，P≤0.04%、Cr≤0.5；Mn≤0.7；粒度要求为100%通过60目且80%通过120目；
氧化铈主要成分为CeO2，其中CeO2≥99.9%、La2O3≤0.08%、Fe2O3 %≤0.005、SiO2≤0.02、CaO %≤0.01；粒度要求为100%通过100目且80%通过150目；
粘结剂钾钠水玻璃中，各成分及重量百分比为，K2O：11.5～14%、Na2O：3.5～5.5%、SiO2：25～29%；模数2.4-2.9；浓度40-44Be。
上述粉剂及粘结剂主要作用如下：
烧结镁砂：其主要成分MgO为碱性氧化物，熔点较高；是烧结焊剂常用的造渣原料之一。它可以提升熔渣的碱度，在敢接过程中可以降低焊缝中扩散氢的含量，起到提高焊缝冲击韧性的作用。但必须严格控制其用量，因为MgO熔点较高的特性，当其添加量过大时，会导致熔渣粘度过大，同时熔渣表面张力也增大，使得熔渣的流动性变差，进而使得焊缝中缺陷率增多，主要体现在坡口中焊时，容易出现咬边和夹渣等缺陷。
铝矾土：其主要成分Al2O3为中性氧化物，也是烧结焊剂常用的造渣原料之一。Al2O3是一种高熔点物质，熔点达到2050℃，在焊接过程中可以调节熔渣的熔点及黏度。此外Al2O3在高温下还可以提高电弧的集中程度；另一方面由于其熔点较高的特性，必须控制其加入量，因为过高的Al2O3会过度增大熔渣黏度，导致熔渣的流动性不佳，易出现焊缝夹渣及咬边，影响焊道外观形貌及焊缝质量。
萤石：其主要成分CaF2为碱性盐，在焊接过程中主要起到造渣以及脱硫脱氢的作用。CaF2是一种强稀释剂，降低熔渣的粘度及表面张力，可以降低焊缝中的氢含量，提升焊缝冲击韧性。但过量的萤石会使电弧稳定性变差、且熔渣过稀，不利于焊缝成型。
大理石：其主要成分CaCO3为碱性盐，主要起到造气和造渣的作用，同时还具备脱硫以及稳弧的功能。此外大理石在加热过程中分解生成CaO，CaO结构稳定，有较大的表面张力和熔渣与金属的界面张力，能够促使进入熔池中的少许熔渣从熔池中上浮，提高脱渣能力，改善焊缝成型。
金红石:主要作用是造渣、稳弧，通过调整熔渣的熔点、粘度及流动性等，使得焊缝成型美观细腻，脱渣良好。
高硅硅铁：主要作用是脱氧剂，可以降低熔池中氧含量，减少焊接过程中合金元素的烧损，达到净化焊缝的作用，从而提升焊缝的强度和韧性；但过多的高硅硅铁会提升SiO2的活度，容易引起焊缝中Si含量的提升，导致焊缝韧性下降。
锰铁：主要作用也是脱氧剂，此外锰铁的加入可以还降低熔渣中SiO2的活度。
氧化铈：在焊缝金属中加入Ce，可以起到脱S、脱O、改变夹杂物形态、细化晶粒等作用，进而提升其塑性和强度。但由于纯Ce不易获得，因此本发明专利采用了价格低廉易获取的CeO2。
钾钠水玻璃：在焊接过程中起到稳弧及造渣的作用；在制造过程中主要作用是粘结剂，此外钾钠水玻璃较钠水玻璃有抗吸潮能力强的优势。
（2）一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂的制备方法，首先按照上文所述粉料按照比例称重混合后搅拌均匀，然后加入重量为粉料总重量18～23%的钾钠水玻璃进行湿混，待均匀湿混后的混合物进行造粒，然后依次使用10目筛网和40目筛网对混合物进行过筛，将介于10目及40目之间的混合物置于150℃-200℃进行烘干，烘干时间为1-2小时，烘干后放入780-850℃烧结1h，即可得到本发明专利的焊剂。
本发明的有益效果为：
本发明设计了一款渣系为Al2O3-SiO2-MgO-CaF2-TiO2的适用304不锈钢埋弧焊用焊剂配方并提供了制作工艺，该配方焊剂完全满足焊接304不锈钢需要的性能要求；本配方设计关键点在于以下几点：
（1）本配方焊剂的熔点高，熔渣薄，焊剂的消耗量大大减少；
（2）本配方焊剂在焊接过程中，大量的MgO及CaO可以极大的降低焊缝中硫磷杂质，萤石与SiO2则共同作用降低焊缝中氢含量，保证了焊缝的低温韧性；
（3）本发明提供了烧结镁砂、铝矾土、萤石的最佳比例配比为23-27%、20-23%、15-20%，该配比确保了焊剂使用后脱渣性能可达到最优状态；
（4）本发明中特别加入了1-2% CeO2，可以对焊缝起到脱S、脱O、细化晶粒的作用，对焊缝金属的力学性能尤其是冲击性能有显著提升；
（5）本发明提出了钾钠水玻璃抗吸潮能力强的特点。
附图说明
图1为使用本发明焊剂焊接得到的焊道组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂及其制备方法，其中包括焊剂原料各组分的确定及焊剂的制备方法（上文已叙述）。以下为按照本发明中粉料不同比例的三个具体对比例和三个具体实施例。
本发明三个对比例及三个实施例中，焊剂配方见表1：
按照前文所述具体制作方式将表1中三个对比例及三个实施例制作成成品焊剂，进行相关试验，主要试验内容包括304奥氏体不锈钢对接板焊接接头成分测试、304奥氏体不锈钢对接板焊接接头力学性能测试；
（1）本发明三个实施例焊接实验采用的开源ZDE7-1000G数字IGBT控制交直流埋弧自动焊机。
（2）本发明三个实施例焊接实验采用同一盘焊丝，焊丝为大西洋焊材有限公司的CHW-308L埋弧焊丝，焊丝直径 Φ=4.8mm，符合GB/T 17854 F308L-H00Cr21Ni10Si，焊丝成分见表2：
（3）本发明三个实施例焊接实验采用的304钢板成分见表3：
（4）本发明上述三个实施例焊接用304钢板尺寸统一为300mm×250mm×20mm，试板开30°V型坡口，根部间隙20mm，垫板为400mm×150mm×12mm。
（5）本发明上述三个实施例焊接参数为：直流反接，电压28V，电流530A，焊接速度420mm/min，焊丝伸出长度为20-25mm。
本发明上述三个实施例焊接的焊缝力学性能见表4：
从表4可以得出，本发明中的用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂，其CeO2加入量为1～2%时，性能最优，其焊接接头力学性能完全适用304不锈钢的焊接。
上述实施例焊缝射线探伤试验符合GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》中的Ⅰ级规定。焊缝金属的力学性能技术要求参考自GB/T 5293-2018 《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂，其特征在于，用原料重量百分比为：烧结镁砂：23-27%、铝矾土：20-23%、浮选萤石：15-20%、大理石：7-10%、硅灰石：10-15%、锰铁：2-3%、高硅硅铁：1-1.5%、金红石：8-10%、氧化铈：1-2%；各原料总量为100%。
2.如权利要求1所述的埋弧焊剂，其特征在于，烧结镁砂主要成分MgO，其中，各成分及重量百分比为，MgO：90～95%、SiO2≤5%、S≤0.03%、P≤0.03%、C≤0.20%、1hr@1000℃的烧失量≤1.0%；粒度要求为100%通过40目且95%以上通过60目，但过200目数量不超过30%；
铝矾土主要成分是Al2O3，其中，各成分及重量百分比为，Al2O3：80～85%、SiO2:5～10%、Fe2O3≤2.5%、TiO2≤5%、S≤0.03%、P≤0.05%、C≤0.1%、碱度≤0.3、1hr@105℃的水分≤0.5%；粒度要求为100%通过60目且95%以上通过100目，但过325目数量不超过60%。
3.如权利要求1所述的埋弧焊剂，其特征在于，浮选萤石主要成分是CaF2，其中，各成分及重量百分比为，CaF2≥97.0％、SiO2≤2%、S≤0.05%、P≤0.03%、CaCO3≤1.5%、1hr@105℃的水分≤0.5%；粒度要求为100%通过60目、70%以上通过200目，但过325目数量不超过20%；
金红石主要成分是TiO2，其中，各成分及重量百分比为，TiO2≥95%、S≤0.03%、P≤0.03%；粒度要求为100%通过40目、90%以上通过120目，但过200目数量不超过30%。
4.如权利要求1所述的埋弧焊剂，其特征在于，大理石主要成分是CaCO3，其中，各成分及重量百分比为，CaCO3≥98%、S≤0.01%、P≤0.01%；粒度要求为100%通过60目、90%以上通过120目，但过200目数量不超过30%；
锰铁中，各成分及重量百分比为，Mn：76.0-80.0%、C≤1.00%、Si≤1.50%、S≤0.030%、P≤0.100%、N≤0.0550%；粒度要求为100%通过100目、80%以上通过200目，但过325目数量不超过30%。
5.如权利要求1所述的埋弧焊剂，其特征在于，高硅硅铁中，各成分及重量百分比为，Si:40.0～47.0%、C≤0.10%、S≤0.03%，P≤0.04%、Cr≤0.5；Mn≤0.7；粒度要求为100%通过60目且80%通过120目。
6.如权利要求1所述的埋弧焊剂，其特征在于，氧化铈主要成分为CeO2，其中，各成分及重量百分比为，CeO2≥99.9%、La2O3≤0.08%、Fe2O3 %≤0.005、SiO2 ≤0.02、CaO %≤0.01；粒度要求为100%通过100目且80%通过150目。
7.如权利要求1~6任一项所述的用于焊接304奥氏体不锈钢的埋弧焊剂的制备方法，其特征在于，包括如下方法：
按权利要求1-7任一项所述的埋弧焊剂的原料组分选料，按照比例称重混合后搅拌均匀，然后加入重量为粉料总重量18～23%的粘结剂钾钠水玻璃进行湿混，待均匀湿混后的混合物进行造粒，然后依次使用10目筛网和40目筛网对混合物进行过筛，将介于10目及40目之间的混合物烘干，烘干后烧结，即可得到本发明专利的焊剂。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂钾钠水玻璃中，各成分及重量百分比为，K2O：11.5～14%、Na2O：3.5～5.5%、SiO2：25～29%；模数2.4-2.9；浓度40-44Be。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，烘干温度为150℃-200℃，时间为1-2小时。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，烧结温度为780-850℃，烧结时间为1h。
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