CN117644314A - 一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接用活性剂领域，提供了一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂及其制备方法和应用，由如下质量百分数的原料组成：SiO2粉末35‑45％；TiO2粉末5‑15％；Cr2O3粉末5‑15％；MnO2粉末25‑35％；NiO粉末1‑5％；B2O3粉末5‑15％；Fe2O3粉末1‑5％；各原料的百分比之和为100％。本发明解决了传统焊接方法焊缝熔深浅，焊接效率低的问题，改善焊缝组织和力学性能，使得电弧收缩和改变熔池流态，从而有效提高TIG焊的熔深。
Description
技术领域
本发明属于焊接用活性剂领域，具体涉及一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
不锈钢因焊接性良好，而且同时有良好的耐腐蚀性并且低温下有很好的韧性，在航空航天、化工、石油容器等行业应用较为广泛。钨极惰性气体保护焊(TungstenInertGasWelding，下称TIG)焊接缺陷少，电弧稳定，即使电流小于10A仍能保持稳定燃烧，加热区在焊接过程中始终受氩气保护，因此可有效隔离周围空气，氩气本身又不溶于金属，不与金属反应，从而确保焊接过程的稳定性而获得高质量的焊缝。然而，这种方法仍然存在一些缺点，例如焊接板材厚度有局限性，单道焊缝熔深较浅，这主要是由于钨电极承载能力有限，在保证焊接质量的前提下需低速度进行焊接，使得焊接时间加长效率低下，当焊接材料厚度较大时，则需要提高热输入，采用大功率参数或者其他焊接工艺，如焊前预热、焊前开坡口、多层多道焊等辅助工艺。同时TIG焊对施焊材料中微量元素的变化比较敏感，所以长期以来研发既能保留TIG焊的优点又能大幅提高焊接熔深的新方法一直是全世界焊接工作者所追求的目标之一。
为弥补TIG焊接头熔深不足的缺点，巴顿研究所提出了活性剂钨极惰性气体保护焊(ActivatingfluxTIGwelding，下称A-TIG)，它是在TIG焊的基本原理之上提出的一种效率高、焊接质量可靠、操作简单的新方法，其主要特征是在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性剂，一般为氧化物、氯化物、氟化物以及它们的混合物，使得电弧收缩和改变熔池流态，从而有效提高TIG焊的熔深。现有的活性剂存在熔深提高有限的问题，如ZL201310449499.X公开的焊接方法的焊缝熔深为12mm；ZL202011397224.2公开的活性剂熔深可达12mm；ZL202010674920.7公开的316不锈钢活性剂最大熔深为12mm；ZL201210403141.9公开的活性剂只能焊接8.5mm的不锈钢。
专利CN108637529A公开了一种奥氏体不锈钢钨极氩弧焊活性剂，包括以下重量百分含量的组分：34-36％SiO2粉末、25-27％TiO2粉末、12-14％Cr2O3粉末、7-9％NiO粉末、3-5％MnO粉末、7-9％CuO粉末和5-7％B2O3粉末，但其焊缝深度和强度仍有待提升。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂及其制备方法，解决传统焊接方法焊缝熔深浅，焊接效率低的问题，改善焊缝组织和力学性能，使得电弧收缩和改变熔池流态，从而有效提高TIG焊的熔深。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，由如下质量百分数的原料组成：SiO2粉末35-45％；TiO2粉末5-15％；Cr2O3粉末5-15％；MnO2粉末25-35％；NiO粉末1-5％；B2O3粉末5-15％；Fe2O3粉末1-5％；各原料的百分比之和为100％。
在一些实施方式中，由如下质量百分数的原料组成：40％SiO2粉末、7％TiO2粉末、10％Cr2O3粉末、29％MnO2粉末、2％NiO粉末、10％B2O3粉末和2％Fe2O3粉末。
在一些实施方式中，所述SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末的粒径为小于5μm，且纯度均为99.9％。
本发明以所述SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末为活性剂成分，综合考虑各单组元活性剂对增加焊接溶深、接头金相显微组织变化的影响，以及对合金系统的要求与估算合金损失，其中Cr2O3、SiO2、MnO2、NiO、B2O3和TiO2对提高熔深及深宽比具有显著的作用，B2O3、Cr2O3、SiO2、NiO、MnO2、TiO2可以细化焊缝晶粒，Cr2O3、SiO2和NiO有利于减弱熔合线枝晶方向性，SiO2可以改善接头凝固模式，Fe2O3有利于消除层状偏析现象，Cr2O3有利于抑制晶间腐蚀和晶界处发生贫铬现象，TiO2和Cr2O3还可以补充接头中微量元素的烧损并能减弱杂质元素的负面影响，同时，活性剂中的Cr2O3、SiO2、NiO和MnO2等物质会使电弧产生收缩现象，电弧能量密度更高，电弧力增加，使电弧下熔池金属熔化体积增加，从而增加熔深，减小熔宽，达到提高接头的深宽比的目的。
本发明的第二个方面，提供了一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂的制备方法，包括：
将SiO2、TiO2、Cr2O3、MnO2、NiO、B2O3和Fe2O3粉末烘干；
将烘干后的SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末研磨为粒径为小于5μm，且纯度均为99.9％；
将上述研磨后的SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末分类密封保存在干燥箱内；
使用时，按照上述的配比进行复配，得到不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂。
本发明对混合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌。
本发明的第三个方面，提供了一种不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，包括：
打磨、洗涤待焊接件；
将上述的活性剂和有机溶剂充分混合，得到活性剂溶液；
将所述活性剂溶液涂覆到待焊接件的待焊区，静置，有机溶剂蒸发后，采用深熔钨极氩弧焊进行焊接，即得。
在一些实施方式中，所述涂覆的区域为目标焊接区以及自焊接区边界向外延伸5-10mm。
本发明将所述不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂用有机溶剂调成粘稠状液体，涂覆在待焊接的不锈钢表面，待极性有机溶剂挥发后再进行焊接。
在一些实施方式中，所述有机溶剂优选为极性有机溶剂，更优选为丙酮或乙醇。
在一些实施方式中，所述不锈钢在涂覆前包括：进行砂纸打磨、用丙酮和酒精擦洗板材表面。
本发明对所述调和的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂与有机溶剂的调和方法即可。本发明对所述有机溶剂的用量没有限制，推荐用丙酮或酒精按照1:1.75的比例调和成糊膏状或粘稠状备用。
在本发明中，所述不锈钢在涂覆前优选包括依次进行砂纸或使用角磨机打磨、丙酮洗涤或乙醇洗涤的步骤。本发明对所述砂纸或角磨机打磨、丙酮洗涤或乙醇洗涤的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作方式即可。
本发明对所述涂覆的厚度没有特殊的限定，优选能够将不锈钢表面完全涂覆即可，更优选地涂覆厚度为0.3-1mm。
本发明对所述涂覆的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的涂覆方式即可，具体的，如用毛刷刷涂或喷涂。
在一些实施方式中，所述焊接的工艺参数为：焊接电流170-175A，焊接速度105-115mm/min，电弧电压13-14V，焊枪氩气流量15-18L/min，背面保护氩气流量20L/min，钨极直径3.2mm，涂覆厚度0.3-1mm，组对间隙0.2-1mm，错边量0.2-0.3mm，板平面度小于2mm。
更具体的，包括以下步骤：
S1，打磨、洗涤待焊接的不锈钢板材，清理待焊区两侧各25mm范围内的油污、铁锈、水分等杂物，直至露出金属光泽；
S2，将活性剂和有机溶剂充分混合搅拌调制成粘稠状溶液；
S3，通过刷涂或喷涂的方式将上述活性剂调制好的粘稠溶液均匀的涂在待焊区，涂覆厚度能盖住金属表面即可；
S4，按上述涂覆后，静置2-3min，待极性有机溶剂自然挥发或利用热风枪等设备吹干后再进行焊接。
本发明的第四个方面，提供了上述的活性剂在焊接领域中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明提供的活性剂全部由氧化物组成，无毒无害，且不含贵金属、成本低，每公斤成本不超过80元，本发明主要是解决TIG焊接板材厚度有局限性，单道焊缝熔深浅，在保证焊接质量的前提下需低速度进行焊接，使得焊接时间加长效率低下，当焊接材料厚度较大时，则需要提高热输入，采用大功率参数或者其他焊接工艺，如焊前预热、焊前开坡口、多层多道焊等辅助工艺，从而降低了焊接生产效率，限制了焊接设备在工业中的进一步应用。采用A-TIG焊既能保留TIG焊的优点又能大幅提高焊接熔深，相比于常规TIG焊，活性TIG焊(简称A-TIG焊)在待焊表面涂覆活性剂，可使熔深比常规TIG焊增加2倍以上，焊接工艺得到简化，避免组织粗大，且能提高接头力学性能，有利于提高焊接生产效率，降低焊接生产成本，并可实现15.7mm单面焊双面成型。此外，采用本发明提供的钨极氩弧焊活性剂可以在提升熔深的同时降低接头的熔宽，促进电弧电力，使得阳极斑点、导电通道和电弧等离子体收缩，熔池表面张力梯度由负变正，改变了熔池流动方向，实现高能束焊接的效果，对于薄板焊接时A-TIG还可以更好的控制熔池，能有效减小焊接变形。A-TIG焊因活性剂材料资源储备丰富、取材方便、价格经济、对环境无污染等优势，而且与其他焊接方法相比，A-TIG所需设备简单，无需昂贵的焊接设备，易于操作和维修，适用于各种焊接位置，使其具有良好的经济效益和广泛的应用前景。目前A-TIG焊接方法已经广泛应用到能源生产、航空航天、汽车工业、动力机械等领域，如核反应堆、汽车轮毂和压力容器等。
(2)本发明综合考虑各单组元活性剂对增加焊接溶深、接头金相显微组织变化的影响，以及对合金系统的要求与估算合金损失，Fe2O3有利于消除层状偏析现象，同时，相比于CuO，加入Fe2O3的接头具有更小的焊缝成形系数(Fe2O3为2.37，CuO为3.17)，更有利于形成窄而深的焊缝。在相同的参数下利用本发明的活性剂焊接的不锈钢的晶粒和组织明显细化，晶界的面积增加，更多晶界的出现有效地阻碍了位错的运动，起到了晶界强化的作用。在热影响区析出了更多的δ铁素体，δ铁素体在奥氏体基体上弥散分布，而且δ铁素体的增加可以提高焊接接头的力学性能。而Cu是奥氏体形成元素，不利于铁素体的形成，导致接头强硬度更小。
(3)本发明焊后接头按NB/T47013.2-2015标准Ⅱ级进行100％射线检测，按NB/T47013.5-2015标准Ⅰ级进行100％渗透检测，接头射线探伤Ⅱ级合格，渗透探伤Ⅰ级合格，无裂纹、未焊透、未熔合、咬边等一系列缺陷，焊缝呈银白色，成形美观。
(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1奥氏体不锈钢平铺接头横截面宏观形貌图；
图2马兰格尼对流示意图；
图3为本发明焊接的316L不锈钢的室温抗拉强度柱状图，其中，C1：为实施例1焊接的316L不锈钢，C3：为对比例2焊接的316L不锈钢、C4为：对比例3焊接的316L不锈钢，TIG-316L为对比例1焊接的316L不锈钢；
图4为实施例1焊接的316L不锈钢的硬度分布图；
图5为实施例1焊接的316L不锈钢的弯曲试样形貌图；
图6为实施例1焊接的316L不锈钢接头中δ铁素体含量图；
图7为实施例1焊接的316L不锈钢的显微组织图；
图8为对比例1焊接的316L不锈钢的显微组织图；
图9为对比例2焊接的316L不锈钢的显微组织图；
图10为对比例3焊接的316L不锈钢的显微组织图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，其组分按质量百分比计：40％SiO2粉末、7％TiO2粉末、10％Cr2O3粉末、29％MnO2粉末、2％NiO粉末、10％B2O3粉末和2％Fe2O3粉末，其中SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末充分研磨为粒径独立地为小于5μm，且纯度均为99.9％，将充分研磨后的活性剂粉末分类密封保存在干燥箱内。使用时，按照比例配比，用精度为0.01mg的电子天平称取设定的成分配比的原料，将准备好的全部配料倒入烧杯内，再用量筒称取适量酒精加入其中，加入酒精的过程中不断搅拌活性剂，酒精和活性剂按照1:1.75的比例充分混合搅拌调制成粘稠状溶液，并打磨、洗涤待焊接的不锈钢板材，清理待焊区两侧各25mm范围内的油污、铁锈、水分等杂物，直至露出金属光泽，然后用毛刷将活性剂均匀涂在待焊区左右各10mm处，涂敷厚度为0.3-1mm，待酒精挥发后进行焊接。对20mm的316L不锈钢进行焊接，采用实施例1的活性剂进行A-TIG焊，焊缝熔深可达15.7mm。
对6mm厚316L不锈钢进行焊接，焊接的工艺参数为：焊接电流173A，焊接速度108mm/min，电弧电压13V，氩气流量15L/min(焊枪)/20L/min(背保)，钨极直径3.2mm，涂覆厚度0.3-1mm，组对间隙0.2-1mm，错边量0.2-0.3mm，板平面度小于2mm。对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，测量接头的熔深和熔宽，以便得到活性剂与焊缝熔深、熔宽之间的关系，并对合金的组织和力学性能进行分析，如图1-图7所示。
实施例2
一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，其组分按质量百分比计：35％SiO2粉末、10％TiO2粉末、15％Cr2O3粉末、25％MnO2粉末、4％NiO粉末、7％B2O3粉末和4％Fe2O3粉末，其中SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末充分研磨为粒径独立地为小于5μm，且纯度均为99.9％，将充分研磨后的活性剂粉末分类密封保存在干燥箱内。使用时，按照比例配比，用精度为0.01mg的电子天平称取设定的成分配比的原料，将准备好的全部配料倒入烧杯内，再用量筒称取适量酒精加入其中，加入酒精的过程中不断搅拌活性剂，酒精和活性剂按照1:1.75的比例充分混合搅拌调制成粘稠状溶液，并打磨、洗涤待焊接的不锈钢板材，清理待焊区两侧各25mm范围内的油污、铁锈、水分等杂物，直至露出金属光泽，然后用毛刷将活性剂均匀涂在待焊区左右各10mm处，涂敷厚度为0.3-1mm，待酒精挥发后进行焊接。对20mm的316L不锈钢进行焊接，采用实施例2的活性剂进行A-TIG焊，焊缝熔深可达15.0mm。
采用实施例2的活性剂对6mm厚316L不锈钢进行焊接，测得焊缝接头的抗拉强度为576.84MPa，接头强度系数为100.65％。
对比例1
对6mm厚316L不锈钢进行焊接，与实施例1的区别仅在于不添加活性剂，为常规TIG焊。对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，测量接头的熔深和熔宽，以便得到活性剂与焊缝熔深、熔宽之间的关系，并对合金的组织进行分析，如图8所示。
对比例2
对6mm厚316L不锈钢进行焊接，与实施例1的区别仅在于使用的活性剂为国外活性剂。焊后对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，测量接头的熔深和熔宽，以便得到活性剂与焊缝熔深、熔宽之间的关系，并对合金的组织进行分析，如图9所示。
对比例3
对6mm厚316L不锈钢进行焊接，与实施例1的区别仅在于使用的活性剂为中国核工业二三建设有限公司授权活性剂ZL201711442351.8。焊后对试件进行空冷、切割、镶嵌、磨抛和腐蚀，测量接头的熔深和熔宽，以便得到活性剂与焊缝熔深、熔宽之间的关系，并对合金的组织进行分析，如图10所示。
从图7到图10可以看出焊缝组织为奥氏体和铁素体，基体为奥氏体，铁素体分布在晶界和枝晶处，相比于不涂活性剂焊缝，涂敷活性剂后的焊缝晶粒得到细化，晶界的面积增加，更多晶界的出现有效地阻碍235了位错的运动，起到了晶界强化的作用，在热影响区析出了更多的δ铁素体，δ铁素体在奥氏体基体上弥散分布，而且δ铁素体的增加可以提高焊接接头的力学性能，加入活性剂后均有助于熔合线附近的晶粒细化，组织更加密集。
表1实施例以及对比例的焊缝的力学性能对比表
| 焊接方法 | 接头抗拉强度(MPa) | 接头强度系数 |
| 实施例1 | 588.32 | 102.65％ |
| 实施例2 | 576.84 | 100.65％ |
| 对比例1 | 558.68 | 97.48％ |
| 对比例2 | 576.73 | 100.63％ |
| 对比例3 | 569.09 | 99.3％ |
对接头力学性能进行测试，焊接接头拉伸性能如上表1所示，可见不用活性剂进行TIG焊接，焊接接头抗拉强度为558.68MPa，采用实施例1的活性剂，A-TIG焊接头抗拉强度为588.32MPa，显著提高了焊接接头力学性能。
从实施例1、2和对比例1-3的对比可以看出，本发明提供的不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂接头抗拉强度达到588.32MPa且断裂在母材，接头强度系数为102.65％，面弯背弯180°后外表面均未产生裂纹。使用本发明的活性剂的焊缝硬度要高于不涂活性剂的焊缝硬度，不涂活性剂的焊缝硬度在189.5HV左右，涂有活性剂的焊缝硬度在231.3HV左右，因为加入活性剂后，活性剂在电弧热作用下进入焊缝，增加了焊缝合金元素种类和含量，阻碍晶粒长大，增加形核率，细化了晶粒，改变凝固模式，析出更多的δ铁素体，从而提高焊缝硬度，而且δ铁素体相比于奥氏体具有更高的机械强度，相比于传统氩弧焊，活性剂焊接接头铁素体含量由3.6％增加到9.8％，但是接头中δ铁素体不是越多越好，它存在一个范围，如果δ铁素体过多会形成较多的σ相，会消耗大量的Cr造成接头脆化，δ铁素体含量一般控制在3％-15％。本发明的接头铁素体含量为9.8％，处于规定的范围内，因此，涂敷本发明的活性剂对接头并没有恶化作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，其特征在于，由如下质量百分数的原料组成：SiO2粉末35-45％；TiO2粉末5-15％；Cr2O3粉末5-15％；MnO2粉末25-35％；NiO粉末1-5％；B2O3粉末5-15％；Fe2O3粉末1-5％；各原料的百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，其特征在于，由如下质量百分数的原料组成：40％SiO2粉末、7％TiO2粉末、10％Cr2O3粉末、29％MnO2粉末、2％NiO粉末、10％B2O3粉末和2％Fe2O3粉末。
3.如权利要求1所述不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂，其特征在于，所述SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末的粒径为小于5μm，且纯度均为99.9％。
4.一种不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂的制备方法，其特征在于，包括：
将SiO2、TiO2、Cr2O3、MnO2、NiO、B2O3和Fe2O3粉末烘干；
将烘干后的SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末研磨为粒径为小于5μm；
将上述研磨后的SiO2粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、MnO2粉末、NiO粉末、B2O3粉末和Fe2O3粉末分类密封保存在干燥箱内；
使用时，按照权利要求1-3的配比进行复配，得到不锈钢用深熔钨极氩弧焊活性剂。
5.一种不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，其特征在于，包括：
打磨、洗涤待焊接件；
将权利要求1-3任一项所述的活性剂和有机溶剂充分混合，得到活性剂溶液；
将所述活性剂溶液涂覆到待焊接件的待焊区，静置，有机溶剂蒸发后，采用深熔钨极氩弧焊进行焊接，即得。
6.如权利要求5所述的不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或酒精。
7.如权利要求5所述的不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述不锈钢在涂覆前包括：进行砂纸打磨、用丙酮和酒精擦洗板材表面。
8.如权利要求5所述的不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述涂覆的区域为目标焊接区以及自焊接区边界向外延伸5-10mm。
9.如权利要求5所述的不锈钢深熔钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述焊接的工艺参数为：焊接电流170-175A，焊接速度105-115mm/min，电弧电压13-14V，焊枪氩气流量15-18L/min，背面保护氩气流量20L/min，钨极直径3.2mm，涂覆厚度0.3-1mm，组对间隙0.2-1mm，错边量0.2-0.3mm，板平面度小于2mm。
10.权利要求1-3任一项所述的活性剂在焊接领域中的应用。
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