CN102601544B

CN102601544B - 高碱度高韧性低氢型烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN102601544B
Application number: CN201210076252.3A
Authority: CN
Inventors: 孟钰竣; 何少卿
Original assignee: BAOJI YUSHENG WELDING MATERIAL Co Ltd
Current assignee: BAOJI YUSHENG WELDING MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: CN102601544A

Abstract

本发明公开的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂，按照质量百分比包括MgO18％～21.5％，CaF₂33％～35％，Al₂O₃15％～20％，SiO₂17％～21％，CaO3.5％～8％，MnO1％～5％，BaCO₃2％～5％，FeO≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％。本发明还公开了其制备方法，将原料混合干搅拌，加入占混合粉末重量20％的水玻璃，湿搅拌，将物料送至造粒机造粒，经热风干燥后进入烘干炉，在180℃～230℃温度烘干，出炉后进行筛分再进入烧结炉，经830℃～860℃温度下在烧结炉中烧结后出炉，然后经过筛冷却即得。本发明焊剂解决现有焊剂焊缝金属韧性差，熔敷金属扩散氢含量高的问题。

Description

高碱度高韧性低氢型烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种主要用于海洋输油、输气厚板管线钢多丝埋弧焊的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂，本发明还涉及该焊剂的制备方法。

背景技术

焊剂是埋弧自动焊接用的材料，分为熔炼焊剂和烧结焊剂两大类。烧结焊剂具有可以连续生产、无污染、碱度高、适应较高强度钢的焊接，并能得到较高的塑性和韧性等优点，被广泛用于桥梁、压力容器、金属结构、造船、车辆和石油天燃气输送管道等焊接制造。低碱度高硅、高锰渣系的烧结焊剂，容易获得良好工艺性能，但焊缝金属冲击韧性不高。高碱度渣系的烧结焊剂容易获得高韧性焊缝，但要获得良好的焊接工艺性能具有很大的技术困难。普通焊剂熔敷金属扩散氢含量高，焊缝金属容易产生裂纹。提高焊剂的碱度是提高熔敷金属低温冲击韧性的关键，现有的焊剂由于碱度低，含氧量大，尤其在多丝埋弧焊焊接厚度大于20mm的输油输气管线钢板时，由于多丝焊接，线能量大，焊缝组织容易形成粗大的柱状晶，导致焊缝金属低温冲击吸收功下降且大幅度波动。

发明内容

本发明的目的是提供一种高碱度高韧性低氢型烧结焊剂，尤其适用于海洋输油输气厚板管线钢多丝埋弧焊焊接用，解决了现有焊剂焊缝金属韧性差，熔敷金属扩散氢含量高导致焊缝金属容易产生裂纹的问题，且焊剂性能好。

本发明的另一目的是提供上述高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，高碱度高韧性低氢型烧结焊剂，按照质量百分比，由以下原料组成：MgO：18％～21.5％，CaF₂：33％～35％，Al₂O₃：15％～20％，SiO₂：17％～21％，CaO：3.5％～8％，MnO：1％～5％，BaCO₃：2％～5％，FeO≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

本发明的特征还在于，

其中的杂质S≤0.015％、P≤0.025％。

本发明所采用的另一技术方案是，高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的制备方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1

按照质量百分比，分别称取18％～21.5％的MgO，33％～35％的CaF₂，15％～20％的Al₂O₃，17％～21％的SiO₂，3.5％～8％的CaO，1％～5％的MnO，2％～5％的BaCO₃，FeO≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％；

步骤2

将步骤1所称取的各原料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在180℃～230℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经830℃～860℃温度下在烧结炉中烧结1-2小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

本发明的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的有益效果是，满足厚板管线钢多丝埋弧焊的焊缝对低温冲击韧性的要求，提高焊缝金属韧性：碱性烧结焊剂中一般含有CaO、MgO、CaF₂等碱性化合物和SiO₂酸性氧化物，碱度在1.5～1.8范围。本发明添加大量的CaF₂碱性化合物、添加BaCO₃碱性氧化物、降低SiO₂含量等方式来提高烧结焊剂熔渣的碱度，熔渣的碱度范围2.4～2.6。高碱度熔渣降低了焊缝金属中氧含量，从而提高了厚板管线钢多丝埋弧焊的焊缝金属低温冲击韧性。本发明的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的低温(-40℃)冲击吸收功(KV2)范围是132J～202J。降低熔敷金属扩散氢含量：熔敷金属中扩散氢是产生焊缝金属冷裂纹重要因素之一。本发明通过优化烧结焊剂配方设计来降低熔敷金属中扩散氢含量，降低厚板多丝埋弧焊的焊缝裂纹倾向，解决大厚板多丝埋弧焊焊缝开裂的问题。本发明焊剂的熔敷金属扩散氢含量小于0.89ml/100g(平均值)。在焊剂中添加一定量的BaCO₃，焊接时BaCO₃分解出的CO₂气体与CaF₂焊接时产生的氟气，共同来降低电弧气氛中的氢分压，达到降低焊缝金属扩散氢含量的目的。同时，BaCO₃分解的固态产物是BaO，提高了熔渣的碱度，具有提高熔敷金属低温冲击韧性的作用。本发明的优点还在于，高碱度高韧性低氢型烧结焊剂熔渣碱度B_IIW：2.4～2.6；焊接工艺性能良好，焊缝金属没有夹渣、气孔等缺陷。本发明焊剂已用于X70、X80海洋管线(输油、输气)钢管焊接，实现了内外4丝焊接，取得良好效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种高碱度高韧性低氢型烧结焊剂，按照质量百分比，由以下组分组成：

MgO：18％～21.5％，CaF₂：33％～35％，Al₂O₃：15％～20％，SiO₂：17％～21％，CaO：3.5％～8％，MnO：1％～5％，BaCO₃：2％～5％，FeO≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

除上述组分外，由于原材料不可避免地带入S、P等杂质，需要控制原材料的S、P含量。焊剂中控制S≤0.015％、P≤0.025％。

以下详细说明焊剂组分和含量的控制理由。

MgO控制在18％～21.5％，CaF₂控制在33％～35％，CaO控制在3.5％～8％，这三种成分都是造渣剂，同时是提高碱度的必要成分。MgO小于18％时，难以发挥提高熔渣碱度的效果，得不到高碱度提高韧性的效果。超过21.5％时，熔渣的熔点过高，易形成焊道粗糙的焊缝，并易在焊缝金属中形成夹渣。CaF₂可以增加熔渣的流动性，减小气孔、夹渣等缺陷，改善焊缝成形。CaF₂小于33％时，降低熔敷金属中的氢含量的效果不充分。超过35％时，熔渣的粘度过低，熔池运动激烈，焊道粗大化，焊道外观不平滑。CaO小于3.5％时，熔渣的碱度小，不利于提高韧性。CaO大于8％时，受到添加材料的限制，不易加入。

SiO₂控制在17％～21％，SiO₂是造渣剂，同时也是维持电弧稳定性的主要成分。小于17％时，电弧不稳定，不易得到良好的焊接工艺性能。超过21％时，降低焊剂熔渣的碱度，易使焊缝金属增氧，不利于提高焊缝金属低温冲击韧性。

Al₂O₃控制在15％～20％，Al₂O₃属于造渣剂，是调整熔渣的物理性能，改善熔渣的流动性，维持良好的焊道形状的有效成分。Al₂O₃小于15％时，熔渣的粘度过低，因此，难以保证良好的焊道外观，超过20％时，熔渣的粘度过高，易产生咬边和压痕，造成焊道外观不良。

MnO控制在1％～5％，MnO是为了调整熔渣碱度和熔敷金属中Mn含量而加入的。添加量小于1％时，上述效果不明显，但超过5％时，有粘渣的倾向。

BaCO₃控制在2％～5％，BaCO₃可以提高熔渣的碱度，提高熔敷金属的冲击韧性。BaCO₃分解后产生CO₂，降低电弧气氛中氢的分压，可以降低熔敷金属中的扩散氢含量，增强熔敷金属的抗裂性能。BaCO₃添加量小于2％时，上述效果不明显。但是BaCO₃超过5％时，导致BaCO₃加入量增加，焊接时易产生过多烟雾，效果差，影响环保。

FeO≤3％，S≤0.015％，P≤0.025％，FeO是原材料带入的成分，降低焊缝金属的低温冲击韧性，因此控制在3％以下。S、P是原材料中带入的有害杂质，与金属形成低熔点共晶物，增加产生热裂纹的倾向，所以分别控制在S≤0.015％，P≤0.025％以内。

本发明的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的制备方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1

按照质量百分比，分别称取18％～21.5％的MgO，33％～35％的CaF₂，15％～20％的Al₂O₃，17％～21％的SiO₂，3.5％～8％的CaO，1％～5％的MnO，2％～5％的BaCO₃，FeO≤3％，其中，S≤0.015％、P≤0.025％，以上各组分的重量百分比总和为100％；

步骤2

将步骤1所称取的各原材料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在180℃～230℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经830℃～860℃温度下在烧结炉中烧结1-2小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

实施例1

按照质量百分比，分别称取18％的MgO，33％的CaF₂，15％的Al₂O₃，17％的SiO₂，4％的CaO，5％的MnO，5％的BaCO₃，3％的FeO，将所称取的各原材料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在180℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经860℃温度下在烧结炉中烧结1小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

经检测：

焊剂碱度(B_IIW)：2.42。

在大气压102.6kPa，26℃，69％湿度，72小时后熔敷金属扩散氢含量：0.16ml/100g(平均值)。

熔敷金属力学性能：

实施例2

按照质量百分比，分别称取21.5％的MgO，35％的CaF₂，15％的Al₂O₃，21％的SiO₂，3.5％的CaO，1％的MnO，2％的BaCO₃，1％的FeO，将所称取的各原材料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在230℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经830℃温度下在烧结炉中烧结2小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

经检测：

焊剂碱度(B_IIW)：2.39。

在大气压101.8kPa，24℃，56％湿度，72小时后熔敷金属扩散氢含量：0.55ml/100g(平均值)。

熔敷金属力学性能：

实施例3

按照质量百分比，分别称取18％的MgO，33％的CaF₂，20％的Al₂O₃，17％的SiO₂，8％的CaO，1％的MnO，2％的BaCO₃，1％的FeO，将所称取的各原材料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在200℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经840℃温度下在烧结炉中烧结1.5小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

经检测：

焊剂碱度(B_IIW)：2.35。

在大气压101.6kPa，25℃，53％湿度，72小时后熔敷金属扩散氢含量：0.89ml/100g(平均值)。

熔敷金属力学性能：

实施例4

按照质量百分比，分别称取19％的MgO，34％的CaF₂，17％的Al₂O₃，18％的SiO₂，6％的CaO，2％的MnO，3％的BaCO₃，1％的FeO，将所称取的各原材料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20％的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在210℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经850℃温度下在烧结炉中烧结1小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。

经检测：

焊剂碱度(B_IIW)：2.37。

在大气压101.4kPa，27℃，60％湿度，72小时后熔敷金属扩散氢含量：0.42ml/100g(平均值)。

熔敷金属力学性能：

由实施例1-4可以看出，本发明的高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的低温(-40℃)冲击吸收功(KV2)范围是132J～202J。焊剂的熔敷金属扩散氢含量小于0.89ml/100g(平均值)。焊剂熔渣碱度B_IIW：2.4～2.6；焊接工艺性能良好，焊缝金属没有夹渣、气孔等缺陷。

Claims

1.一种高碱度高韧性低氢型烧结焊剂的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1

按照质量百分比，分别称取18%～21.5%的MgO，33%～35%的CaF₂，15%～20%的Al₂O₃，17%～21%的SiO₂，3.5%～8%的CaO，1%～5%的MnO，2%～5%的BaCO₃，FeO≤3%，以上各组分的质量百分比总和为100%；

步骤2

将步骤1所称取的各原料进行混合干搅拌，搅拌均匀后得到混合粉末，然后再加入占混合粉末重量20%的水玻璃粘接剂，再充分湿搅拌至均匀，然后将湿搅拌均匀的物料送至造粒机进行造粒，造出的粒状焊剂经热风干燥后进入烘干炉，在180℃～230℃温度下烘干，出炉后进行筛分，再进入烧结炉，半成品经830℃～860℃温度下在烧结炉中烧结1-2小时后出炉，然后经过筛，冷却，即得。