CN103273222A

CN103273222A - 一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂

Info

Publication number: CN103273222A
Application number: CN2013100045760A
Authority: CN
Inventors: 付学满; 朱丙坤
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-01-07
Also published as: CN103273222B

Abstract

本发明介绍了一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，烧结焊剂是干粉和模数为2.8～3.2的纯纳水玻璃的混合烧结物，水玻璃加入量为干粉重量的18～20%；干粉的质量百分数（wt%）成分组成为：萤石18～23，镁砂33～37，铝矾土14～17，石英3～5，大理石7～12，硅灰石9～13，钼铁0～1.5，氟化稀土1～3，硅铁1～2，锰矿1～3，硼砂0～3。与现有技术相比：本发明产品的焊接熔渣的熔点合适、粘度、表面张力良好，焊接时电弧燃烧稳定，焊缝边缘过渡平滑，铺展良好，焊缝成形美观；降低了焊缝中氧含量；与WS80S焊丝匹配，焊接10CrNi5MoV钢，焊缝金属屈服强度达到735MPa以上，焊缝金属-50℃冲击功达到50J以上，无后热焊接焊缝金属无裂纹。

Description

一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂

技术领域

本发明涉及一种焊接材料技术，特别是一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂。

背景技术

焊剂是用于埋弧焊焊接的材料，其主要作用是保护电弧，从而使焊缝金属性能满足有关技术要求。焊剂按生产工艺分为熔炼焊剂和烧结焊剂类，与熔炼焊剂相比，烧结焊剂具有可连续生产、无污染、碱度较高，能够适合超高强度钢的焊接，在满足高强度要求的同时，得到较高的塑性和韧性。烧结焊剂被广泛应用于造船、桥梁、压力容器、金属结构等焊接制造。

随着我国舰船技术要求的提高，舰船用钢在不断发展，超高强度钢的应用越来越广泛，板厚规格越来越大，因此对埋弧焊这一高效焊接工艺方法的需求也不断增加，对高性能埋弧焊剂的需求越发迫切。

众所周知，强度越高，钢板成分中合金含量越高，可焊性相对越差。所以，该钢的焊接工艺比较复杂，目前采用的配套埋弧焊材（包括焊丝和焊剂）不仅要求焊前预热，还必须在焊后进行250℃保温2小时的后热处理。

对现有技术的检索发现，公开号为CN1326838A“氟碱型高韧性烧结焊剂”介绍了一种组成主要为MgO26~32%；CaF19~25%；Al₂O₃14.5~22%；SiO₂15~22%；CaO3.5~10%；MnO＜5%；FeO＜3%；K₂O+Na₂O2~3%；S＜0.04%；P＜0.05%的烧结焊剂，该焊剂与H08C焊丝匹配焊接X系列管线钢钢管，焊缝抗拉强度达到590MPa。

申请公布号为 CN 102363252A“一种低碱度高韧性的烧结焊剂”介绍了一种氟铝型低碱度烧结焊剂，其主要组成为CaF35~55份；Al₂O₃35~50份；MgO1~5份；CaO1~5份；SiO₂2~6份；Si-Fe1~5份；Mn-Fe1~5份；K₂O+Na₂O2~5份。与H10Mn2DR焊丝匹配焊接低合金钢，熔敷金属屈服强度达到460MPa。

公开号为CN 1107770A“超低氢高碱度烧结焊剂”介绍了一种抗辐照脆化性能好的烧结焊剂，其具体组成为：CaCO₃15~25%；MgO22~30%；SiO₂10~15%；Al₂O₃15~20%；CaF12~18%；BaCO₃4~9%； Li₂O1~2.5%；K₂O 0.5~3%；Na₂O0.5~3%；REMg0.2~5%。焊缝屈服强度达到500MPa以上。

公开号为CN1788919A“高碱度、低活性、超低氢烧结型焊剂”，介绍了一种低温韧性好的焊剂，其质量百分比的成分构成为：MgO28~33%； CaF12~20%；Al₂O₃16~22%；SiO₂8~15%；CaCO₃5~10%；BaCO₃5~10%；Na₂O2~4%；Li₂CO₃1~4%；ReF2~6%。该焊剂与10NiCrMoTi焊丝配合，焊缝表面光顺，铺展性好，脱渣性好；焊缝金属屈服强度达到500MPa以上。

公开号为CN1788920A“高速焊高韧性氟碱型烧结焊剂”介绍了一种管线钢高速焊焊剂，其化学组成为：MgO24~26%； CaF17~19%；Al₂O₃18~22%；SiO₂22~24%；CaC3~5%；MnO＜7%；FeO＜2%；Na₂O+K₂O2~3%；S＜0.04%；P＜0.05%。

申请公布号为CN102085603A“降低焊缝硫磷含量用于埋弧耐磨堆焊的氟碱型烧结焊剂”，其组分为MgO30~35%； CaF16~21%；Al₂O₃17~22%；SiO₂14~19%；MnO3~5%；FeO＜3%；氟化稀土复合添加剂1~3%；Na₂O0.3~0.6%；K₂O0.15~0.3%； S＜0.03%；P＜0.04%。

通过对现有的约50条焊剂专利检索，未发现有焊缝金属屈服强度600MPa以上的烧结焊剂。且上述专利中，多数对焊剂的硫磷含量未提出要求，仅有CN1326838A“氟碱型高韧性烧结焊剂”、CN1788920A“高速焊高韧性氟碱型烧结焊剂”、 CN102085603A“降低焊缝硫磷含量用于埋弧耐磨堆焊的氟碱型烧结焊剂”分别提出了“S＜0.04%；P＜0.05%”、“S＜0.04%；P＜0.05%”、“S＜0.03%；P＜0.04%”的技术要求。而目前国内市场上应用最广泛的101烧结焊剂，其硫含量基本在0.03~0.053%，磷含量基本在0.03~0.042%。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，在配合高强度焊丝焊接高强钢时，具有良好的操作工艺性，脱渣容易，成型美观，无后热焊接无裂纹，且强度、塑性、低温冲击韧性达到较高水平；具体可以配合WS80S焊丝焊接高强低合金钢，使得焊缝金属强度达到735MPa以上，焊缝金属-50℃冲击功达到50J以上，强韧性匹配好，实现无后热焊接无裂纹，简化焊接工艺。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，特征在于：烧结焊剂是干粉和模数为2.8~3.2的纯纳水玻璃的混合烧结物，水玻璃加入量为干粉重量的18~20%；干粉的质量百分数（wt%）成分组成为：萤石18~23；镁砂33~37，铝矾土14~17，石英3~5，大理石7~12，硅灰石9~13，钼铁0~1.5，氟化稀土1~3，硅铁1~2，锰矿1~3，硼砂0~3。

具体的，所述的钼铁中钼含量为55~58%；硅铁中硅含量为43~46%。

所述的锰矿的组成为锰的氧化物和不可避免的杂质，其中Mn的总含量为53~56%；粒度规格为≤80目。

所述的镁砂，其具体组成为MgO≥99%，粒度规格为≤40目。

所述的氟化稀土，具体技术指标要求为：REO≥83％，氟≥26%，粒度≤100目。

本发明的一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，制备方法为：将所需原材料检验合格后，制成不同标准粒度的粉剂，过筛后按配方配比称重，复称无误后倒入搅拌器中进行粉料干混；干混搅拌均匀后，将粉料倒入湿混搅拌器，边搅拌边加入模数为2.8~3.2的纯纳水玻璃，水玻璃加入量为干粉重量的18~20%；充分搅拌均匀后，送入造粒机进行造粒，造粒后焊剂颗粒采用热风通风干燥，随后在150~200℃下烘干，去除水分后过筛，筛分出的粒度符合标准要求的焊剂送入高温烧结炉，进行800~850℃高温烧结，烧结时间约30分钟，随炉冷却到500℃以下出炉冷却，经过检验、包装、入库，完成焊剂生产。

配方设计思路为：

1）根据熔渣物理性能对焊缝金属的影响，设计以CaF₂-MgO-AL₂O₃-SiO₂为该焊剂的渣系；

2）提高焊缝金属强韧性的技术手段：严格控制焊剂的碱度；加入适量大理石，降低电弧气氛中的氢分压，控制扩散氢；加入微量金属合金，改善焊缝组织，增加针状铁素体含量，提高韧性；

3）通过调整焊剂熔渣的粘度、表面张力和熔点等，改善焊缝的成形和脱渣性，得到良好的焊缝表面质量，保证焊缝内部无缺陷；

4）降低焊剂S、P含量低，提高焊缝抗冷、热裂纹的能力，保证无后热焊接焊缝不产生裂纹。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明与现有技术相比具有的优点和效果：

1）本发明采用优化技术，合理匹配各种原材料的比例，使焊接熔渣具有合适的熔点、粘度、表面张力，焊接时电弧燃烧稳定，焊缝边缘过渡平滑，铺展良好，焊缝成形美观。

2）本发明通过合理控制焊剂的碱度，降低了焊缝中氧含量；通过对原材料品质的控制，有效降低了焊剂的硫磷含量，从而进一步降低焊缝金属的S、P等有害杂质的含量，提高纯净度，保证了焊缝金属具有高强度和高的低温冲击韧性。

3）本发明中的大理石在焊剂中起到造渣、造气作用，其在焊接过程中产生的CaO和CO₂能够提高熔渣碱度、降低电弧气氛中的氢分压，从而提高焊缝韧性、降低扩散氢；加入的镁砂在造渣的同时，具有降低焊剂S、P的作用；加入的萤石可降低熔渣的熔点和粘度，增加熔渣流动性，改善焊道铺展性和脱渣性，分解后与水结合形成HF，也可降低熔敷金属扩散氢；石英、硅灰石中的SiO₂能够降低熔渣碱度，细化熔滴，改善焊缝成形；铝矾土中的Al₂O₃能够降低熔渣表面张力，改善脱渣性；锰矿中的锰以及加入的硅铁在冶金反应过程中起到脱氧的作用，改善焊缝强度和韧性；适量钼铁可进一步细化焊缝组织，提高韧性；硼砂能够改善焊剂的耐吸潮性。

4）本发明与WS80S焊丝匹配，焊接10CrNi5MoV钢，焊缝金属屈服强度达到735MPa以上，焊缝金属-50℃冲击功达到50J以上，无后热焊接焊缝金属无裂纹。

附图说明

图1是熔敷金属金相组织照片，500×。

图中的熔敷金属金相组织为细针状铁素体+少量粒状贝氏体。

具体实施方式

下面结合实施例进一步具体说明本专利。但是本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

1）组分：实施例1~实施例四的组分见表1。配方中，钼铁中钼含量为55~58%；硅铁中硅含量为43~46%；锰矿具体组成为锰的化合物，包括Mn₂O₃、Mn₃O₄等，化合物中Mn的总含量为53~56%，规格为≤80目；镁砂具体组成为MgO≥99%，规格为≤40目；氟化稀土具体技术指标要求为：REO≥83％，氟≥26%，粒度≤100目。

表1 实施例1~实施例四的组分（wt%）

组分名称	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四
					萤石	18	18	19	23
镁砂	37	34	34	33
					铝矾土	16	14	17	14
石英	3	4.5	4	5
					大理石	8	12	7	8
硅灰石	13	10	9	11
					钼铁	0.5	0	1.5	0
氟化稀土	1.5	2	3	1
					硅铁	1	2	1	1
锰矿	2	2.5	3	1
					硼砂	0	1	1.5	3

2）匹配WS80S焊丝成分（质量百分数）为：C=0.063， Si=0.299，Mn=2.19，Cr=0.558，Ni=2.88，Mo=0.660，Ti=0.106， S=0.0057，P=0.0089。

3）制备方法：

将所需原材料检验合格后，制成不同标准粒度的粉剂，过筛后按配方配比称重，复称无误后倒入搅拌器中进行粉料干混；干混搅拌均匀后，将粉料倒入湿混搅拌器，边搅拌边加入模数为3.0的纯纳水玻璃，水玻璃加入量为干粉重量的18~20%；充分搅拌均匀后，送入造粒机进行造粒，造粒后焊剂颗粒采用热风通风干燥，随后在150~200℃下烘干，去除水分后过筛，筛分出的粒度符合标准要求的焊剂送入高温烧结炉，进行800~850℃高温烧结，烧结时间约30分钟，随炉冷却到500℃以下出炉冷却，经过检验、包装、入库，完成焊剂生产。

4）实施例试验结果

表2为实施例焊剂的S、P含量分析结果；

表3为实施例焊剂的熔敷金属力学性能试验结果；

实施例的熔敷金属金相组织为图1。

表2 实施例焊剂的S、P含量（wt%）

实施例	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四
					S	0.018	0.014	0.018	0.014
P	0.02	0.026	0.019	0.015

表3 实施例熔敷金属力学性能

Figure 2013100045760100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims

1.一种高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，其特征是：烧结焊剂是干粉和模数为2.8~3.2的纯纳水玻璃的混合烧结物，水玻璃加入量为干粉重量的18~20%；干粉的质量百分数（wt%）成分组成为：萤石18~23；镁砂33~37，铝矾土14~17，石英3~5，大理石7~12，硅灰石9~13，钼铁0~1.5，氟化稀土1~3，硅铁1~2，锰矿1~3，硼砂0~3。

2.根据权利要求1所述高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，其特征是：所述的钼铁中钼含量为55~58%；硅铁中硅含量为43~46%。

3.根据权利要求1所述高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，其特征是：所述的锰矿为锰的氧化物和不可避免的杂质，其中Mn的总含量为53~56%；粒度规格为≤80目。

4.根据权利要求1所述高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，其特征是：所述的镁砂的MgO≥99%，粒度规格为≤40目。

5.根据权利要求1所述高强度高韧性无后热焊接的烧结焊剂，其特征是：所述的氟化稀土的技术指标为：稀土≥83%，氟≥26%，粒度≤100目。