CN104722960B - 一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝及其制备方法。该药芯割丝由药芯和外层钢带组成，其特征是，所述药芯按质量百分比由药粉：碳酸氢钠为4～7％，白云石为10～18％，铝粉为10～20％，稀土氧化物为0.05～1.5％，其余为高氯酸钾组成，总质量百分比为100％。制备步骤是，按配比称取药粉，先将高氯酸钾与碳酸氢钠、白云石混合均匀，再加入稀土氧化物混合均匀，最后加入铝粉混合均匀；将混合均匀的药粉进行烘干，烘干温度不超过50℃；采用成型机将外层钢带制成U型槽状，将药粉填充到U型槽中，合拢槽口，药粉填充率控制在18～25％；最后采用拉丝机逐道拉拔，得到药芯割丝。该药芯割丝用于切割水下低碳钢和低合金钢，切割过程无需额外供氧，且无毒害作用。

Description

一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料类的焊接与切割材料技术领域，涉及一种切割用药芯焊丝，更具体地说，涉及一种用于自保护水下湿式电弧切割的低成本环保型药芯割丝及其制备方法。

背景技术

在水下紧急救援、水下沉船解体打捞，以及水下工程制造等领域中，水下切割均是不可或缺的关键技术。以往使用较多的是利用电弧或火焰产生的高温来熔化去除金属的氧-电弧切割法与氧-火焰切割法等热切割方法，但上述切割方法均需额外供氧，将耗费大量氧气，而瓶装纯氧在某些场合运输携带不便制约了该切割方法的使用。除此之外，上述切割方法尽管操作灵活、简单易行，但由于自动化程度不高，在切割工作量大的场合，就暴露出工作效率较低的缺点。

自保护水下湿式熔化极电弧切割方法使用药芯割丝作为切割材料，可实现自动化连续切割，利用药芯成分自身的化学反应提供氧气助燃及气体保护，故避免了氧-电弧切割法所需的外加氧气供给源及熔化极水喷射电弧切割法所需的高压水泵装置。前苏联专利SU1358254A1(Flux-cored wire forunderwater cutting)提供了一种药芯割丝用于该方法，该药芯主要成分菱铁矿在切割过程中受热分解释放二氧化碳气体排开周围水，对切割处进行保护，利用电弧热将钢板熔化吹落，但由于对钢板氧化效果及效率不够，得到的割口不连续，制约了该药芯割丝的切割效果。

本发明人通过积极持久并且有益的试验，以碳酸氢钠与白云石组合造气为水下待切割钢板提供气体保护，以高效率造氧的高氯酸钾作为药芯中的氧气供给源，实现气体保护与氧化作用的协调进行，利用高氯酸钾与铝粉反应产生的高热量辅助加热待切割钢板，有效地实现了水下电弧切割。同时在药芯成分中添加易电离的稀土氧化物，以改善药芯割丝的引弧性能并提高电弧燃烧的稳定性。药芯各成分在水下切割过程中无毒害作用。本发明到目前为止，尚未见相关报导。

发明内容

本发明的目的是为了解决和克服上述现有技术所存在的技术问题和缺陷，以实现对低碳钢以及低合金钢板的自保护水下湿式电弧切割，而提供一种用于自保护水下湿式电弧切割的高效产热环保型药芯割丝及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用低碳钢带作为外层包裹材料，药芯材料由各种药粉组成。利用其电弧产生的热量以及药芯成分化学反应产生的高热量来加热和熔化待切割钢板；通过在药芯配方中添加适量的造气剂，利用其产生的气体排开周围水，对待切割处起保护作用；通过添加足量的氧化剂，在切割时利用其发生的化学反应释放氧气将钢板氧化，借助气体流的作用力吹落氧化渣，从而形成割口；并通过添加适量且有效的稳弧剂，改善药芯割丝的引弧性能并提高电弧燃烧的稳定性，使切割能有效持续进行。药芯中各成分均来源广泛，化学反应产物简单且切割过程无毒害作用。

本发明实现目的的具体技术方案是：

一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，由药芯和外层钢带组成，其特征是，所述药芯按质量百分比由药粉：碳酸氢钠为4～7％，白云石为10～18％，铝粉为10～20％，稀土氧化物为0.05～1.5％，其余为高氯酸钾组成，总质量百分比为100％。

其中所述碳酸氢钠与所述白云石两种药粉的质量之比不超过0.4︰1。

其中所述稀土氧化物为氧化镧或氧化铈。

其中所述的铝粉的粒径为100％过80目筛、过160目筛小于10％，所述的其余药粉的粒径为过100目筛。

其中所述的外层钢带的材质为低碳钢，厚度为0.4～0.6mm。

上述的一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)按配比称取药粉，先将高氯酸钾与碳酸氢钠、白云石混合均匀，再加入稀土氧化物混合均匀，最后加入铝粉混合均匀；

(2)将混合均匀的药粉进行烘干，烘干温度不超过50℃；

(3)采用成型机将外层钢带制成U型槽状，将药粉填充到U型槽中，合拢槽口，药粉填充率控制在18～25％；

(4)采用拉丝机逐道拉拔，得到药芯割丝。

本发明与现有技术相比，其有益效果主要是：

(1)在水下湿式电弧切割场合，利用水下电弧产生的热量来加热熔化待切割钢板，但切割过程所需的电压以及电流较大，电能消耗严重且极不安全。本发明在药芯中添加高效铝热剂(高热剂)，利用其化学反应产生的高热量与电弧热共同作用使得待切割处钢板熔化，从而有效节约切割电能，降低切割成本，且减少安全隐患，同时药芯配方中过量的高氯酸钾分解供氧，将熔化的钢板氧化并吹离从而形成割口。

表1 几种常用的铝热剂及其反应放热效率

编号	铝热剂成分(质量比)	反应热Q(kJ/g)
			1	Fe2O3/Al＝75/25	3.98
2	Fe3O4/Al＝76/24	3.68
			3	CuO/Al＝82/18	4.11
4	NaNO3/Al＝65/35	8.73
			5	KNO3/Al＝69/31	7.41
6	KClO3/Al＝69/31	9.70
			7	KClO4/Al＝66/34	10.62

铝热剂种类繁多，放热效率各不相同，表1列举几种常用的铝热剂及其反应放热效率。

通过对比铝热剂反应放热效率，可知相对于氧化物来说，利用盐作为氧化剂时铝热反应放热量更大。在铝热反应氧化剂的选择方面，氯酸钾在生产以及运输过程中易自爆，极不安全，在生产中已被高氯酸钾替代；硝酸钠等钠盐易吸潮，不适合用作药芯的主要成分；硝酸钾放热效率不及高氯酸钾，且更易吸潮。故本发明中使用过量的高氯酸钾与铝粉配合作为高效铝热剂，利用外层钢带将铝热反应产生的高热量传输至待切割钢板，可减少切割电源的热输入。

表2 几种常用的供氧剂及供氧效率

编号	供氧剂	100g供氧剂分解后供氧量/g
			1	NaClO4	52
2	NaNO3	47
			3	KClO4	46
4	KNO3	40
			5	KClO3	39
6	Ba(NO3)2	30
			7	Fe2O3	30
8	Fe3O4	26
			9	BaO2	9

在药芯成分中设计的过量高氯酸钾可在高温下分解供氧，将熔化的钢板氧化并吹离从而形成割口。利用高氯酸钾这一成分供氧是基于造氧高效率考虑，通过表2中常见的供氧剂对比可知，每100g供氧剂释放出氧气的量差异较大，其中每100g的BaO2分解可供应9g氧气，而每100g的NaClO4、NaNO3和KClO4分解后分别得到52、47、46g氧气，造氧效率相对较高，但前二者含Na盐吸湿性较大，不适合用作药芯的主要成分，故选择KClO4造氧。

综上述所，药芯中的主要成分KClO4即可参与铝热反应放热辅助切割，又能造氧将熔化的钢板氧化并吹离从而形成割口。

(2)本发明在药芯配方中设计添加了一定量的碳酸氢钠与白云石作为药芯的造气成分。白云石中的碳酸镁和碳酸钙成分分别在300℃和600℃以上时分解释放二氧化碳，而水下切割过程中，在水压力作用下，上述成分的分解温度均有所提高，故本发明在白云石的基础上同时添加分解温度更低的碳酸氢钠作为造气成分，使药芯能在较低温度下分解造气从而进行保护。但药芯中碳酸氢钠与白云石两种药粉的质量之比以不超过0.4︰1为宜，如碳酸氢钠所占比例过高，其在早期分解过甚，导致后期气体动力不足，在一定程度上限制了切割效果。

本发明中的白云石与碳酸氢钠除了造气保护作用外，还可作为氧化剂的稀释剂。由于氧化剂和铝粉在混合过程中有安全隐患，故本发明在药芯混粉时，首先将高氯酸钾与白云石、碳酸氢钠混合均匀，达到降低纯度的效果，铝粉是最后才加入混合均匀，并且在烘干这一步骤中将烘干温度设定为不高于50℃，提高了药芯割丝加工成型过程中的安全系数，这是本发明方案中的另一个关键所在。

(3)尽管药芯配方中含有钾、钠、镁、钙等易电离元素，但为进一步改善水下电弧稳定性，又在药芯中添加了氧化镧或氧化铈等稀土氧化物，发挥稀土元素易电离的优势，从而提高水下引弧能力及电弧燃烧的稳定性。

(4)本发明的试验表明，在药芯割丝制备过程中，药粉烘干温度不宜超过50℃，否则碳酸氢钠等组分将分解变质。在药粉装填过程中将药粉填充率控制在18～25％，填充率太低则割丝填充不实，在切割时容易受到送丝轮的挤压变形，导致送丝不畅，并且由于缺乏药芯的作用导致切割效果恶化，填充率太高则会增加轧制、拉拔的难度，甚至导致钢带包不住药粉影响轧制的顺利进行。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明的一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝及其制备方法作进一步的详细说明。

实施例1

一、药芯成分配比

称取4％的碳酸氢钠，10％的白云石，20％的铝粉，1％的氧化铈，65％的高氯酸钾。

二、制备方法

1、按配比称取药粉，先将高氯酸钾与碳酸氢钠、白云石混合均匀，再加入稀土氧化物混合均匀后过100目的筛子，再将过80目筛子的铝粉与其混合均匀；

2、将混合均匀的药粉在50℃进行烘干；

3、选取厚度为0.5mm的H08A钢带，将其轧成U形槽状，将混合均匀的药粉填充到U形槽中，合拢U形槽口，药粉填充率控制在20％；

4、采用拉丝机将药芯割丝分别通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.2mm的药芯割丝。

三、有益效果

本实施例制得的药芯割丝在切割电压为35～40V、切割电流为300～400A的条件下，对20mm厚度的Q235A钢板进行水下切割，切割速度为200mm/min的工况下，未出现搭桥、挂渣现象。

实施例2

按质量百分比配比药芯成分为：4％的碳酸氢钠，11％的白云石，18％的铝粉，1.5％的氧化镧，65.5％的高氯酸钾。

选用厚度为0.5mm的H08A钢带，按照实施例1的制备方法进行制备得到2.2mm直径的药芯割丝。

本实施例制得的药芯割丝在切割电压为35～40V、切割电流为300～400A的条件下，对20mm厚度的Q235A钢板进行水下切割，切割速度为210mm/min的工况下，未出现搭桥、挂渣现象。

实施例3

按质量百分比配比药芯成分为：5％的碳酸氢钠，13％的白云石，15％的铝粉，0.5％的氧化铈，66.5％的高氯酸钾。

选用厚度为0.5mm的H08A钢带，按照实施例1的制备方法进行制备得到2.2mm直径的药芯割丝。

本实施例制得的药芯割丝在切割电压为35～40V、切割电流为300～400A的条件下，对20mm厚度的Q235A钢板进行水下切割，切割速度为220mm/min的工况下，未出现搭桥、挂渣现象。

实施例4

按质量百分比配比药芯成分为：6％的碳酸氢钠，15％的白云石，12％的铝粉，0.2％的氧化镧，66.8％的高氯酸钾。

选用厚度为0.5mm的H08A钢带，按照实施例1的制备方法进行制备得到2.2mm直径的药芯割丝。

本实施例制得的药芯割丝在切割电压为35～40V、切割电流为300～400A的条件下，对20mm厚度的Q235A钢板进行水下切割，切割速度为220mm/min的工况下，未出现搭桥、挂渣现象。

实施例5

按质量百分比配比药芯成分为：7％的碳酸氢钠，18％的白云石，10％的铝粉，0.05％的氧化铈，64.95％的高氯酸钾。

选用厚度为0.5mm的H08A钢带，按照实施例1的制备方法进行制备得到2.2mm直径的药芯割丝。

本实施例制得的药芯割丝在切割电压为35～40V、切割电流为300～400A的条件下，对20mm厚度的Q235A钢板进行水下切割，最大切割速度为200mm/min的工况下，未出现搭桥、挂渣现象。

Claims (6)

1.一种用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，由药芯和外层钢带组成，其特征是，所述药芯按质量百分比由药粉：碳酸氢钠为4～7％，白云石为10～18％，铝粉为10～20％，稀土氧化物为0.05～1.5％，其余为高氯酸钾组成，总质量百分比为100％。

2.根据权利要求1所述的用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，其特征是，所述碳酸氢钠与所述白云石两种药粉的质量之比不超过0.4︰1。

3.根据权利要求1所述的用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，其特征是，所述稀土氧化物为氧化镧或氧化铈。

4.根据权利要求1所述的用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，其特征是，所述的铝粉的粒径为100％过80目筛、过160目筛小于10％，其余药粉的粒径为过100目筛。

5.根据权利要求1所述的用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝，其特征是，所述的外层钢带的材质为低碳钢，厚度为0.4～0.6mm。

6.一种根据权利要求1所述的用于水下湿式电弧切割的高效产热药芯割丝的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)按配比称取药粉，先将高氯酸钾与碳酸氢钠、白云石混合均匀，再加入稀土氧化物混合均匀，最后加入铝粉混合均匀；

(2)将混合均匀的药粉进行烘干，烘干温度不超过50℃；

(3)采用成型机将外层钢带制成U型槽状，将药粉填充到U型槽中，合拢槽口，药粉填充率控制在18～25％；

(4)采用拉丝机逐道拉拔，得到药芯割丝。