CN107175429A - 一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂 - Google Patents

一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，所述焊剂药粉包括如下重量份数的成分，氧化钙10～14份、细镁砂14～16份、三氧化二铝18～20份和金红石3～5份、氟化物42～50份和蓝晶石粉5～8份，粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0～3.1、钾钠比为2:1，高模钾钠水玻璃与焊剂药粉的重量比为1：4～5。本发明所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，该埋弧焊剂配合特定埋弧药芯焊丝能够满足焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数，而且脱渣容易、焊道成型美观、焊后加工余量小，减少焊后人工维护，可用于大型桥梁耐蚀专用钢的焊接，可以保证焊接质量。

Description

一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其是涉及一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂。
背景技术
桥梁工程具有高技术、高投入、高产出、高附加值、高风险的特点，同时也要求高安全性和高可靠性。桥梁工程主体结构主要采用金属材料。在海洋环境这种高腐蚀环境中长期服役的金属材料必须采取腐蚀防护措施。
随着我国桥梁建设向高速、重载、大跨度方向发展，为保障桥梁的运行安全和使用寿命，耐海洋大气腐蚀理念已经开始应用于桥梁建设中。在腐蚀环境下，两种金属组成电偶对时，电位高者作为阴极，电位低者作为阳极。电偶腐蚀的推动力是在连续的介质中两种金属的腐蚀电位差，电位差较大的两种金属组成电偶对时，阳极金属受到的腐蚀会较严重。必须由不同金属组成构件时，应尽量选择电位接近的材料相组合，设计上应避免选用大阴极小阳极的结构件，关键零件或零件面积较小时，应采用阴极材料制作。通常结构件设计为阳极面积大于阴极面积，大阳极小阴极时，电位差控制在小于100mV；小阳极大阴极时电位差应控制在10mV以下，并且越小越好。焊接材料的电位要比基体金属的电位高，一般至少要高5mV以上。
目前，国外仅有少数焊材厂开发出此类性能的埋弧焊接材料，但价格昂贵，而国内市场暂无此类产品。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，该埋弧焊剂配合专有埋弧药芯焊丝能够满足焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数，而且脱渣容易、焊道成型美观、焊后加工余量小，减少焊后人工维护，可用于大型桥梁耐蚀专用钢的焊接，可以保证焊接质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，所述焊剂药粉包括如下重量份数的成分，氧化物45～55份、氟化物42～50份和蓝晶石粉5～8份。
优选的，所述氧化物包括如下重量份数的成分，氧化钙10～14份、细镁砂14～16份、三氧化二铝18～20份和金红石3～5份。
优选的，所述氟化物为氟化钙。
优选的，所述焊剂药粉包括如下重量份数的成分，氧化钙10～12份、细镁砂14～16份、三氧化二铝18～20份、金红石3～5份、氟化钙42～50份和蓝晶石粉5～8份
优选的，所述粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0～3.1、钾钠比为2:1，高模钾钠水玻璃与焊剂药粉的重量比为1：4～5。
本发明还提供了如上所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂在跨海桥梁用钢焊接中的应用。
本发明的配方分析：
氧化镁是良好的造渣材料，它能增加熔渣透气性，并且氧化镁是碱性氧化物，可以降低熔渣的黏度，是脱渣更加容易，保证焊缝的纯净性。
氧化钙作用是保证焊接电弧稳定，在电弧周围形成一种还原的气氛，防止空气中的水蒸气、二氧化碳、氮气等有害气体进入熔敷金属，生成的焊接熔渣均匀地覆盖在焊缝金属表面，减缓了焊缝金属的冷却速度，并获得良好的焊缝成形，保证熔渣具有合适的熔点、密度，熔渣在电弧的高温作用下形成熔渣，发生一系列化学冶金反应，除去氧化物及硫、磷等有害杂质。从而提高焊缝的低温冲击韧性。
三氧化二铝是焊剂的组成成分，其特征在于取自煅烧α型氧化铝，通过调节三氧化二铝的含量和配比，可以控制熔渣的粘度、熔点、凝固温度，使其焊道中没有渣壳的残留，并且降低焊剂成品的结晶水含量以及降低有害元素S/P的含量。进而进一步提高熔敷金属的低温冲击韧性。
金红石在本发明中属于强造渣剂，可以起到稳定电弧的作用，在本发明中焊接方式为埋弧焊接，需要渣壳辅助保证焊道成型，金红石具有较高的熔点，可以调解熔渣物理性能，能够快速冷凝，辅助焊道成型及脱渣，保证焊缝的工艺性。
氟化物的添加是本发明的技术之一，氟化物是氟化钙，氟化钙能够与焊缝中氢结合成氟化氢气体溢出，有利于降低电弧气氛中氢的分压，从而起到去氢作用，降低了焊缝中有害元素氢的含量，减少氢致裂纹的产生。
蓝晶石粉的添加是本发明的关键技术，蓝晶石在高温下体积膨胀，当温度降低时，体积变化很小，即系有不可逆性转化产生的体积膨胀特性。该性能使焊剂拥有良好的脱渣性，在焊接时，无渣壳残留，焊缝纯净，避免了上一道焊缝在脱渣时，由于焊道表面微量的黏渣引起的非金属熔渣残存，凝固在下一道焊缝的熔敷金属中。在低温环境下冲击良好。添加了蓝晶石粉后，熔敷金属O/N含量低，熔敷金属中无非金属夹渣。
相对于现有技术，本发明所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂具有以下优势：
本发明所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，没有添加合金元素，但可以保证焊缝的冲击韧性和屈强比、焊缝工艺性能；添加蓝晶石能够有效提高焊道的脱渣性，减少对冲击韧性的破坏，提高焊缝的综合性能；本发明的焊剂配合天津市金桥焊材集团有限公司生产的型号为：JQ.YDM500NHY的焊丝能够满足焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数，可以满足较大参数下的焊接，保证焊缝的力学性能符合国家标准要求，满足在海洋大气环境下的长时间使用。
附图说明
图1为模拟海洋大气环境下试验钢自腐蚀电位对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的焊剂原材料经过严格的选料控制，对每一种原材料制定严格的化学成分范围，以及对部分原材料颗粒度进行控制，保证焊剂的颗粒强度。在生产过程中，实行全程在线监控，将药粉按一定比例配制混合，将水玻璃按照25％的重量比例加入辅料混合粉中，用最新螺旋式焊剂生产设备，将混合粉制成均匀颗粒度的焊剂，经过试验发现，焊剂的颗粒度对焊接过程中电弧稳定性有较大影响，保证焊接颗粒度均匀能够使焊接过程平稳，进而得到优良的焊缝成形，因此，本焊剂生产过程中使用焊剂优选装置。
模拟大气环境下母材以及焊材电偶腐蚀研究实验
(1)电化学试验装置
电化学试验装置采用三电极体系。工作电极(即研究电极)为待测试样，工作面积为1cm2；参比电极为饱和甘汞电极；辅助电极为铂丝网。
(2)电解液及环境条件
试验温度：25℃±1℃。
试验条件：模拟海洋大气环境，0.5％NaCl溶液；
(3)仪器设备
设备为美国EG&G公司生产的M398电化学测试***。
(4)试样
试样为鞍钢生产的3Ni耐候桥梁钢以及焊材，试样标号如下：
1#：母材鞍钢3Ni桥梁钢
2#：埋弧熔金SJ101NHY YJM500NHY
将试验钢用机床加工成50mm×25mm×5mm的试样，对试样进行如下步骤处理：将试样进行倒边，逐级用水砂纸打磨到1000号后进行热碱脱脂→热水清洗→冷水冲洗→去离子水清洗→酒精清洗→吹干。
3试验结果及讨论
母材以及使用本发明工艺所得的焊材在模拟海洋大气的自腐蚀电位如图1。
其中试验钢稳定后的自腐蚀电位V为：1#为-0.314；2#为-0.305。在腐蚀环境下，两种金属组成电偶对时，电位高者作为阴极，电位低者作为阳极。电偶腐蚀的推动力是在连续的介质中两种金属的腐蚀电位差，电位差较大的两种金属组成电偶对时，阳极金属受到的腐蚀会较严重。通常结构件设计为阳极面积大于阴极面积，大阳极小阴极时，电位差控制在小于100mV；小阳极大阴极时电位差应控制在10mV以下，并且越小越好。焊接材料的电位要比基体金属的电位高，一般至少要高5mV以上。
本次试验中的试验钢稳定后的自腐蚀电位数值见图1，模拟海洋大气环境下，焊接材料的电位高于母材，2#和1#的电位差为9mV。焊接材料可以满足要求。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(份)
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 12470-2003标准规定，配合专有耐海洋大气腐蚀药芯焊丝，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为18-19KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：活性焊剂。
②焊剂S/P含量：
项目 S P
保证值 ≤0.035 ≤0.040
例值 0.013 0.022
③熔敷金属化学成分
项目 S P O N
保证值 ≤0.015 ≤0.025 - -
例值 0.011 0.020 0.066 0.0050
④熔敷金属力学性能实测值
力学项目 Rm(N/mm2) Rel(N/mm2) A(％) AKV(J)-60℃
标准值 ≥490 ≥400 ≥22.0 ≥60
实测值 571 470 25 80
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(4)该实施例的焊剂配合天津市金桥焊材集团有限公司生产的型号为：JQ.YDM500NHY的焊丝，焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数V：
V＝1/{(1.0-0.16[C])×(1.05-0.05[Si])×(1.04-0.016[Mn])×(1.0-0.5[P])×(1.0+1.9[S])×(1.0-0.10[Cu])×(1.0-0.12[Ni])×(1.0-0.3[Mo])×(1.0-1.7[Ti])}＝1.727
实施例2：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(份)
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 12470-2003标准规定，配合专有耐海洋大气腐蚀药芯焊丝，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为18-19KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：活性焊剂。
②焊剂S/P含量：
项目 S P
保证值 ≤0.035 ≤0.040
例值 0.012 0.021
③熔敷金属化学成分
项目 S P O N
保证值 ≤0.015 ≤0.025 - -
例值 0.010 0.019 0.058 0.0045
④熔敷金属力学性能实测值
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(4)该实施例的焊剂配合天津市金桥焊材集团有限公司生产的型号为：JQ.YDM500NHY的焊丝，焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数V：
项目 C Si Mn P S Cu Ni Mo Ti
例值 0.038 0.16 0.63 0.021 0.012 0.43 3.36 0.084 0.021
V＝1/{(1.0-0.16[C])×(1.05-0.05[Si])×(1.04-0.016[Mn])×(1.0-0.5[P])×(1.0+1.9[S])×(1.0-0.10[Cu])×(1.0-0.12[Ni])×(1.0-0.3[Mo])×(1.0-1.7[Ti])}＝1.725
实施例3：
(1)焊剂药粉中各种原材料重量百分比如下表：(份)
(2)粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1。
(3)按照上述成分制成埋弧焊剂进行检测，根据国标GB/T 12470-2003标准规定，配合专有耐海洋大气腐蚀药芯焊丝，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。焊接规范：焊接电源为直流反接，焊接热输入为18-19KJ/cm、道间温度145-150℃。
①焊剂类型：活性焊剂。
②焊剂S/P含量：
项目 S P
保证值 ≤0.035 ≤0.040
例值 0.014 0.022
③熔敷金属化学成分
项目 S S O N
保证值 ≤0.015 ≤0.015 - -
例值 0.012 0.012 0.056 0.0040
④熔敷金属力学性能实测值
力学项目 Rm(N/mm2) Rel(N/mm2) A(％) AKV(J)-60℃
标准值 ≥490 ≥400 ≥22.0 ≥60
实测值 560 468 24.5 107
⑤纵向弯曲试验：面弯背弯均合格。
(4)该实施例的焊剂配合天津市金桥焊材集团有限公司生产的型号为：JQ.YDM500NHY的焊丝，焊后熔敷金属耐海洋大气腐蚀系数V：
项目 C Si Mn P S Cu Ni Mo Ti
例值 0.03 0.11 0.65 0.012 0.012 0.46 3.38 0.088 0.018
V＝1/{(1.0-0.16[C])×(1.05-0.05[Si])×(1.04-0.016[Mn])×(1.0-0.5[P])×(1.0+1.9[S])×(1.0-0.10[Cu])×(1.0-0.12[Ni])×(1.0-0.3[Mo])×(1.0-1.7[Ti])}＝1.717
通过上述焊接实验，验证本发明的综合性能，有如下结果：
(1)本发明焊剂为专用烧结焊剂，能够将合金元素过渡到焊缝中，能够有效的提高焊缝纯净性，焊道脱渣性，保证焊缝综合性能。
(2)本发明焊剂能够满足大型桥梁埋弧焊接需求，具有非常高的抗拉强度和冲击韧性和耐海洋大气腐蚀系数。
结论：本发明的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，焊接性能优良，焊缝成形美观，其焊缝化学成分、力学性能均能满足大型跨海桥梁的焊接应用，可以保证焊接质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，其特征在于：所述焊剂药粉包括如下重量份数的成分，氧化物45～55份、氟化物42～50份和蓝晶石粉5～8份。
2.根据权利要求1所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，其特征在于：所述氧化物包括如下重量份数的成分，氧化钙10～14份、细镁砂14～16份、三氧化二铝18～20份和金红石3～5份。
3.根据权利要求2所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，其特征在于：所述氟化物为氟化钙。
4.根据权利要求3所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，其特征在于：所述焊剂药粉包括如下重量份数的成分，氧化钙10～12份、细镁砂14～16份、三氧化二铝18～20份、金红石3～5份、氟化钙42～50份和蓝晶石粉5～8份。
5.根据权利要求2所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂，其特征在于：还包括粘合剂，所述粘合剂为高模钾钠水玻璃，模数为3.0-3.1、钾钠比为2:1，高模钾钠水玻璃与焊剂药粉的重量比为1：4～5。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的耐海洋大气腐蚀专用埋弧焊剂在跨海桥梁用钢焊接中的应用。
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