CN111660038A

CN111660038A - 一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN111660038A
Application number: CN202010379190.8A
Authority: CN
Inventors: 聂建航
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: CN111660038B

Abstract

本发明公开了一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，烧结焊剂为干粉和粘接剂混合后的烧结物，所述干粉的重量百分数组成为：氧化铝18~25%、莫来石10~15%、镁砂18~26%、萤石15~25%、石英5~10%、硅灰石5~10%、霞石5~10%、锰硅合金1~3%、纯碱0.5%、氟化钠0.5%，所述粘结剂的加入量为干粉重量的21%~24%。其制备方法为：先将干粉的各组成进行配料并干混，得到混合料，再混合料与粘结剂湿混均匀，得到湿混料，之后对湿混料进行造粒，得到造粒粉，然后造粒粉于300~350℃下烘干，最后于600~650℃下烧结成型、破碎，得到烧结焊剂。该烧结焊剂为Al₂O₃‑MgO‑CaF₂‑SiO₂高铝型渣系，匹配合金体系为C‑Mn‑Cr‑Mo系的埋弧焊丝HS45Mn25Cr3Mo1，不需要用镍来保证低温韧性，成分与母材接近，避免了成分偏析以及热裂纹倾向。

Description

一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体的说是一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂及其制备方法，适用于高锰钢LNG储罐的焊接。

背景技术

随着全球经济的快速发展，液化天然气(LNG)作为现代清洁能源，其需求量与日俱增。海上运输是LNG国际贸易的主要运输方式，具有运量大、可靠性高、利润高等优点。研究表明，高锰钢的低温韧性、耐疲劳性等与目前LNG储罐广泛应用的9％Ni钢相当，但塑性远高于9％Ni钢，对于提高LNG装备安全性具有重要意义。且金属锰价格远低于镍，采用高锰钢可大幅降低材料成本。高锰钢具有明显的技术和经济优势，应用前景广阔。国内已经进行了高锰钢的研制，但配套焊材研制相对滞后。

高锰钢LNG储罐建造用焊接材料有电焊条、埋弧焊、氩弧焊丝等，可检索到的有关埋弧焊材的专利主要有：公开号为CN107052618A的中国专利公开了制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，该专利公开了埋弧焊用实心焊丝，却未提及配套的焊剂；公开号为CN109530881A的中国专利公开了焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法，其中，焊剂为MgO-Al₂O₃-CaF₂-TiO₂-SiO₂渣系，焊丝为Mn-Ni-Cr-Mo合金系，焊剂匹配的焊丝含有10％左右的镍，需要用较高的镍来提高低温韧性。若上述焊剂匹配不含镍的C-Mn-Cr-Mo系高锰焊丝时，其焊接工艺性不好，低温韧性差。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂及其制备方法，该烧结焊剂为Al₂O₃-MgO-CaF₂-SiO₂高铝型渣系，匹配合金体系为C-Mn-Cr-Mo系的埋弧焊丝HS45Mn25Cr3Mo1，不需要用镍来保证低温韧性，成分与母材接近，避免了成分偏析以及热裂纹倾向。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，烧结焊剂为干粉和粘接剂混合后的烧结物，所述干粉的重量百分数组成为：氧化铝18～25％、莫来石10～15％、镁砂18～26％、萤石15～25％、石英5～10％、硅灰石5～10％、霞石5～10％、锰硅合金1～3％、纯碱0.5％、氟化钠0.5％，所述粘结剂的加入量为干粉重量的21％～24％。

进一步地，所述莫来石以质量百分比计的化学成分中含75％的Al₂O₃和25％的SiO₂。

进一步地，所述硅灰石以质量百分比计的化学成分中含50％的CaO和45％的SiO₂。

进一步地，所述霞石以质量百分比计的化学成分中含55％的SiO₂、23％的Al₂O₃、15％的NaO以及15％的K₂O。

进一步地，所述粘结剂为纯钠水玻璃，纯钠水玻璃的模数为2.8，波美度为40～42°Be′。

一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂的制备方法，包含如下步骤：

(1)、将上述干粉的各组成进行配料并干混，得到混合料；

(2)、将步骤(1)得到的混合料与粘结剂湿混均匀，得到湿混料；

(3)、将步骤(2)得到的湿混料进行造粒，得到造粒粉；

(4)、将步骤(3)得到的造粒粉于300～350℃下烘干；

(5)、将步骤(4)烘干后的造粒粉于600～650℃下烧结成型、破碎，得到烧结焊剂。

进一步地，制备的烧结焊剂的粒度为10～60目，颗粒粒径过大将会使焊接过程稳定性变差，粒径过小则对工况条件下的焊接过程有不利影响。

本发明所述烧结焊剂的设计依据如下：

氧化铝和莫来石：氧化铝成分为Al₂O₃，熔点2054℃，莫来石化学成分中含75％的Al₂O₃和25％的SiO₂，熔点约为1910℃，两者为Al₂O₃主要来源，总Al₂O₃含量为30％～40％，是本发明烧结焊剂中主要的造渣剂，使熔渣具有合适的粘度与流动性。超过或低于该范围，都会导致焊缝成型不良。通过莫来石引入一部分Al₂O₃，可改善全部用氧化铝易产生的干粉料团聚或造粒性差的问题。

镁砂：镁砂成分为MgO，是一种强碱性氧化物，提高焊缝金属低温韧性。MgO熔点高达为2800℃，含量过多，使熔渣凝固温度提高，熔渣与液态金属间的冶金反应不能充分进行，容易形成夹渣等缺陷；含量太少，不利于焊缝金属低温韧性。本发明合适范围18～26％。

萤石：萤石成分为CaF₂，也是一种碱性氧化物，熔点较低，约为1400℃，熔融态流动性好，使熔渣具有较好的流动性，有利于焊缝铺展。含量过高，焊接电弧稳定性差，含量过低，焊缝铺展较差。本发明合适范围15～25％。

石英：石英成分为SiO₂，是一种酸性氧化物，与MgO和CaF₂的合理配比，可调节熔渣粘度，增强熔渣流动性。本发明合适范围5～10％。

硅灰石：硅灰石成分为约50％的CaO和45％的SiO₂，CaO具有降低熔渣表面张力的作用，有利于焊缝之间的均匀熔合。本发明合适范围5～10％。

霞石：霞石的化学成分中含55％的SiO₂、23％的Al₂O₃、15％的NaO和15％的K₂O，熔点较低约为1200℃，可以调节熔渣凝固温度。NaO和K₂O具有较强的稳定电弧和改善焊缝铺展的作用，由于含有Na和K的碳酸盐以及氯化物容易吸潮，通过本发明方式引入，可以降低焊剂吸潮性。本发明合适范围5～10％。

锰硅合金：锰硅合金的加入一方面是焊丝成分波动时，可调整焊缝总锰量不变；另一方面可以改善焊剂造粒性。

纯碱和氟化钠：主要作用是增强焊接电弧稳定性。

水玻璃：主要作用是粘结粉料。纯钠水玻璃为烧结焊剂常用粘结剂，加入量少，达不到粘结效果，造粒性变差；加入量过多时，粉料太湿，造粒时不易控制颗粒度大小，容易使颗粒变大，增加焊剂破碎量，使焊剂松装比变大，不利于焊接工艺性。本发明合适范围占干粉重的21～24％；其中纯钠水玻璃模数为2.8，20℃波美度为40～42°Be′。

有益效果：

(1)、该烧结焊剂可匹配高锰焊丝焊接使用；(2)、焊缝成型美观、脱渣好、焊接过程稳定、焊接工艺性好、适用于大规范焊接；(3)、对接接头具有良好的力学性能，低温韧性优良，-196℃夏比冲击功可达100J以上，可以应用于LNG储罐高锰钢焊接。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，烧结焊剂为干粉和纯钠水玻璃混合后的烧结物，所述干粉的重量百分数组成为：氧化铝18～25％、莫来石10～15％、镁砂18～26％、萤石15～25％、石英5～10％、硅灰石5～10％、霞石5～10％、锰硅合金1～3％、纯碱0.5％、氟化钠0.5％，所述纯钠水玻璃的加入量为干粉重量的21％～24％，纯钠水玻璃的模数为2.8，波美度为40～42°Be′。

详细地，所述莫来石以质量百分比计的化学成分中含75％的Al₂O₃和25％的SiO₂。所述硅灰石以质量百分比计的化学成分中含50％的CaO和45％的SiO₂。所述霞石以质量百分比计的化学成分中含55％的SiO₂、23％的Al₂O₃、15％的NaO以及15％的K₂O。

(1)、将上述干粉的各组成进行配料并干混，得到混合料；

(3)、将步骤(2)得到的湿混料进行造粒，得到造粒粉；

(4)、将步骤(3)得到的造粒粉于300～350℃下烘干；

(5)、将步骤(4)烘干后的造粒粉于600～650℃下烧结成型，得到烧结焊剂。

需要说明的是，本发明制备的烧结焊剂的粒度为10～60目。

下列实施例中使用的各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品。下面结合具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

组分实施例

本发明提供的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂及其制备方法，实施例1-3中烧结焊剂的组成如表1所示。

表1实施例1-3中烧结焊剂的组成配比(/％)

编号	实施例1	实施例2	实施例3
				氧化铝	25	18	20
莫来石	10	15	12
				镁砂	23	18	26
萤石	15	25	17
				石英	10	5	8
硅灰石	5	10	7
				霞石	10	5	7
锰硅合金	1	3	2
				纯碱	0.5	0.5	0.5
氟化钠	0.5	0.5	0.5
				纯钠水玻璃(占干粉重量)	24	23	21

实施例1-3的制备方法相同，其制备方法包含如下步骤：

(1)、将上述干粉的各组成进行配料并干混，得到混合料；

(3)、将步骤(2)得到的湿混料进行造粒，得到造粒粉；

(4)、将步骤(3)得到的造粒粉于300～350℃下烘干；

效果实施例

将实施例1-3制备的烧结焊剂与HS45Mn25Cr3Mo1焊丝配合，进行对接接头力学性能测试。试板采用20mm厚的25Mn低温钢板，钢板主要成分为C：0.20～0.60％，Si：0.1～0.2％，Mn：23.0～26.0％，Cr：2.0～5.0％。焊丝主要成分为C：0.20～0.50％，Si：0.5～2.0％，Mn：20.0～26.0％，Cr：2.0～5.0％，Mo：1.0～2.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。以Φ4.0mm焊丝为例，焊接工艺参数为：焊接电源直流反接，焊接电流600～650A，焊接电压30～32V，行走速度40～45cm/min，道间温度低于150℃，测试结果如表2所示。

表2实施例1-3制备的烧结焊剂匹配HS45Mn25Cr3Mo1焊丝对接接头力学性能

由表2可知，实施例1-3制备的烧结焊剂的力学性能符合要求。因此，本发明制备的烧结焊剂焊接工艺性好，可匹配高锰焊丝使用，对接接头具有良好的力学性能，-196℃夏比冲击功可达100J以上，可以应用于高锰钢LNG储罐焊接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，其特征在于，烧结焊剂为干粉和粘接剂混合后的烧结物，所述干粉的重量百分数组成为：氧化铝 18~25%、莫来石 10~15%、镁砂 18~26%、萤石 15~25%、石英 5~10%、硅灰石 5~10%、霞石 5~10%、锰硅合金 1~3%、纯碱 0.5%、氟化钠0.5%，所述粘结剂的加入量为干粉重量的21%~24%。

2.根据权利要求1所述的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，其特征在于，所述莫来石以质量百分比计的化学成分中含75%的Al₂O₃和25%的SiO₂。

3.根据权利要求1所述的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，其特征在于，所述硅灰石以质量百分比计的化学成分中含50%的CaO和45%的SiO₂。

4.根据权利要求1所述的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，其特征在于，所述霞石以质量百分比计的化学成分中含55%的SiO₂、23%的Al₂O₃、15%的NaO以及15%的K₂O。

5.根据权利要求1所述的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂，其特征在于，所述粘结剂为纯钠水玻璃，纯钠水玻璃的模数为2.8，波美度为40～42°Be′。

6.一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

（1）、将权利要求1所述的干粉的各组成进行配料并干混，得到混合料；

（2）、将步骤（1）得到的混合料与粘结剂湿混均匀，得到湿混料；

（3）、将步骤（2）得到的湿混料进行造粒，得到造粒粉；

（4）、将步骤（3）得到的造粒粉于300~350℃下烘干；

（5）、将步骤（4）烘干后的造粒粉于600~650℃下烧结成型，得到烧结焊剂。

7.根据权利要求6所述的一种高锰低温钢焊接用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，制备的烧结焊剂的粒度为10~60目。