專利名稱：高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)的焊劑，涉及一種高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑，主要用于低合金高強(qiáng)度鋼的埋弧焊。
背景技術(shù)：
審定號CN87102741B“高堿度燒結(jié)焊劑”介紹了一種用于低合金高強(qiáng)鋼尤其是厚壁用鋼焊接的燒結(jié)型焊劑，采用了BaO-MgO-CaF2-Al2O3型渣系及Na2AlF6和Li2O等燒結(jié)劑，主要是通過添加上述的燒結(jié)劑來提高焊劑的耐吸潮能力；公開號CN86102751A“超低氫高堿度燒結(jié)焊劑”介紹了主要用于低合金高強(qiáng)鋼尤其厚壁用鋼焊接的燒結(jié)型焊劑，采用了MgO-CaO-Al2O3-CaF2渣系，焊劑堿度2.3～2.6，主要特征為焊縫金屬不增Si、不回P，適合于厚壁窄間隙埋弧焊焊接；審定號CN1013086B“一種高堿度燒結(jié)焊劑”介紹了堿度為3.0～3.7的燒結(jié)焊劑，通過加入稀土元素，改善焊縫中夾雜物的形態(tài)，來提高焊縫的低溫韌性；公開號CN1415454A“一種用于多絲、高速埋弧自動(dòng)焊的燒結(jié)焊劑”介紹了用于管道、船舶、鍋爐、壓力容器、橋梁結(jié)構(gòu)等低碳微合金鋼的多絲、高速埋弧焊劑；公開號CN1326838A“氟堿型高韌性燒結(jié)型焊劑”介紹了與H08C焊絲配合適合于X系列管線鋼鋼管焊接的燒結(jié)型焊劑；公開號CN1107770A“超低氫高堿度燒結(jié)焊劑”介紹了主要用于核反應(yīng)堆壓力容器及其他重要壓力容器焊接的焊劑，與相應(yīng)的焊絲配合具有良好的抗輻照脆性和焊接工藝性能。
上述專利所介紹的幾種燒結(jié)型焊劑以及目前國內(nèi)市場上大量采用的SJ101、SJ102等燒結(jié)型焊劑均未提出該焊劑是否適用于在船廠惡劣的環(huán)境條件下，針對合金含量較高的低合金高強(qiáng)度鋼建造重要船舶結(jié)構(gòu)的焊接，尤其在低溫條件下的焊接材料抗冷裂紋的能力。技術(shù)方面，上述焊劑均未進(jìn)行焊劑的活性控制，盡管有的焊劑采用了較高的堿度，但焊劑的活性并不低。審定號CN87102741B介紹的燒結(jié)焊劑采用燒結(jié)劑提高焊劑的耐吸潮能力，需要增加一道制作燒結(jié)劑的工序。上述焊劑中盡管有的焊劑添加了碳酸鹽，但過高的燒結(jié)溫度使碳酸鹽在成品焊劑中幾乎沒有殘留。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑，用于在船廠環(huán)境條件下采用合金含量較高的低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行重要船舶結(jié)構(gòu)建造的埋弧焊焊接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了以下技術(shù)途徑①通過控制焊劑的活性來控制焊縫金屬中的氧含量，提高焊縫金屬低溫韌性；②通過復(fù)合碳酸鹽的添加，并且控制焊劑的燒結(jié)溫度，使成品焊劑中殘留適量的碳酸鹽，達(dá)到降低焊縫金屬擴(kuò)散氫的目的；③通過單一的Li2CO3的加入，提高焊劑的耐吸潮能力。
本發(fā)明的高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑是由下述重量百分比的成分構(gòu)成28～33％MgO、12～20％CaF2、16～22％Al2O3、8～15％SiO2、5～10％CaCO3、5～10％BaCO3、2～4％Na2O、1～4％Li2CO3、2～6％REF。該焊劑采用普通的燒結(jié)焊劑制作方法，即將按上述成分組成的粉料進(jìn)行干混、濕混、成粒、低溫烘干、高溫?zé)Y(jié)、過篩、成品包裝等，考慮各種碳酸鹽的分解特性，將燒結(jié)溫度控制在650～780℃之間。
用于在船廠環(huán)境條件下采用合金含量較高的低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行重要船舶建造的埋弧焊焊接，配合與鋼板成分相匹配的低合金鋼焊絲，也要求焊劑有良好的耐吸潮能力、為避免產(chǎn)生焊接裂紋而達(dá)到超低氫要求(小于5ml/100g，水銀法或色譜法)、焊縫金屬中低的S、P含量，與焊絲配合具有良好的力學(xué)性能以及焊劑具有良好的焊接工藝性能(焊縫成形、表面質(zhì)量、脫渣性)等。
為了保證焊劑與焊絲配合獲得優(yōu)良的焊縫金屬力學(xué)性能，焊絲的合金化是必不可少的，但也要對焊劑的物理冶金特性進(jìn)行控制。堿度是控制焊劑的物理冶金途徑之一，但僅僅這點(diǎn)還是不夠的。根據(jù)焊接物理冶金理論，焊劑熔渣的活度是焊縫金屬中氧含量的主要影響因素。焊劑的堿度公式如下
式中各氧化物均以重量百分比計(jì)，可以把BaO、SrO作為堿性成分加入該式分子中。按此計(jì)算，焊劑的堿度控制在2.4～2.8的范圍內(nèi)，以協(xié)調(diào)焊劑的工藝性能和焊縫金屬力學(xué)性能之間的關(guān)系。
焊劑的活度公式如下 式中 同樣的BaO、SrO也可以按等同CaO計(jì)入公式中。
按照焊劑的活度來分類，焊劑可分為高活性焊劑(Af≥0.6)、活性焊劑(Af＝0.6～0.3)、低活性焊劑(Af＝0.3～0.1)和惰性焊劑(Af≤0.1)四大類，為了獲得焊縫金屬良好的低溫沖擊韌性，本發(fā)明的燒結(jié)型焊劑通過控制焊劑的Af≤0.15，即用低活性焊劑來控制焊縫金屬中氧含量，主要是控制焊劑中SiO2的含量來實(shí)現(xiàn)的。
焊劑的耐吸潮性能也影響到焊劑在船廠環(huán)境條件下的使用。耐吸潮能力差的焊劑，在焊接過程中會吸附大量的水分，也導(dǎo)致焊接過程中裂紋的產(chǎn)生。因此提高焊劑的耐吸潮能力是該焊劑在船廠進(jìn)行使用的關(guān)鍵。提高焊劑的耐吸潮能力，有焊劑制作工藝、焊劑配方、燒結(jié)制度等幾方面因素的影響。本發(fā)明的焊劑制作過程，在焊劑濕混后通過強(qiáng)力攪拌，使焊劑的顆粒致密，并且在成粒以后通過一定時(shí)間的滾搓，使焊劑的表面比較圓滑，提高焊劑的耐吸潮能力。根據(jù)燒結(jié)理論，固相燒結(jié)過程中少量的液相參與能夠提高燒結(jié)體的致密程度。本發(fā)明的焊劑里添加了Li2CO3這樣的的低熔點(diǎn)物質(zhì)，并且確定的燒結(jié)溫度在650～780℃之間，這樣使得焊劑的燒結(jié)程度更致密，耐吸潮能力更好，焊劑中加入Li2CO3的主要作用即在于此，同時(shí)Li2CO3也能夠起到穩(wěn)定電弧的作用。
低溫高濕度環(huán)境條件下影響焊接接頭產(chǎn)生焊接裂紋的三大因素之一是氫的作用，故焊接冷裂紋也稱作氫致裂紋。而焊接過程中氫的來源由兩部分組成，其一是焊接過程中外界水分侵入，如果焊劑的耐吸潮能力差，就會導(dǎo)致焊接過程中焊劑吸入的大量水分分解，從而引起焊縫金屬中氫含量的急劇增加。氫的來源另一個(gè)途徑是是原材料中所包含的各種水分(吸附水、結(jié)晶水和化合水)，本發(fā)明的焊劑選用原材料時(shí)選用了不含或少含各種水分的原材料，并且采用了較高的燒結(jié)溫度(650～780℃)，進(jìn)一步降低了氫的來源。但僅僅這樣在船廠低溫高濕度環(huán)境條件下也是不夠的。根據(jù)焊接冶金和物理化學(xué)理論，降低電弧氣氛中氫分壓能夠促進(jìn)焊接熔池中氫的快速擴(kuò)散逸出，而焊劑中殘留的碳酸鹽在焊接過程中分解出CO2能夠降低焊接電弧氣氛中氫的分壓，從而減少氫的影響。本發(fā)明在研究過程中研究了幾種焊劑中通常采用的碳酸鹽，如CaCO3、BaCO3、Li2CO3、SrCO3的分解特性，確定通過材料幾種碳酸鹽的復(fù)合添加，并且通過控制焊劑的燒結(jié)溫度和時(shí)間來控制焊劑中殘留的碳酸鹽含量，來保證焊接過程中符合超低氫要求，同時(shí)焊劑具有良好的焊接工藝性能。
大量的理論和實(shí)踐證明，焊縫金屬中添加適量的稀土元素能夠改變焊縫金屬中的夾雜物形態(tài)，使夾雜物顆粒球化，從而提高焊縫金屬的低溫韌性。通常采用稀土合金的方式加入稀土元素，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)這些稀土合金得到氧化，焊接過程中使焊縫金屬增氧，反而使焊縫金屬韌性惡化。本發(fā)明通過REF的添加方式，即消除了焊縫增氧的影響，并且通過與低合金焊絲的相互配合，使焊縫金屬得到良好的韌性。
焊劑中殘留碳酸鹽的目的是為了降低焊縫金屬擴(kuò)散氫含量，但帶來另一個(gè)問題就是焊劑的焊接工藝性變差，尤其在焊接過程中易形成表面壓坑。這需要通過調(diào)節(jié)焊劑熔渣的物理特性，尤其是熔渣粘度來改善焊接過程中產(chǎn)生的氣體逸出特性。CaF2作為焊劑的主要原材料，一方面具有降低擴(kuò)散氫的作用，另一方面對調(diào)節(jié)焊劑熔渣特性具有明顯效果。通過反復(fù)試驗(yàn)，確定本發(fā)明的焊劑中加入CaF2含量的合適范圍為12～20％。焊劑工藝性的其他方面，如焊縫金屬的鋪展、焊劑的脫渣性能也是通過反復(fù)調(diào)試，來達(dá)到一個(gè)良好的效果。
焊縫金屬中低的S、P含量通過采用S、P含量低的原材料，CaO的脫S、脫P(yáng)作用以及采用S、P含量較低的低合金鋼焊絲等途徑來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明提出的高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑，焊劑的顆粒強(qiáng)度較好，焊劑的耐吸潮能力、S、P含量均滿足GB12470《低合金鋼埋弧焊用焊劑》要求，焊劑的擴(kuò)散氫含量低，滿足擴(kuò)散氫含量小于5ml/100g的超低氫要求。與10NiCrMoTi焊絲配合及與05Ni3Mn2MoTi焊絲配合，焊縫金屬具有良好的接頭力學(xué)性能，在船廠低溫條件下進(jìn)行不預(yù)熱焊接，未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋。焊劑的工藝性能良好，焊縫表面光順，鋪展良好，與母材過渡平滑，脫渣性良好。
具體實(shí)施例方式
提出本發(fā)明實(shí)施例如下實(shí)施例的具體化學(xué)成分如表1中，采用了兩種10NiCrMoTi焊絲和一種05Ni3Mn2MoTi焊絲與之配合進(jìn)行焊接。10NiCrMoTi焊絲焊接的鋼板為16mm厚11NiCrMoV鋼板，05Ni3Mn2MoTi焊絲焊接的鋼板為24mm厚10CrNi3MoV鋼板。兩種焊絲的化學(xué)成分如表2，焊后測量了焊縫金屬的化學(xué)成分和機(jī)械性能，其結(jié)果列于表3和表4，并且在船廠環(huán)境條件下進(jìn)行了剛性對接焊接裂紋試驗(yàn)，其結(jié)果列于表5。
表1 實(shí)施例的焊劑化學(xué)成分(wt％)

表2 實(shí)施例所采用的焊絲化學(xué)成分(wt％)

表3 實(shí)施例相應(yīng)的焊縫金屬化學(xué)成分(wt％)

表4 實(shí)施例焊縫金屬機(jī)械性能

表5 實(shí)施例配合焊絲的船廠環(huán)境條件下剛性對接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)施例A、B、C、D焊劑的焊縫金屬擴(kuò)散氫含量分別為2.25、3.28、4.03、3.55ml/100g(國際焊接學(xué)會IIW-ISO3690色譜法測定)，在船廠環(huán)境條件下甘油法測定的焊縫金屬擴(kuò)散氫含量為0.96ml/100g。焊劑A的耐吸潮性為0.125％，滿足GB12470《低合金鋼埋弧焊用焊劑》規(guī)定的小于0.15％的要求。焊劑A的S、P含量分別為0.034％和0.020％，也滿足GB12470《低合金鋼埋弧焊用焊劑》規(guī)定S、P含量分別小于0.060％、0.080％的要求。
由上述實(shí)施例中所測試的各類指標(biāo)和性能看出，采用本發(fā)明焊劑配合低合金鋼焊絲焊接低合金高強(qiáng)度鋼，所獲的焊縫金屬S、P含量低，焊縫金屬韌性良好，在船廠環(huán)境條件下抗冷裂紋能力良好。上述實(shí)施例焊劑在焊接過程中工藝性能良好，焊縫表面光順，鋪展良好，與母材過渡平滑，脫渣性良好，焊道焊完后其渣殼能夠自動(dòng)翹起，并且焊縫表面不粘附熔渣。
權(quán)利要求
1.一種高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑，其特征是由下述重量百分比的成分構(gòu)成28～33％MgO、12～20％CaF2、16～22％Al2O3、8～15％SiO2、5～10％CaCO3、5～10％BaCO3、2～4％Na2O、1～4％Li2CO3、2～6％REF。
全文摘要
本發(fā)明提出的高堿度、低活性、超低氫燒結(jié)型焊劑是由下述重量百分比的成分構(gòu)成28～33％MgO、12～20％CaF
文檔編號B23K35/362GK1788919SQ200410060339
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者姚潤鋼, 孔紅雨, 劉剛, 周浩 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所