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度鋼進行重要船舶結(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，達到降低焊縫金屬擴散氫的目的；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度鋼進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行控制。堿度是控制焊劑的物理冶金途徑之一，但僅僅這點還是不夠的。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，可以把BaO、SrO作為堿性成分加入該式分子中。按此計算，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力攪拌，使焊劑的顆粒致密，并且在成粒以后通過一定時間的滾搓，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焊接熔池中氫的快速擴散逸出，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，同時焊劑具有良好的焊接工藝性能。
大量的理論和實踐證明，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散氫含量，但帶來另一個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，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，來達到一個良好的效果。
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作用以及采用S、P含量較低的低合金鋼焊絲等途徑來實現(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，焊劑的擴散氫含量低，滿足擴散氫含量小于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。
具體實施例方式
提出本發(fā)明實施例如下實施例的具體化學(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)境條件下進行了剛性對接焊接裂紋試驗，其結(jié)果列于表5。
表1 實施例的焊劑化學(xué)成分(wt％)

表2 實施例所采用的焊絲化學(xué)成分(wt％)

表3 實施例相應(yīng)的焊縫金屬化學(xué)成分(wt％)

表4 實施例焊縫金屬機械性能

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

實施例A、B、C、D焊劑的焊縫金屬擴散氫含量分別為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:中國船舶重工集團公司第七二五研究所