一種環保低氫藥芯焊絲及製備方法與流程

2023-05-13 06:30:41

本發明涉及藥芯焊絲技術領域，尤其涉及一種環保低氫藥芯焊絲及製備方法。

背景技術：

藥芯焊絲也稱為管狀焊絲或粉芯焊絲，可以通過調整藥芯添加物的種類和比例，很方便地設計各種不同用途的焊接材料，以適於不同工礦、不同條件設備部件的要求，廣泛地應用於各個領域。藥芯焊絲在焊接過程中，會產生一定量的氫，其中一部分會在熔池冷卻凝固過程中逸出，來不及逸出的氫則會保留到焊縫中。焊後隨著放置時間的增加，一部分擴散氫會從焊縫中逸出，另一部分擴散氫則變為殘餘氫。焊縫中的氫不斷擴散聚集，在應力作用下會導致焊縫敏感組織產生氫致裂紋影響焊接接頭的力學性能，對焊接結構造成潛在危害。因此，藥芯焊絲中常加入氟化物控制焊縫金屬中的氫含量，氟化物如螢石等，雖然能夠有效控氫，生成的HF為有害氣體，在焊接過程中產生大量的煙塵，對環境造成汙染。隨著環保意識的增強，研製一種既環保又能有效控制氫含量的藥芯焊絲成為本領域急需解決的問題。

技術實現要素：

本發明提出了一種環保低氫藥芯焊絲及製備方法，採用無毒無味的雲母氧化鐵，焊接過程中無煙霧，減少了環境汙染，本發明具有良好的焊接性能和力學性能，飛濺少，低溫衝擊功大於100J，拉伸強度超過650MPa。

本發明提出的一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵10～20％、錳砂3～10％、矽灰石3～15％、金紅石5～10％、低碳錳鐵粉2～5％、大理石5～8％、鎂砂3～5％、氧化鉀0.2～0.8％，碳酸鋰0.5～0.7％，鎳粉3～8％，鉬粉2～5.5％、鐵矽粉0.3～1％，餘量為鐵粉。

優選地，雲母氧化鐵在藥芯原料中的重量百分比為10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、15.5％、16％、16.5％、17％、17.5％、18％、18.5％、19％、19.5％、20％，錳砂在藥芯原料中的重量百分比為3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％，矽灰石在藥芯原料中的重量百分比為3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％，金紅石在藥芯原料中的重量百分比為5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％，低碳錳鐵粉在藥芯原料中的重量百分比為2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％，大理石在藥芯原料中的重量百分比為5％、5.2％、5.4％、5.6％、5.8％、6％、6.2％、6.4％、6.6％、6.8％、7％、7.2％、7.4％、7.6％、7.8％、8％，鎂砂在藥芯原料中的重量百分比為3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％，白泥在藥芯原料中的重量百分比為1％、1.2％、1.3％、1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％，氧化鉀在藥芯原料中的重量百分比為0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％、0.8％，碳酸鋰在藥芯原料中的重量百分比為0.5％、0.52％、0.54％、0.50.6％、0.58％、0.6％、0.62％、0.64％、0.66％、0.68％、0.7％，鎳粉在藥芯原料中的重量百分比為3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％，鉬粉在藥芯原料中的重量百分比為2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％、5.2％、5.4％、5.5％，鐵矽粉在藥芯原料中的重量百分比為0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％。

優選地，所述雲母氧化鐵中Fe2O3的含量與大於等於90wt％。

優選地，所述雲母氧化鐵中SiO2的含量小於等於4wt％。

優選地，雲母氧化鋁和錳砂的重量比為1～3：1。

優選地，低碳錳鐵粉、大理石和鎂砂的重量比為7：13：9。

優選地，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵15％、錳砂6.5％、矽灰石9％、金紅石7.5％、低碳錳鐵粉3.5％、大理石6.5％、鎂砂4％、氧化鉀0.5％，碳酸鋰6％，鎳粉5.5％，鉬粉4％、鐵矽粉0.65％，餘量為鐵粉。

一種環保低氫藥芯焊絲的製備方法，包括如下步驟：

S1、按配比稱取藥芯原料，混合均勻，在溫度為120-150℃下乾燥，球磨，過400目篩得到藥芯粉；

S2、將低碳鋼帶進行表面處理，乾燥得到初坯外皮；

S3、將初坯外皮軋製成U型外皮，將S1得到的藥芯粉填充在U型外皮中，藥芯填充率為20-25％，兩端封口，經粗拉、精拉得到環保低氫藥芯焊絲。

優選地，在S2中，低碳鋼帶進行表面處理以去除油汙、汙漬；

優選地，在S2中，表面處理包括酸鹼、鹼洗。

優選地，在S3中，藥芯填充率是指藥芯粉佔藥芯焊絲的重量百分數。

優選地，所述環保低氫藥芯焊絲的直徑為1.8-2.5mm。

本發明中各組分的作用：

雲母氧化鐵：又稱為片狀氧化鐵為正六邊形的片狀單晶體，主要化學成分為α-Fe2O3，由於其片狀結構類似雲母，故稱雲母氧化鐵，具有獨特的鱗片結構，耐鹼性好，受熱分解並產生氣體，降低了焊縫金屬周圍氫分壓，抑制了氫氣溶解，生成的FeO可以H反應，增加熔渣溶氫量，減少焊縫金屬中的氫含量，大幅減少了焊縫金屬中的氫含量，提高了焊縫金屬的韌性；母體內少量的氧化矽與Fe2O3形成FeO-SiO2型鐵橄欖石，增強了熔渣的鹼度，進一步增大溶氫量和氧化性，提高焊縫的力學性能。

錳砂：主要成分為MnO2，其屬於高氧化物，提高了焊接熔池的氧化性，降低了液體金屬氫的溶解度，同時高溫條件下分解產生氧，與H生成OH，起到去氫的作用，增強了焊縫的力學性能；但是錳含量過高時，將導致脫氧過足，使焊縫易產生氣孔，影響焊接物的性能。

雲母氧化鐵和錳砂作為本發明中的高價氧化物，有效控制了擴散氫含量，錳砂和CaO、MgO形成MnO基複合渣系，淨化熔渣，提高了焊縫金屬的力學性能。

矽灰石：矽可以與鹼金屬和鹼土金屬形成玻璃狀進入渣中，在藥芯中加入矽酸鹽不但可以降低煙塵，同時還可以降低煙塵的毒性。

金紅石：呈暗紅色或深棕色，其TiO2含量在85％左右,且含有Fe203、Si02等。作為造渣劑，能夠穩定電弧，能夠調節熔渣的熔點、粘度、表面張力和流動性，改善焊縫成形、減小飛濺。

低碳錳鐵粉：作為脫氧劑，具有滲合金作用，焊縫金屬中錳含量過低，衝擊韌性低；含量過高時脆性變大。

大理石：主要成分為碳酸鈣，受熱分解為氧化鋯和二氧化碳氣體，在熔敷金屬表面形成保護氣氛，有效降低了氫溶解，生成的氧化鈣為鹼性氧化物，提高熔渣的鹼度，一定程度上改善焊縫金屬的韌性。

鎂砂：主要成分是MgO，可以造渣、脫S，獲得平滑的焊縫，降低焊縫接頭應力集中，分析所得的氧化鎂的合適含量為3～5％。

白泥：造渣劑，改善焊條加工性能，含量過多使得熔渣中非晶體相SiO2過多，減少了晶體相比例，不易獲得短渣。

氧化鉀和碳酸鋰：K、Na鹼金屬，具有較低的電離點位，有利於起弧，提高電弧的穩定性。

鎳粉：可有效提高焊縫金屬的強度和低溫韌性，機理是通過降低奧氏體相轉變溫度和細化轉變組織。

鉬粉：提高焊縫金屬的韌性。與Mn搭配使用，可有效控制焊縫金屬的淬透性，從而給相轉變組織調控帶來方便，以實現目標焊縫金屬的力學性能。

鐵矽粉：滲合金劑，同時具有脫氧的作用。

鐵粉：提高藥芯焊絲熔敷速度，調節堆焊金屬的成分。

本發明中，雲母氧化鐵無毒無味，耐高溫，耐鹼性，焊接過程中不產生雲母氧化鐵高溫分解產生FeO，FeO與H相互作用，一方面增強了熔池溶氫率，減少了焊縫金屬中擴散氫含量，其次FeO與H生成的水蒸汽降低了氫氣分壓，抑制了氫溶解，再次FeO與雲母氧化鐵中的少量的SiO2結合形成晶體結構的鐵橄欖石，提高了熔渣的鹼度，同時由於鐵橄欖石的晶體結構，使O與H形成的OH-的擴散比在無組織形態的FeO的擴散更加緩慢，多方面協同作用使焊條在不添加氟化物的情況下有效控制焊縫金屬中保持較低的擴散氫含量，提高了焊縫金屬的韌性，避免了冷裂紋的出現；雲母氧化鐵和錳砂，作為高價氧化物，兩者協同作用，提高了提高了焊接熔池的氧化性，降低了液體金屬氫的溶解度，兩者形成MnO基複合造渣劑，FeO能顯著降低爐渣的熔點，不僅避免了焊接前期熔渣中FeO的富集，並且熔池溫度較快提高，使碳氧反應在焊接前期就均衡正常進行，避免發生爆發性的碳氧反應，不會有突發性強大的氣體衝出，引起飛濺，同時離子半徑較小的Mn2+(半徑為0.80A)陽離子，會破壞龐大的複合陰離子團，使爐渣粘度下降，改善熔滴過度，有效地保護了焊縫金屬，提高了焊縫金屬的力學性能；氧化鉀和碳酸鋰配合使用作為穩弧劑，有利於起弧，大理石、矽灰石、白泥作為複合造渣劑，淨化熔渣，提高焊縫金屬的力學性能，同時配合低碳錳鐵粉形成錳基複合渣型，增強脫氧、脫硫能力，控制了焊縫金屬中的氧含量，低碳錳鐵粉和鐵矽粉作為滲合金劑，強化焊縫金屬，提高了焊縫的耐磨性和拉伸強度；氧化鉀、碳酸鋰作為穩弧劑，提高了電弧的穩定性；鉬粉搭配Mn使用，有效控制焊縫金屬的淬透性，從而給相轉變組織調控帶來方便，以實現目標焊縫金屬的力學性能。

本發明達到的有益效果有：

1、雲母氧化鐵無毒無味，耐高溫，耐鹼性，焊接過程中不產生煙霧，減少了環境汙染；

2、雲母氧化鐵配合錳砂使用，有效控制了焊縫金屬中的擴散氫含量，增加了焊縫低溫衝擊韌性，有效控制了冷裂紋的出現；

3、大理石、矽灰石、白泥作為複合造渣劑，淨化熔渣，提高焊縫金屬的力學性能，加入適配的滲合金劑，強化焊縫金屬，提高了耐磨性和拉伸強度。

本發明的焊接性能和力學性能測試數據如下表所示：

具體實施方式

實施例1

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵15％、錳砂6.5％、矽灰石9％、金紅石7.5％、低碳錳鐵粉3.5％、大理石6.5％、鎂砂4％、白泥2％、氧化鉀0.5％，碳酸鋰0.6％，鎳粉5.5％，鉬粉4％、鐵矽粉0.65％，餘量為鐵粉。

實施例2

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵10％、錳砂10％、矽灰石15％、金紅石5％、低碳錳鐵粉5％、大理石5％、鎂砂5％、白泥1％、氧化鉀0.8％，碳酸鋰0.5％，鎳粉8％，鉬粉2％、鐵矽粉1％，餘量為鐵粉；在雲母氧化鐵中，Fe2O3的含量為93％。

實施例3

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，其特徵在於，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵20％、錳砂3％、矽灰石3％、金紅石10％、低碳錳鐵粉2％、大理石8％、鎂砂3％、白泥3％、氧化鉀0.2％，碳酸鋰0.7％，鎳粉3％，鉬粉5.5％、鐵矽粉0.3％，餘量為鐵粉；在雲母氧化鐵中，Fe2O3的含量為90wt％，SiO2的含量為2wt％。

實施例4

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，其特徵在於，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵14％、錳砂8％、矽灰石7％、金紅石8％、低碳錳鐵粉3％、大理石7％、鎂砂4.5％、白泥2.5％、氧化鉀0.6％，碳酸鋰0.55％，鎳粉7％，鉬粉3％、鐵矽粉0.8％，餘量為鐵粉；在雲母氧化鐵中，Fe2O3的含量為95wt％，SiO2的含量為1wt％；

環保低氫藥芯焊絲採用如下方法製備，包括如下步驟：

S1、按配比稱取藥芯原料，混合均勻，在溫度為120℃下乾燥，球磨，過400目篩得到藥芯粉；

S2、將低碳鋼帶進行表面處理，乾燥得到初坯外皮；

S3、將初坯外皮軋製成U型外皮，將S1得到的藥芯粉填充在U型外皮中，藥芯填充率為20％，兩端封口，經粗拉、精拉得到環保低氫藥芯焊絲。

實施例5

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，其特徵在於，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵16％、錳砂5％、矽灰石11％、金紅石7％、低碳錳鐵粉4％、大理石6％、鎂砂4.5％、白泥1.5％、氧化鉀0.4％，碳酸鋰0.65％，鎳粉4％，鉬粉4.5％、鐵矽粉0.5％，餘量為鐵粉；在雲母氧化鐵中，Fe2O3的含量為98wt％，SiO2的含量為1.5wt％；

環保低氫藥芯焊絲採用如下方法製備，包括如下步驟：

S1、按配比稱取藥芯原料，混合均勻，在溫度為130℃下乾燥，球磨，過400目篩得到藥芯粉；

S2、將低碳鋼帶進行表面進行酸洗，鹼洗以去除油汙、汙漬，室溫下乾燥得到初坯外皮；

S3、將初坯外皮軋製成U型外皮，將S1得到的藥芯粉填充在U型外皮中，藥芯填充率為23％，兩端封口，經粗拉、精拉至直徑為1.8mm得到環保低氫藥芯焊絲。

實施例6

一種環保低氫藥芯焊絲，包括低碳鋼外皮和填充在低碳鋼外皮內藥芯，其特徵在於，藥芯原料按重量百分比包括：雲母氧化鐵15％、錳砂5％、矽灰石12％、金紅石7％、低碳錳鐵粉3.5％、大理石6.5％、鎂砂4.5％、白泥2％、氧化鉀0.4％，碳酸鋰0.6％，鎳粉5％，鉬粉3％、鐵矽粉0.5％，餘量為鐵粉；在雲母氧化鐵中，Fe2O3的含量為98wt％，SiO2的含量為1.5wt％；

環保低氫藥芯焊絲採用如下方法製備，包括如下步驟：

S1、按配比稱取藥芯原料，混合均勻，在溫度為150℃下乾燥，球磨，過400目篩得到藥芯粉；

S2、將低碳鋼帶進行表面進行酸洗，鹼洗以去除油汙、汙漬，在室溫下乾燥得到初坯外皮；

S3、將初坯外皮軋製成U型外皮，將S1得到的藥芯粉填充在U型外皮中，藥芯填充率為25％，兩端封口，經粗拉、精拉至直徑為2.5mm得到環保低氫藥芯焊絲。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。