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CN102139424A - 一种焊渣可循环利用的气保护药芯焊丝 - Google Patents

一种焊渣可循环利用的气保护药芯焊丝 Download PDF

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CN102139424A CN201110068043.XA CN201110068043A CN102139424A CN 102139424 A CN102139424 A CN 102139424A CN 201110068043 A CN201110068043 A CN 201110068043A CN 102139424 A CN102139424 A CN 102139424A
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Beijing University of Technology
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Abstract

一种焊渣可循环利用的气保护药芯焊丝属于焊接领域。本发明焊丝外皮采用低碳钢带，采用焊渣粉末部分或者完全替代天然金红石，达到节约资源，降低成本的目的。本发明中所述药芯焊丝的药粉的化学组成(重量％)为：15-35％的药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：20-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：1％-10％，Al2O3：1％-10％)，15-35％的TiO2，2％-7％的Si，3％-8％的Mn，0.5％-5％的Al-Mg，0-5％的Na，0-5％的K，1％-5％的Mg，剩余为铁粉。采用焊渣粉末制作的药芯焊丝施焊，具有极佳的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，成型美观，焊丝抗吸潮性好，焊缝扩散氢含量低，抗裂性能优异，连接强度高且具有良好的低温冲击韧性。

Description

一种焊渣可循环利用的气保护药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体涉及一种气体保护焊所用的药芯焊丝。
背景技术
气体保护药芯焊丝兼具焊条和气体保护实心焊丝焊接的优点，其生产效率高，焊接工艺性能好，在船舶、桥梁、海洋平台、钢结构等加工制造领域应用广泛。该类药芯焊丝主要用(天然)金红石来造渣，成型和稳弧，通常的添加量占到矿物粉的20％-50％，是药芯焊丝药粉成本的主要组成部分。气保护药芯焊丝的生产制造对于金红石的需求极大，目前我国造船业迅猛发展，药芯焊丝消耗量猛增，按我国目前每年使用50万吨药芯焊丝，药芯填充率20％计算，每年因生产药芯焊丝所消耗的(天然)金红石大概为4-5万吨。
表1世界(天然)金红石资源主要分布情况
(以T1O2计)                                万t
Figure BDA0000051301520000011
表1是全球(天然)金红石的储量情况，其最主要用于氯化法钛白粉和海绵钛的生产，(天然)金红石在该领域消耗的占到年总消耗量的80％以上，其次为焊接领域。按照这种计算方法，我国(天然)金红石的储量不足以维持50年的应用，甚至比石油等资源更加稀缺。目前我国金红石很大一部分需要进口，尤其是品质较高的(天然)金红石，对进口的依赖率几乎是100％。世界(天然)金红石产量和储量最多的国家，已经采取措施限制金红石的开采和出口，其国内金红石开采和加工企业都出现产量降低的倾向，而国际范围内药芯焊丝的产量近年来却呈现逐年增加的趋势，2001-2010年，我国药芯焊丝的产量增长了一倍以上，据预测，到2020年的药芯焊丝产量将是现在的2-3倍，与此对应，对优质(天然)金红石的需求也会越来越大，优质(天然)金红石的供应和价格将直接影响药芯焊丝的质量和价格。
做为气保护药芯焊丝药粉主要成分之一的(天然)金红石对药芯焊丝的焊接质量如熔敷金属力学性能，电弧稳定性，焊缝成型等影响很大，因此大多数生产厂家都采用品质高的优质(天然)金红石，纯度在97％以上。据统计，纯度97％的(天然)金红石价格比纯度92％的(天然)金红石平均贵1/3，我国金红石虽然总体储量不低，但是优质(天然)金红石的储量却相对稀少，药芯焊丝厂家不得不进口优质(天然)金红石。
药芯焊丝焊接后的焊渣是一种可行的(天然)金红石的替代品。因其对优化焊丝的工艺性能和力学性能有积极的作用，甚至在某些方面优于(天然)金红石，能起到(天然)金红石所不具有的独特作用。试验表明100g药芯焊丝，焊接后产生的焊渣为11g-15g，焊渣粉末加工后可利用率在95％以上，添加到其中的金红石在一次循环利用中损耗率在3％以下。优质(天然)金红石的成本按4000-5000元/吨计算，与此对应的焊渣粉末回收，制作过程中的人工费用，能源消耗，机器磨损等加起来也不足900元/吨(表2)，大大降低了成本，节约了资源。
表2焊渣粉末成本(元/吨)
Figure BDA0000051301520000021
药芯焊丝焊接后的焊渣粉末不仅可以一次替代(天然)金红石，而且其可以多次循环利用，达到了资源循环再利用的目的，是一种绿色的焊接材料。
发明内容
本发明的目的在于利用金红石型药芯焊丝的焊渣，经过一系列加工过程，使其化学成分和粒度都符合要求，从而添加到药芯焊丝药粉中部分替代(天然)金红石、降低药芯焊丝成本并进一步优化药芯焊丝的质量。使现有的药芯焊丝生产成本降低，降低了对优质(天然)金红石的进口依赖。同时焊渣粉末还具有(天然)金红石所不具备的一些性能，用焊渣粉末制造的药芯焊丝焊缝成型更加美观，焊接工艺性能更优越，全位置焊接适应性更强，扩散氢含量更低，抗裂性更好，发尘量更低，具有优异的强度和低温冲击韧性。
本发明所提供的焊渣粉末制备方法，有以下几个步骤组成：
1)焊渣的收集：将焊接后的焊渣进行收集。
2)焊渣的粗筛：将第一步收集好的焊渣筛选，除去收集过程中带进去的粉尘等杂质，采用20目的筛子筛选，保留粒度大于20目的焊渣。
3)焊渣的粗磨：将筛选过的焊渣进行打碎粗磨，为下一步的磁选做准备，粗磨后的焊渣，以能过20目的筛子为合格。
4)焊渣的磁选：药芯焊丝焊渣中混合有飞溅颗粒，如果不除去对焊渣粉末的成分，后续的细磨都会造成不利影响，此步骤的目的在于除去焊渣粉末中的飞溅小颗粒。
5)焊渣的细磨：将经过磁选的细磨，粒度以能全部通过40目的筛子为准。
本发明所提供的焊渣再利用低成本气保护药芯焊丝，其焊丝外皮通常采用低碳钢带，填充率为12-18％，所述药芯成分的化学组成(重量％)为：
15-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末，该焊渣粉末的各成分质量百分比为：TiO2：35-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：1％-15％，Al2O3：1-15％；15-35％的TiO2，2-7％的Si，3-8％的Mn，0.5-5％的Al-Mg合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-11.52％的Na2CO3，0-8.85％的K2CO3，1-5％的Mg，剩余为铁粉。
进一步，填充率为13-17％，所述药芯成分的化学成分重量百分比组成为：20-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末该焊渣粉末的各成分重量百分比为TiO2：45-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：2％-13％，Al2O3：2-13％；还有20-35％的TiO2，3-7％的Si，4-8％的Mn，1-5％的铝镁合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-9.22％Na2CO3，0-7.1％K2CO3，1-5％的Mg，剩余为铁粉。
进一步，：填充率为14-16％，所述药芯成分的化学成分重量百分比组成为：25-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末该焊渣粉末的各成分重量百分比为TiO2：50-65％，MnO：7％-13％，MgO：7％-13％，SiO2：7％-13％，Fe2O3：4％-11％，Al2O3：4-11％；还有25-35％的TiO2，3-6％的Si，5-8％的Mn，2-5％的铝镁合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-6.9％Na2CO3，0-5.3％K2CO3，2-5％的Mg，剩余为铁粉。
所述的15-35％的气保护药芯焊丝的焊渣粉末添加到金红石型药芯焊丝药粉中替代天然金红石，并循环利用。
本发明药芯焊丝在制备时没有特殊要求，采用行业内通用的制造工艺即通过成型，拉拔，减径，分卷四大主要工艺即可完成。
药芯中各成分作用如下：
药芯焊丝焊渣：用来部分取代药芯焊丝中的(天然)金红石，并可以多次循环利用。可以改善焊渣的覆盖性能和脱渣性。另外，还可以使电弧集中、稳定，改善焊缝成型和减少飞溅。若含量过低，则不易形成短渣，不利于立、横位置焊接；若含量过高，则明显影响综合力学性能。经过高温熔炼过程，焊渣粉末的物理化学性能更加均匀一致。利用这种焊渣粉末生产的药芯焊丝不仅成本降低而且其高温熔化状态的流动性比用(天然)金红石生产的药芯焊丝显著提高，熔渣的边界更加清晰，焊缝成型更加美观，脱渣性能优越，焊接全位置适应性进一步提高。熔敷金属中气体更容易逸出，增强了焊缝的抗气孔和压坑性能。同时焊渣粉末抗吸潮性强，试验表明：采用焊渣粉末配制的药芯焊丝药粉，在相同的湿度和时间下，含水量只有采用(天然)金红石配制的药粉的30-50％，大幅度提高了药芯焊丝的抗吸潮性，进而使焊缝的扩散氢含量降低20％以上，降低了焊缝的冷裂纹敏感性。本发明中添加的焊渣粉末，预先经过筛选，将其中的金属颗粒去掉，然后经过研磨，确保其化学成分及粒度在规定范围内。其各组成成分重量百分比为：TiO2：35-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：1％-15％，Al2O3：1-15％，其粒度已能通过40目的筛子为准。
Mn：确保焊缝金属的强度和降低氧含量，减少焊缝中的氧化物夹杂，提高冲击韧性。
Si：作为脱氧剂发挥功效，在确保焊接金属的强度和降低氧含量上是有效元素。若含量过高，则熔敷金属的粘度变大，会使焊接适应性降低。
Al-Mg：主要作用是脱氧，提高熔渣熔点，提高全位置焊接性。脱氧后产生的Al2O3、MgO具有造渣作用。
K，Na：主要是稳定电弧及降低飞溅。合适的比例能够使焊接电弧柔和稳定，使焊接飞溅降到一个较低的水平。
Mg：主要作用是脱氧，改善焊渣流动性，提高全位置焊接性能。
铁粉：调节成分，提高熔敷效率。
本发明的有益效果是：
1通过将金红石型药芯焊丝的焊渣粉末收集，经过粗筛，粗磨，磁选，细磨等步骤，使其粒度和化学成分符合要求，对其有益效果发挥具有至关重要的作用。
2.焊接后的熔渣经过高温熔化凝固后收集，抗吸潮性好，使药芯焊丝的含水量只相当于以前的30-50％，使熔敷金属中的扩散氢含量降低20％以上，氢致裂纹敏感性大幅度降低。
3.添加到药芯成分中的熔渣粉末，其物理化学性能更加均匀一致，药粉的成分更加均匀，可以更方便的调解焊接后熔渣的熔点，焊接时液态焊渣边界更加清晰，有利于焊缝成型和提高全位置焊接性能，同时采用这种焊渣粉末制作的药芯焊丝，脱渣更容易，焊接烟尘减少，具有优异的抗气孔和压坑性能。
4采用此种方法制作的药芯焊丝，保证了良好的电弧稳定性，焊缝更加纯净，具有优异的低温冲击韧性。
5.加入脱氧剂铝、镁，使焊缝氧含量降低，提高了焊缝金属的低温冲击韧性，有利于焊缝气体的排出和焊缝成型。
6.只要焊渣粉末的成分，粒度范围在规定范围内，可以多次循环利用，降低药芯焊丝成本，节约了资源，降低了对优质(天然)金红石的依赖。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过实施例进一步说明，并且设置了一个对比试验，为完全采用(天然)金红石没有添加焊渣粉末制作的药芯焊丝来对比结果，但本发明并不局限于下述实施例。
药芯焊丝的钢制外皮均采用低碳钢带(宽14毫米，厚1.0毫米)，其典型化学成分见表3。
表3药芯焊丝钢带化学成分％
Figure BDA0000051301520000061
实施例一：药粉的化学组成(重量％)为：15％的E71T-1美国简称(E501T-1中国简称)气保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：65％，MnO：15％，MgO：5％，SiO2：5％，Fe2O3：6％，Al2O3：4％)，36.1％的纯度为97％的天然金红石，7％的Si，8％的Mn，0.5％的Al-Mg，11.52％的Na2CO3，5％的Mg，剩余为铁粉，填充率为12％。(焊丝1)
将此药芯焊丝焊接后的焊渣收集，经过前述的加工步骤加工，进行焊渣粉末二次利用，所用配比为：药粉的化学组成(重量％)为：28％的焊渣粉末(TiO2：52％，MnO：12％，MgO：8％，SiO2：9％，Fe2O3：12％，Al2O3：7％)，30％的纯度为97％的天然金红石，7％的Si，6％的Mn，3％的Al-Mg，10％的Na2CO3，3％的Mg，剩余为铁粉，填充率为16％。(焊丝2)
将此药芯焊丝焊接后的焊渣收集，经过前述的加工步骤加工，进行焊渣粉末三次利用，所用配比为：药粉的化学组成(重量％)为：20％的焊渣粉末(TiO2：40％，MnO：13％，MgO：12％，SiO2：14％，Fe2O3：11％，Al2O3：10％)，35％的纯度为97％的天然金红石，7％的Si，6％的Mn，5％的Al-Mg，11％的Na2CO3，3％的Mg，剩余为铁粉填充率为16％。(焊丝3)
实施例二：药粉的化学组成(重量％)为：35％的E81T-1K2(E551T-1K2)型药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：35％，MnO：5％，MgO：15％，SiO2：15％，Fe2O3：15％，Al2O3：15％)，15.5％的(天然)金红石(97％TiO2)，2％的Si，6％的Mn，5％的Al-Mg，8％的8.85％K2CO3，1％的Mg，剩余为铁粉，填充率为18％。(焊丝4)
将此药芯焊丝焊接后的焊渣收集，经过前述的加工步骤加工，进行焊渣粉末二次利用，所用配比为：26％的焊渣粉末(TiO2：47％，MnO：14％，MgO：9％，SiO2：12％，Fe2O3：8％，Al2O3：10％)，22％的金红石(97％TiO2)，2％的Si，7％的Mn，4％的Al-Mg，8.85％K2CO3，1％的Mg，剩余为铁粉，填充率为17％。(焊丝5)
实施例三
30％的E91T-1K2(E551T-1K2)型药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：55％，MnO：10％，MgO：12％，SiO2：12％，Fe2O3：5％，Al2O3：6％，20％的金红石(97％TiO2)，6％的Si，3％的Mn，4％的Al-Mg，7％的K2CO3，3％的Mg，剩余为铁粉，填充率为14％。(焊丝6)
实施例四：药粉的化学组成(重量％)为：35％的E110T-1K3(E751T-1K2)型药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：48％，MnO：12％，MgO：11％，SiO2：7％，Fe2O3：9％，Al2O3：13％)，15％的金红石(97％TiO2)，2％的Si，3％的Mn，5％的Al-Mg，1％的Mg，7.2％的Na2CO3，剩余为铁粉，填充率为15％。(焊丝7)
实施例五：所述药芯成分的化学组成(重量％)为：
20％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：45％，MnO：5％，MgO：15％，SiO2：9％，Fe2O3：13％，Al2O3：13％，35％的TiO2，3％的Si，4％的Mn，5％的Al-Mg，9.22％的Na2CO3，5％的Mg，剩余为铁粉，填充率为13％。(焊丝8)
实施例六：35％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：65％，MnO：15％，MgO：5％，SiO2：5％，Fe2O3：2％，Al2O3：8％)，20％的TiO2，7％的Si，8％的Mn，1％的Al-Mg，7.1％的K2CO3提供，1％的Mg，剩余为铁粉，填充率为17％。(焊丝9)
实施例七：25％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：49％，MnO：11％，MgO：12％，SiO2：15％，Fe2O3：11％，Al2O3：2％)，30％的TiO2，5％的Si，7％的Mn，2％的Al-Mg，1％的Na2CO3，3.5的K2CO32％的Mg，剩余为铁粉。(焊丝10)
实施例八：
25％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：50％，MnO：7％，MgO：8％，SiO2：13％，Fe2O3：11％，Al2O3：11％)，35％的TiO2，3％的Si，8％的Mn，2％的Al-Mg，6.9％的Na2CO3，2％的Mg，剩余为铁粉，填充率为14％。(焊丝11)
实施例九：
35％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：65％，MnO：7％，MgO：13％，SiO2：7％，Fe2O3：4％，Al2O3：4％)，25％的TiO2，6％的Si，5％的Mn，5％的Al-Mg，5.3％的K2CO3，5％的Mg，剩余为铁粉，填充率为16％。(焊丝12)
实施例十：
28％的E71T-1(E501T-1)气体保护药芯焊丝的焊渣粉末(TiO2：55％，MnO：13％，MgO：7％，SiO2：10％，Fe2O3：8％，Al2O3：7％)，30％的TiO2，5％的Si，6％的Mn，3％的Al-Mg，6％的Na2CO3，3％的Mg，剩余为铁粉，填充率为15％。(焊丝13)
对比试验：药粉的化学组成(重量％)为：45％的(天然)金红石(97％TiO2)，4％的Si，7％的Mn，3％的Al-Mg，5％的Na2CO3，5％的K2CO3剩余为铁粉，填充率为13％。(焊丝14)
按上述配方制成的药粉与采用(天然)金红石配成的药粉测量药粉含水量，结果见表4。
按照上述各种配方制成的药芯焊丝进行焊接试验并测量熔敷金属扩散氢含量，采用斜Y坡口裂纹试验方法测量裂纹率，与采用(天然)金红石制造的药芯焊丝做对比，结果见表5。采用直流反接法，在100％CO2气体保护下进行焊接，焊接电流260A，焊接电压29V，焊接速度25cm/min，气体流量20L/min，干伸长18mm-25mm。层间温度控制在100-170℃，焊接层数7层14道。焊接试板标准按GB10045-2001加工。在平焊位置施焊，观察焊接过程，焊后对焊缝金属做化学成分和力学性能的检测。结果表明：焊接过程中电弧稳定，飞溅少，焊缝成型、脱渣优良；焊缝金属的化学成分列于表6；力学性能测试结果见表7；药芯焊丝焊接工艺性能对比见表8，其中脱渣性试验采用落锤试验，1Kg的钢球，1.1米高度自由落体敲击一次的脱渣率。
表4药粉含水量(％)
Figure BDA0000051301520000081
表5裂纹试验结果
Figure BDA0000051301520000091
表6实施例焊缝金属化学成分(％)
Figure BDA0000051301520000092
表7实施例焊缝金属力学性能
Figure BDA0000051301520000101
表8焊丝工艺性能对比(A优异B良好C一般D较差)
Figure BDA0000051301520000102
Figure BDA0000051301520000111

Claims (4)

1.一种焊渣可循环利用的气保护药芯焊丝，以低碳钢带为焊丝外皮，其特征在于：填充率为12％-18％，药粉的化学组成重量百分比组成为：15-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末，该焊渣粉末的各成分重量百分比为：TiO2：35-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：1％-15％，Al2O3：1-15％；还有15-35％的TiO2，2-7％的Si，3-8％的Mn，0.5-5％的铝镁合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-11.52％的Na2CO3，0-8.85％的K2CO3，1-5％的Mg，剩余为铁粉。
2.根据权利1要求所述的药芯焊丝，其特征在于：填充率为13-17％，所述药芯成分的化学成分重量百分比组成为：20-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末该焊渣粉末的各成分重量百分比为TiO2：45-65％，MnO：5％-15％，MgO：5％-15％，SiO2：5％-15％，Fe2O3：2％-13％，Al2O3：2-13％；还有20-35％的TiO2，3-7％的Si，4-8％的Mn，1-5％的铝镁合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-9.22％Na2CO3，0-7.1％K2CO3，1-5％的Mg，剩余为铁粉。
3.根据权利1要求所述的药芯焊丝，其特征在于：填充率为14-16％，所述药芯成分的化学成分重量百分比组成为：25-35％的气体保护药芯焊丝的焊渣粉末该焊渣粉末的各成分重量百分比为TiO2：50-65％，MnO：7％-13％，MgO：7％-13％，SiO2：7％-13％，Fe2O3：4％-11％，Al2O3：4-11％；还有25-35％的TiO2，3-6％的Si，5-8％的Mn，2-5％的铝镁合金粉末，其中铝镁合金粉末的质量比Al/Mg＝1，0-6.9％Na2CO3，0-5.3％K2CO3，2-5％的Mg，剩余为铁粉。
4.根据权利1要求所述的药芯焊丝，其特征在于：所述的15-35％的气保护药芯焊丝的焊渣粉末添加到金红石型药芯焊丝药粉中替代天然金红石，并循环利用。
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