（材料加工工程专业论文）高性能埋弧焊用烧结焊剂的研究.pdf

摘要 摘要 本论文通过优化设计和正交试验方法开发出了硅钙型、氟碱型埋弧焊用烧结 焊剂，并对这两种类型烧结焊剂的性能进行了研究。本试验所开发的烧结焊剂具 有生产成本低、工艺性能好、抗吸潮性强等特点。 试验研究中，发现了硅钙型和氟碱型烧结焊剂制作过程的一些难点问题。通 过大量试验得出了小批量试验用烧结焊剂的制作工艺，找到了烧结焊剂烧结的最 佳温度、最佳烧结时间以及加入粘结剂水玻璃的最佳量。 试验中得出了烧结焊剂原料各个组元对烧结焊剂脱渣性能、稳弧性能、焊缝 气孔、焊缝表面氧化等工艺性能的影响，并对其影响方式给与了初步的解释和分 析。 对使用本试验开发的烧结焊剂焊接的焊缝金属进行了一些力学性能测试。焊 缝金属力学性能的两个重要的指标：拉伸强度和低温冲击韧性。从这两个方面来 说，使用本试验开发的烧结焊剂焊接的焊缝完全达到国家相关标准。结果显示本 试验研发的烧结焊剂焊接的焊缝在2 0 c 、- 4 0 c 时能达到较好低温冲击韧性，达 到了本次试验前的期望值。利用扫描电镜、金相分析等方法初步分析了焊缝获得 较好低温韧性的原因。 由于烧结焊剂都有一定的吸潮性，所以对本试验所研发的烧结焊剂做了一系 列抗吸潮能力的试验，结果发现研发的烧结焊剂具有较好的抗吸潮能力，长时间 在室温放置吸潮能力较弱，达到了比较满意的效果。同时比较了常用的几种粘结 剂对于烧结焊剂吸潮性、颗粒强度的影响，得出了钾钠水玻璃为烧结焊剂最佳粘 结剂的结论。 分析了研发烧结焊剂中硫、磷的含量，结果显示烧结焊剂中硫含量小于 o 0 2 6 ，磷含量小于0 0 3 ，低于烧结焊剂国家标准中硫、磷含量。 关键词烧结焊剂；脱渣性；工艺性能；韧性；抗吸潮性能 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s , s i n t e r e df l u xo fs i l i c o n - c a l c i i r a la n df l u o r i n e - a l k a l iw i t hs a ww e r e d e v e l o p e dv i ao p t i m u md e s i g na n do r t h o g o n a lt e s t s i na d d i t i o n , p e r f o r m a n c eo ft h e t w ot y p e so f s i n t e r e df l u x e sw a ss t u d i e d i ti sk n o w nt h a ts i m e r e df l u xi sa d v a n t a g e o u s i nl o wc o s to fp r o d u c t i o n , g o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y , g o o dr e s i s t a n c em o i s t u r e a b s o r p t i o n , a n ds oo i l d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , t h ep r o b l e m sc o n c e r n i n g 谢t ht h ep r o c e s s o f t h ef l u xm a n u f a c t u r i n gw e r ed i s c o v e r e d b a s e do nal o to f e x p e r i m e n t s ，p r o d u c t i o n t e c h n o l o g yo f l i t t l eb a t c h e so ns i n t e r i n gf l u xw a sa c h i e v e d f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r e ，s i n t e r i n gt i m ea n dc o n t e n to f w a t e r - g l a s sa r er e v e a l e d i nt h et e s t s ，e f f e c to fp r i m a r yc o m p o n e n t sc o n t a i n i n gi nr a wm a t e r i a l so ft h e s i n t e r e df l u xo nd e t a c h a b i l i t y , a r cs t a b i l i t y , g a sh o l ei nw e l da n ds u r f a c eo x i d a t i o na t w e l d ，a n do t h e rp r o c e s s i n gp r o p e r t yw e r ec a r r i e do u t t h e nt h e i ri n f l u e n c i n gw a y w e r ee l e m e n t a i l ye x p l a i n e da n da n a l y z e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fw e l dm e t a lo b t a i n e df r o me x p l o s i t e ds i n t e r e df l u x w a st e s t e d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fw e l dm e t a li n c l u d e st w oi m p o r t a n ti n d e x e s ( p a r a m e t e r s ) ：t e n s i l e - s t r e n g t ha n d l o wt e m p e r a t u r ei m p a c td u c t i l i t y w e l dg a i n e df r o m e x p l o i t e ds i n t e r e df l u xh a sr e a c h e dc o r r e l a t i o nn a t i o n a ls t a n d a r d si ni t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sm e n t i o n e da b o v e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew e l dg o tm u c hb e t t e ri m p a c t d u c t i l i t ya t - 2 0 ca n d 一4 0 ( 3 。a c c o m p l i s h i n gt h ee x p e c t a t i o no ft h ee x p e r i m e n t s s e m ，m e t a l l i cp h a s ea n do t h e rm e t h o d sh a v eb e e ne m p l o y e dt oa n a l y z et h et e n o n s w h yw e l dg o tg o o dl o wt e m p e r a t u r ei m p a c td u c t i l i t y o w i n gt om o i s t u r ea b s o r p t i o ne a p a b i l i t yo ft h es i n t e r e df l u x , t h ee x p e r i m e n t so f r e s i s t a n c em o i s t u r ea b s o r p t i o nh a v eb e e nc o n d u c t e d t e s tr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h i s s i n t e r e df l u xh a s9 0 0 dr e s i s t a n c em o i s t u r ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t yw h e ni tw a sp l a c e d 砒l o o mt e m p e r a t u r ef o rl o n gt i m e t e s tr e s u l t sw e r ea p p r o v e do fi t sh a v eb e t t e r c a p a b i l i t yo fr e s i s t a n c em o i s t u r ea b s o r p t i o n a tt h es a l n et i m e , r e s u l t st h a tk - n a w a t e r - g l a s si st h eb e s tc o h e s i v em a t e r i a li ns i n t e r e df l u xw a se d u c e dv i ac o n t r a s t e dt o t h eu s u a lc o h e s i v em a t e r i a l so ne f f e c to fm o i s t u r ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n dg r a i n h a r d n e s s c o n t e n to fs , pi ns i n t e r e df l u xw a sa n a l y z e d , r e s u l t sw a ss h o w e dt h a ts 0 0 2 6 ， 北京t 业大学t 学硕士学位论文 p o 0 3 ，i tu n d e rc o n t e n to fs ，pi nn a t i o n a ls t a n d a r d s k e yw o r d s s i n t e r e df l u x ；d e t a c h a b i l i t y ；p r o c e s s i n gp r o p e r t y ；d u c t i l i t y ； c a p a b m t yo f r e s i s t a n c em o i s t u r ea b s o r p t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲盈盈嗍立：亚： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：垒! ! z 5 二 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 埋弧焊作为2 0 世纪4 0 年代发展起来的一种自动焊方法，目前已广泛地应用 于锅炉、压力容器、造船、石油化工、重型机械、桥梁、建筑等行业。埋弧焊用 焊剂是埋弧焊主要的消耗材料之一，它的焊接工艺性能和化学冶金性能是决定焊 接质量的重要因素；长期以来我国从事焊接工作科研人员，往往比较注重埋弧焊 焊丝的研发，而对于埋弧焊用焊剂给于的关注不够。多年来许多工程依然使用熔 炼焊剂如h j 4 3 1 等。 埋弧焊焊剂按制造方法可分为熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊剂三种。陶质焊 剂除烧结温度较低外，其他与烧结焊剂类似。目前，只有少数合金含量较高的堆 焊用焊剂属于陶质焊剂，一般主要使用的是熔炼焊剂和烧结焊剂。我国埋弧焊剂 现在主要以熔炼焊剂为主，烧结焊剂在我国起步毕竟较晚，目前焊剂品种不多， 特别是在专用焊剂与专用焊丝的匹配的研究方面较为落后，这在一定程度上制约 了烧结焊剂的进一步推广应用。随着生产力的发展，埋弧焊接以其自动化程度高 等特点得到了广泛的应用，而在我国埋弧焊焊剂应用领域，对烧结焊剂的需求逐 渐增加，特别是针对不同焊接材料的专用烧结焊剂，如浦东大桥、芜湖大桥，一 些重点输油、输气、输煤用钢管的焊接均使用了大量的烧结焊剂。 近年来，随着我国钢材的大量消费，焊接材料的生产和消费也急剧增加， 到2 0 0 4 年，我国共消耗各类焊接材料约2 2 0 万吨，埋弧焊材占整个焊接材料总 产量的1 0 9 6 ，其中埋弧焊焊丝9 万吨，埋弧焊焊剂1 4 万吨。美国、日本和西欧 都是以烧结焊剂为主。其中烧结焊剂所占的比例，日本达到7 0 以上，美国和西 欧均达到9 0 。烧结焊剂无论是在产量上还是品种上，都要多于熔炼焊剂。 由图1 1 可以看出烧结焊剂是从2 0 世纪7 0 年代开始的，熔炼焊剂的发展已 有5 0 年的历史。烧结焊剂的发展也有3 0 年的历史，品种发展很快。特别是从 1 9 9 7 年，烧结焊剂的品种数量首次超过熔炼焊剂的品种数量，体现了烧结焊剂 良好发展势头。 北京_ t 业大学t 学硕十学位论文 督 r 删 + l 图1 - 1 我国焊剂品种发展情况 2 】 f i g1 - 1d e v e l o p m e n t o f f l u xv a r i e t yi nc h i n a 1 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5 时间 图1 2 我国焊剂产量发展情况【2 】 f i g1 - 2d e v e l o p m e n to f f l u xo u t p u ti nc h i n a 从图1 2 数据可看出，我国熔炼焊剂的产量在2 0 世纪9 0 年代增加最快，1 0 年时间里增加了5 万吨，但是烧结焊剂近1 0 来年发展较快，这主要是埋弧焊在 工业生产中应用增加的结果。 1 1 1 烧结焊剂在埋弧焊接中的优点 长期以来，我国焊接行业大量使用的埋弧自动焊焊剂是熔炼焊剂，烧结焊剂 使用量很少。烧结焊剂与熔炼焊剂相比，在许多方面具有明显优势，如制造容易， 能量消耗低，对环境污染小，焊缝化学成分易于调整等，烧结焊剂近些年发展得 很快，在很多焊接产品的制造中已逐渐取代熔炼焊剂，成为主要的焊剂类型。烧 结焊剂与熔炼焊剂相比具有下列优、缺点【3 1 。 第1 章绪论 ( 1 ) 可以连续生产，工作人员劳动条件较好。焊剂生产成本低，仅一般为熔炼 焊剂成本的1 3 1 2 。 ( 2 ) 焊剂碱度可在较大范围内调节。熔炼焊剂由于生产工艺的限制，其碱度最 高为2 5 左右；而烧结焊剂在碱度高达3 5 时，仍具有良好的稳弧性及脱渣性， 并可交直流两用，烟尘量也很小。目前各国研究与开发的窄间隙埋弧焊接都是采 用高碱度烧结焊剂。 ( 3 ) 由于烧结焊剂碱度高，冶金效果好，所以能获得较好的强度、塑性和韧性 的配合。 ( 4 ) 烧结焊剂中可加入脱氧剂及其它合金成分，具有比熔炼焊剂更好的抗锈能 力。 ( 5 ) 焊剂松装密度较小，一般为0 9 - i 2 9 c r a 3 ，焊接时焊剂消耗量比较少( 如表 1 - 1 ) 。可以采用大的焊接电流( 可达2 0 0 0 a ) ，焊接速度可高达1 5 0 m h ，适用于 多丝、大电流高速自动埋弧焊工艺。 ( 6 ) 由于烧结焊剂制造工艺的优势使得烧结焊剂较容易向焊缝中过渡金属元素。 ( 7 ) 烧结焊剂颗粒圆滑，在管道中输送和回收时阻力较小。 ( 8 ) 缺点是吸潮性较大。焊缝成分易随焊接工艺参数变化而波动( 表1 - 2 ) 。 表1 - 1 烧结焊剂与熔炼焊剂消耗对比嗍 t a b l e1 - 1s i n t e r e df l u xc o n t r a s ta g a i n s tf u s i o nf l u xi nc o n s u m e 消耗量 s j l 0 1s j s 0 1h i 4 3 1h j 2 6 0 堆焊1 丽泵甄t 丁r l j 广丽 堡二 亟塑 二二 夏 玉二亘匝 坡口每平米焊剂消量g m 1 3 0 2 3 0 2 4 4 24 6 9 对接 相对系数 1 0 1 0 1 4 61 4 5 表1 2 比较了烧结焊剂与熔炼焊剂在焊接速度、适用的焊接规范、吸潮性能、 抗锈性能、焊缝韧性等方面的优缺点。可见烧结焊剂的主要工艺问题为脱渣性能、 抗吸潮性能，焊缝力学性能( 低温冲击韧性) ，它们是现在科研工作者研究的主 要方向。 北京t 业大学- 学硕十学位论文 表l - 2 烧结焊剂与熔炼焊剂比较例 t a b l cl 一2c o n t r a s ts i n t e r e df l u xw i t hf u s i o nf l u x 1 2 研究背景及意义 1 2 1 选题背景 1 2 1 1 国内的焊剂生产情况 我国的焊剂生产厂家有7 0 多家，其中能生产烧结焊剂的有3 0 多家。一部分 分布在电焊条生产企业和科研院所内。整个焊剂行业年生产能力2 0 万吨左右， 其中熔炼焊剂1 2 1 3 万吨，烧结焊剂7 8 万吨【”。熔炼焊剂的生产企业主要集 中在湖南、广西及河南等地，而年产焊剂在万吨左右的只有5 家。烧结焊剂的生 产企业主要集中在辽宁、河南等地，年产量在5 0 0 0 吨以上的企业有2 家。我国 焊剂主要生产企业分布情况见表1 3 。 表1 3 我国焊剂主要生产企业分布情况r 刀 t a b l e1 - 3d i s m i b u t i n gm o s t l yf l u xm a n u f a c t o r yi nc h i n a 我国的大专院校对焊剂的研究不多，在科研院所中，北京钢铁研究总院、哈 尔滨焊接研究所、兰州理工大学焊接研究所等对烧结焊剂的研究具备较强的实 第1 荦绪论 力，这些科研院所建立了自己的生产基地，年生产能力3 0 0 4 0 0 吨左右，都是 以生产高附加值的特种焊剂为主。近年来，在轧辊制造、修复、加氢反应器、核 容器表面堆焊、超低氢高韧性焊剂研制等方面，取得了一定的成果。一些焊剂的 生产企业，如锦州天鹅焊材有限公司、四川大西洋集团有限责任公司等这些老的 焊材生产企业，也都具备比较强的科研实力，近年来应用户需求，开发了许多新 品种。下面例举几例高性能烧结焊剂【s 】： ( 1 ) 低合金钢用高碱度、高韧性、超低氢烧结焊剂 由哈尔滨焊接研究所与锦州焊条厂研制。为氟碱型渣系，碱度值为3 3 3 5 熔敷金属扩散氢含量油法为0 3 6 m l 1 0 0 9 ，水银法为3 7 m l 1 0 0 9 ，组合 h 0 8 m n 2 m o 焊丝，熔敷金属低温冲击性能好。 ( 2 ) 用于不锈钢的烧结焊剂 由南京第二化工机械厂与合肥焊条厂研制。解决了不锈钢埋弧焊缝中间结晶 线纹、横向粘渣及焊缝压痕问题。 ( 3 ) 低合金钢用烧结焊剂 由哈尔滨焊接研究所与锦州焊条厂研制。工艺性能，特别是脱渣性能好。配 合适当焊丝用于小直径环缝、深坡口窄间隙等低合金钢结构。 ( 4 ) 抗锈烧结焊剂 由哈尔滨焊接研究所与锦州焊条厂研制。具有优良的抗气孔能力，焊缝力学 性能优良。 1 ，2 1 2 焊剂在国内各领域应用情况 自上世纪5 0 年代埋弧焊在我国开始应用以来，在锅炉、压力容器、造船、 石油化工、重型机械、桥梁、建筑等行业被广泛应用。 ( 1 ) 锅炉、压力容器行业。筒体的纵缝焊接、环缝对接、简体与封头连接 及一部分水冷膜式壁的焊接基本都采用埋弧焊，国内普及面能达到9 0 。随着电 站锅炉压力容器向高参数及大型化发展，尽管采用了低合金高强钢板材，容器壳 体的壁厚仍突破了2 0 0 m m ，为了提高焊接效率，对这些厚板的焊接，采用窄间 隙埋弧焊，需要配套具有良好工艺性能的烧结焊剂。此外，对厚板的焊接也采用 一些电渣焊工艺，也需要配套相应的焊剂。我国的一些低压容器，如最常见的民 用煤气罐，都是采用埋弧焊进行焊接，需要大量的焊剂。 北京下业大学t 掌硕1 ：学位论文 i i i 鼍量曼曼舅皇詈皇晕量量曼鼍量置曼量鼍基詈皇曼曼詈置曼量置量舅置皇曼冒一 ( 2 ) 造船行业。近年来，我国造船业发展很快，自1 9 9 2 年突破1 0 0 万吨之 后，每年以2 0 3 0 万吨的速度增长，1 9 9 7 年突破2 0 0 万吨，目前，船舶产量已 突破3 0 0 万吨。中船总公司从1 9 8 5 年开始，为缩短船台工期，提高了船舶产量， 大力推广高效焊接新技术，除采用高效的气体保护焊外，对中、厚板的拼接及角 焊缝等的焊接，基本采用埋弧焊 9 1 。 ( 3 ) 重型机械行业。对一些厚板及工形梁等的焊接基本都是采用埋弧焊。 ( 4 ) 建筑行业。在钢筋联接上，采用电渣焊工艺，这是我国的特色，焊剂 主要使用f u 4 3 1 ，目前年用量2 万多吨，有继续发展的趋势。近年来也开始逐渐 使用中锰型熔炼焊剂和一些烧结焊剂。 ( 5 ) 冶金行业。主要用于轧辊和连铸辊的堆焊、带极堆焊等。 ( 6 ) 制管行业。目前国内直缝管和螺旋管的制造基本采用埋弧焊，早期主 要采用熔炼焊剂，目前基本采用烧结焊剂。 ( 7 ) 桥梁行业。近年来桥梁建造的联接工艺由焊条电弧焊逐渐向埋弧焊过 渡，与焊条电弧焊相比，埋弧焊具有焊缝成形美观、质量优良、生产效率高等优 点。但桥梁焊接要求所应用的焊剂必须杂质含量低、冲击韧性高【1 0 1 。 近年来，在我国的焊剂应用领域，对烧结焊剂的需求逐渐增加，如浦东大桥、 芜湖大桥，一些重点输油、输气、输煤用钢管的焊接均使用了大量的烧结焊剂。 1 2 1 3 国外焊剂生产和使用情况 前苏联是生产熔炼焊剂的大国，随着烧结焊剂在窄间隙埋弧焊等方面的成功 应用，前苏联也开始逐步引进烧结焊剂，1 9 8 9 年从瑞士奥立康公司引进了烧结 焊剂生产线和部分配方，打破了熔炼焊剂一统天下的局面。美国、日本和西欧在 焊剂的技术水平上始终处于国际领先水平。在产品产量方面，国外发达国家埋弧 焊材的比例近年来一直占整个焊材产量的1 0 1 5 左右，波动不大。在焊剂产 品结构方面，美国、日本和西欧都是以烧结焊剂为主。其中烧结焊剂所占的比例， 日本达到7 0 以上，美国和西欧均达到9 0 0 , 4 。烧结焊剂无论是在产量上还是品 种上，都要多于熔炼焊剂。 近年来，国外的焊接自动化程度发展很快，制造单位为提高焊接效率，改变 了埋弧焊的传统工艺，主要体现在：由单电极改为多电极，逐渐向单丝快速焊、 多丝埋弧焊方向发展；焊丝直径进一步增大。由原来的5 m m 增大到6 4 m m ， 第1 章绪论 每根焊丝的最大焊接电流达到i b - r a ；对接焊由双面焊改为单面焊双面成形。 如日本造船业，其焊接半自动化、自动化率已经超过8 0 。前些年日本造船业在 对平行板的对接中，通常采用双丝、三丝的衬垫法单面埋弧焊，最近日本的三丝、 四丝的高速衬垫法单面埋弧焊的技术逐渐得到广泛应用。三丝焊、四丝焊与原来 的二丝、三丝相比，焊接速度分别提高1 5 倍和1 7 倍左右，在这些焊接中，采 用的是低粘度烧结焊剂。日本近些年在船体、桥梁等方面应用硬衬垫、软衬垫单 面埋弧焊等高效焊接方法非常普遍，大大提高了焊接效率。这些方法中大都采用 烧结焊剂，对焊剂提出了新的要求【1 ”。 1 2 2 课题研究的意义 虽然现在烧结焊剂已经有了长足的发展，但是相对于发展较快的埋弧焊丝来 讲还是发展很慢。尤其是现今绝大部分的管线钢都使用烧结焊剂焊接，但同一系 列的烧结焊剂品种不多，本课题就是在硅钙型烧结焊剂、氟碱型烧结焊剂系列中 通过加入有益的合金元素、控制强氧化物含量，从而达到提高焊剂的工艺性能的 目的。 烧结焊剂中氧化锰含量很低，对于我国优质高锰矿日益减少的现状下有着很 大的意义。此外由于烧结焊剂自身的优点：节约能源、环保、保护工人劳动条件 等方面的优势，将产生深远的社会效益和经济效益。 1 3 本课题研究内容 以硅钙型和氟碱型渣系为基础开发脱渣性能好、抗吸潮能力强、焊缝低温韧 性较高的烧结焊剂，并在此基础上分析烧结焊剂各组元对其工艺性能、焊缝金属 力学性能的影响方式。 第2 章烧结焊剂配方设计原则 第2 章烧结焊剂配方设计原则 2 1 烧结焊剂原材料选择及作用 2 1 1 烧结焊剂原材料 从理论上说对于烧结焊剂的原材料要求为：在焊剂中占主要作用的组元纯度 越高越好，但现实中往往很难达到这个要求。因为烧结焊剂原材料大多为一些天 然矿石经过简单的粉碎而成，这就使得我们在设计配方时应该对烧结焊剂中使用 的各种原材料的基本成分及杂质成分有一个基本的了解。 厂家提供的各种烧结焊剂原材料基本情况如下： 萤石：c a f 2 - - - 9 0 刚玉：a 1 2 0 3 - - 9 7 镁砂：m g o = 8 6 矾土粉：a 1 2 0 3 = 8 1 5 大理石：c a o = 9 2 石英砂：s 1 0 2 - - 9 7 锰粉：m n o = 6 2 硅铁：s i = 7 5 金红石钛白粉：t i 0 2 - - 9 9 0 钠水玻璃：模数- 3 0 2 1 2 烧结焊剂原材料的作用 不同烧结焊剂组元在焊剂中所起的作用是不同的，一般说来这些组元可以分 为酸性氧化物和碱性氧化物及过渡合金三种。其中酸性氧化物和碱性氧化物是焊 剂的主要成分，这两种氧化物搭配是否得当是影响烧结焊剂工艺性能的主要因 素。s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 为典型的酸性氧化物，c a f 2 、m g o 、c a o 、m n 0 2 、k 2 0 、 n a 2 0 是典型的碱性氧化物。文献指出以上9 种氧化物在烧结焊剂中基本作用如 表2 1 所示。 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 表2 1 各种原材料在烧结焊剂中的作用1 2 1 t a b l e2 - le a c hr a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l sf u n c t i o na ts i n t e r e df l u x 材料增氧造气稀渣造渣 脱氧_ j 西甄磊语面孺r j i 湮 注：a - 主要作用m 附带作用 本试验方案设计焊剂配方基本原则为：选择焊剂成分时，必须要保证各种原 材料在烧结焊剂中的主要作用，同时兼顾其次要作用。 2 2 烧结焊剂配方设计思路 经过查阅各类研究资料和烧结焊剂制备文献，初步选定合理渣系，碱度为 1 0 - 2 1 。运用正交试验方法进行试验，使研制的烧结焊剂在满足低碳钢力学性能 的同时，又具备焊接工艺性能好的特点。 ( 1 ) 考虑到厂家要求本焊剂的生产成本要尽可能低。现在市场上供应的烧结 焊剂种类繁多，价格也不尽相同。为了以后厂家便于生产和销售，我们在设计烧 结焊剂配方时，必须对生产烧结焊剂原材料的价格有所了解。经过了解硅铁、锰 铁、金红石钛白粉市场价格高，因此在设计配方时尽可能降低硅铁、锰铁、金红 石钛白粉在本烧结焊剂中的含量。 ( 2 ) 考虑焊剂对焊缝力学性能的影响，如熔敷金属的拉伸，韧性( 主要是低 温韧性) 。焊剂的碱度对于焊缝的力学性能特别是韧性有很大的影响，酸性焊剂 一般不能得到高的低温韧性，所以设计配方时焊剂的碱度应在1 0 - 2 0 ，并且适当 加入有益合金。 ( 3 ) 考虑要和厂家现在生产的烧结焊剂在焊剂的工艺性能相当，所以在设计 配方时在保证焊缝力学性能的同时焊剂的稳弧、脱渣性能要尽可能好。 第2 章烧结焊剂配方设计原则 由烧结焊剂的设计原则和设计思路可知，只有硅钙型和氟碱型烧结焊剂可以 满足厂家的各项要求，而这两种类型的烧结焊剂，成分范围比较宽泛，所以必须 要先定配方基本范围，而后在这个范围内利用正交试验法，优化烧结焊剂配方。 s j 3 0 1 硅钙型烧结焊剂，属于中性焊剂，由于合金钢中含有碳、硅、铝、 磷等微量合金元素，焊剂应具有较小的氧化性，以保证合金过渡。为满足焊缝对 韧性的要求，焊剂应采用碱性渣系，因此，本焊剂选择碱度为1 o 1 2 ( 公式2 1 ) 硅钙型焊剂，主要成分见表2 - 2 。 表2 - 2 硅钙型烧结焊剂基本成分 t a b l e2 - 2e l a e a t a r yc o m p o n e n to f s i l i c o n - c a l c i u ms i n t e r e df l u x ( 重量) s j l 0 1 氟碱型烧结焊剂与合适的焊丝配合容易得到低温冲击韧度较高的焊 缝，因此选择氟碱型渣系作为研究的另一种焊剂的渣系。经试验筛选，选择 m g o c a f 2 一m n o 作为所研究焊剂的渣系。焊剂的碱度不宜太低，碱度太低，焊 缝不易得到良好的低温冲击韧度，但也不宜过高，如果太高，焊剂的工艺性能有 可能变差，难以施焊。初步将试验焊剂的碱度定为1 8 - 2 1 ( 公式2 - 1 ) ，主要成。 分见表2 3 。 表2 - 3 氟碱型烧结焊剂基本成分 t a b l e2 - 3e l e m e n t a r yc o m p o n e n to f f l u o r i n - a l k a l is i n t e r e d f l u x ( 重量) 以上配方碱度由公式( 2 1 ) 给出。 墨= 塑等篙- l - 篙器篙学一钔 1 马q a + 1 2 ( 以q + 五口+ 加；) 一 北京工业大学丁学硕十学位论文 公式2 - l 中r 2 0 为水玻璃中碱金属氧化物n a 2 0 和k 2 0 ，水玻璃的化学式为 r 2 0 n s i 0 2 。由公式2 - 2 可以计算出水玻璃中r 2 0 和s i 0 2 在水玻璃中的质量百分 含量。 m ：凳口 ( 2 2 ) 兄d 7 渺一水玻璃的模数 式中系数对于钠水玻璃为1 0 3 2 ，对于钾水玻璃为1 5 6 2 ，钾钠混合 水玻璃在两者之间 s i 0 2 瞻一水玻璃中s i 0 2 的质量百分含量 r 2 0 一水玻璃中r 2 0 的质量百分含量 2 3 配方计算原则与试验方法 我们选择用化学组成逐项满足法计算配方，首先来介绍初步计算，由文献 1 3 可知硅钙型、氟碱型烧结焊剂的基本配方，根据公式2 - 1 、2 - 2 ，焊剂原材料主要 成分来初步计算焊剂各组元在配方中所占的百分含量，初步计算的结果，后制作 一组烧结焊剂并进行烧结焊剂工艺性能实验( 仅仅脱渣性试验) ，从这组烧结焊 剂中找出脱渣性能较好的配方，然后再对选出的工艺性较好的配方进行进一步的 计算。 第二次计算除了硅钙型、氟碱型烧结焊剂的基本配方，公式2 1 之外，还要 考虑由于厂家提供的原材料中杂质的百分含量，如镁砂中主要成分为m 9 0 为 8 6 ，s i 0 2 为6 8 1 ，c a o 为2 1 8 。表2 4 、表2 5 例举了原材料镁砂、萤石的 能谱分析结果。这样第二次计算出的配方，在碱度和组元成分含量较第一次计算 精确很多。 对第二次计算出的烧结焊剂配方，进行烧结焊剂工艺性能试验，从试验结果 中再次优选出一些工艺性能优良的配方，作为优化试验的基础配方。 最后根据最优化试验找出烧结焊剂各个组元在配方中的最佳比例，得到最佳 焊剂配方。 第2 章烧结焊剂配方设计原则 表2 4镁砂基本成分 t a b l e2 4e l e m e n t a r yc o m p o n e n to f m a g n e s i u ms a n d 2 4 本章小结 表2 - 5 矾土粉基本成分 t a b l e2 - 5e l e m e n t a r yc o m p o n e n to f b a u x i t ep o w d e r 本章以烧结焊剂原材料在焊剂中的作用为依据，平衡原料各个成分在烧结焊 剂中的主要作用和次要作用；参考烧结焊剂碱度计算公式、水玻璃模数计算公式； 在国家标准硅钙型、氟碱型烧结焊剂的基本配方进行重新设计。考虑到烧结焊剂 脱渣性能，稳弧性能、焊缝金属熔敷金属力学性能等各项因素，利用合理配方计 算方法，最优化试验方法等手段来设计两种工艺性能更好、价格更低的埋弧焊用 烧结焊剂。 第3 章烧结焊剂制作过程 第3 章烧结焊剂制作过程 生产烧结焊剂的过程一般分为：称量、干混、加入水玻璃后的湿混、造粒、 干燥、烧结、过筛等步骤。试验中由于使用批量较少，不能采用实际生产中的制 作方法，而是采用手工制作的方法。手工制作烧结焊剂步骤可分为：制作前步骤、 制作步骤，制作后步骤。 3 1 制作前步骤 ( 1 ) 厂家提供的原材料如( 镁砂、矾土粉等) 在运输、储存过程中存在比较严 重的结块问题，而试验要求原料的颗粒度在2 0 0 目，所以在制作烧结焊剂前应该 对厂家提供的原材料进行过筛，选取2 0 0 目的原料。 ( 2 ) 按照配方成分进行称量，称量过程中仔细精确，尽量避免人为误差。本试 验中每个配方的干粉重量一般为2 k g 。 ( 3 ) 水玻璃由于长期存放可能出现沉淀，使用前必须对其进行适当的搅拌，保 持水玻璃成分均匀一致。 3 2 制作步骤 ( 1 ) 干混 把称量好的各种原材料干粉，倒入容器中用手工混料的方法，混合 2 0 m i n - 3 0 m i n ，最终达到干粉颜色均匀一致，无结块。 ( 2 ) 加入粘结剂 本试验最终使用的粘接剂为钾钠混合水玻璃，模数为3 0 。钾钠混合水玻璃 一般为干粉重量的1 8 - 2 0 。加入称量好的钾钠混合水玻璃时，应缓慢将钾钠 水玻璃倒入盛有混合好干粉的容器中，如果加入钾钠水玻璃速度太快，会给后面 的湿混和湿法造粒带来很大的不便。 ( 3 ) 湿混 在钾钠水玻璃加入到盛有干粉的容器内后，不能立刻进行湿混，应该等待钾 钠水玻璃完全“消失”在干粉表面后再进行湿混，这个“消失”的过程一般为 l m i n - 2 m i n 。湿混一定要均匀地使钾钠水玻璃完全润湿干粉，湿混结束后材料应 北京丁业大学丁学硕士学位论文 该具有一定的粘性和可塑性。湿混步骤的好坏直接对造粒大小及颗粒强度有着决 定性的影响。 ( 4 ) 造粒 湿混后的造粒在整个焊剂制作过程中是一个关键部分。所谓造粒就是使混好 的湿粉通过一定数目的筛网( 1 6 6 0 目) ，通过网筛后湿粉因为钾钠水玻璃的粘接 作用而成为颗粒状。但这种颗粒不规则，需要进一步在筛中滚圆。滚圆不能按着 一个方向滚，要顺时针和逆时针相结合，图3 1 为湿法造粒后焊剂颗粒。 ( 5 ) 干燥 造粒完毕的焊剂需要经过干燥，一般说来干燥可使用烘干机来完成，但是考 虑到试验所制作的烧结焊剂数量较少，直接放入烘干机中烘干，已经造好粒的烧 结焊剂会结成比较坚硬的块，不利于下一步的试验。制作过程中发现，将造粒好 的烧结焊剂，在室温、通风条件下放置4 个小时左右，使颗粒表面的钾钠水玻璃 自然风干，颗粒基本不会结块。 ( 6 ) 烘干 经过干燥后的焊剂颗粒已经具有了一定颗粒强度，但此时焊剂中还是存在大 量钾钠水玻璃，钾钠水玻璃中的许多水分还存在于颗粒内部。将干燥好的颗粒放 入烘干箱中，通过热质交换，焊剂颗粒表面的水分首先向周围蒸发，由于颗粒表 面水分不断蒸发，颗粒内部水分通过扩散和渗透作用，源源不断地流向颗粒表面， 这个过程不断进行，使焊剂颗粒达到烘干的目的。烘干的目的就是进一步除去烧 结焊剂中的水分，烘干温度为2 5 0 ( 1 h ) 。需要注意为了防止烧结焊剂结块，烘 干时温度要尽量缓慢上升。 ( 7 ) 烧结 烧结的目的是为了彻底去除烧结焊剂中的水分和增加其颗粒强度，烧结温度 一般为8 0 0 9 5 0 c ( 2 h ) ，烧结过程升温的速度为5 1 2 m i n 。文献 1 1 指出，当烧 结温度不大于9 0 06 c 时，焊剂颗粒在烧结过程中发生氧化分解与晶型转变，此过 程焊剂颗粒内部发生颗粒结构水的排出、碳酸盐的分解、碳素和硫化物被氧化、 石英晶型转变等反应。具体反应如方程式3 - i ，3 - 2 ，3 - 3 ，3 - 4 ，3 - 5 【1 4 】： 灿2 0 3 2 s i 0 2 2 h 2 0 一朋2 0 3 2 s i 0 2 + h 2 0f c a c 0 3 一c a o f c 0 2f - 1 6 _ ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第3 章烧结焊剂制作过程 m g c 0 3 一m g o 圯0 2t ( 3 3 ) c + 0 2 一c 0 2f(3-4) f e s 2 + 0 2 - - f e z 0 3 + s 0 2f(3-5) 焊剂颗粒在烧结阶段会发生下列物理变化：结构水与气体排出；焊剂颗粒质 量减轻；气孔率提高；焊剂颗粒强度进一步提高；焊剂颜色变浅；体积变化不大。 烧结完毕后的冷却过程也十分重要，若冷却速度过快，则易导致焊剂颗粒具有较 大的结构应力，而且焊剂颗粒内部和表面也将出现较大的热应力。因此烧结后的 冷却速度必须缓慢，以防止焊剂颗粒因结构应力和热应力而炸裂为细小的颗粒， 从而使烧结焊剂成品率下降。试验中发现当冷却速度为一1 0 m i n 时，烧结后的 效果最佳，图3 2 为烧结过后的焊剂颗粒外形。 图3 - 1 湿法造粒后的焊剂 f i g3 - 1f l u xo f m a d ew e t t i n gg r a i n 3 3 制作后步骤 图3 - 2 烧结后的焊剂颗粒 f i g3 - 2s i n t e r e df l u xg r a m 在焊剂干燥、烘干、烧结过程中必然会有一部分焊剂由于造粒等方面的原因 颗粒强度不高，进而成为细小的颗粒或者细粉。而试验用烧结焊剂的颗粒度一般 为1 6 目一6 0 目，所以对于烧结完毕后的焊剂进行过筛是非常必要的。 3 4 烧结焊剂制作中的注意事项 由于焊剂原材料大多为细粉状，因此在制作整个过程中必须使用防尘口罩、 北京t 业j ：学下学硕十学位论文 防尘眼罩保证，人身安全。在称料、干混、湿混过程中，必须使用橡胶手套，尽 量避免让手和身体其他部分皮肤直接接触原料。在焊剂进入干燥箱和烧结电炉 时，必须按试验室设备使用规程操作。 3 5 本章小结 本章详细阐述了试验用烧结焊剂制作的过程，在制作过程中发现了一些问 题，通过分析和反复试验对这些发现的问题给予了解决，得出了湿混时间、烘干 方式和烘干时间、烧结温度的选择、烧结时间的长短等因素是影响烧结焊剂质量 的主要因素。从而得到了试验用小批量烧结焊剂制作工艺，这个工艺的确定对以 后烧结焊剂试验具有决定性意义。 第4 章烧结焊剂工艺性能研究 第4 章烧结焊剂工艺性能研究 4 1 烧结焊剂各种成分对与烧结焊剂工艺性能影响概述 试验过程中初步总结了烧结焊剂各种组元对烧结焊剂工艺性能影响。特别是 烧结焊剂碱度在1 o 2 2 这个区间时，各种氧化物在焊剂中的作用如下： 1 5 - - , 2 5 c a f 2c a f 2 分解产生的氟气降低电弧气氛的分压，具有与碳酸盐 相同的效果。c a f 2 在埋弧焊接中发生分解反应从而降低了熔敷金属中的氢含量。 c a f 2 属于碱性氟化物，提高熔渣的碱度，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度 u 5 l 。 1 5 - - 2 5 s i 0 2s i 0 2 是渣剂同时也是稳定电弧的重要成分，当s i 0 2 含量低 于1 2 时电弧不稳定，易产生断弧的现象。超过2 0 时，熔敷金属中增s i ，同 时熔渣的粘度过大，流动性降低。此外，s i 0 2 是表面活性物质，具有降低熔渣表 面张力的作用，因此可以减少熔渣与液态金属之间的粘力，有利于改善烧结焊剂 脱渣性斛1 6 】。s i 0 2 是酸性氧化物又有减少熔渣碱度，降低熔渣熔点，改善焊缝 成型的作用。s i 0 2 是以矿物类原料、石英砂、铁合金、水玻璃等形式加入的，这 种以多种形式加入的方式可以改变焊缝的综合工艺性能。 2 0 3 0 m 9 0m g o 是很好的造渣剂也可以调整熔渣的碱度。对于碱性的 渣系，m g o 具有提高熔敷金属冲击韧性、降低焊缝扩散氢含量的作用。m g o 的 熔点较高，可以提高熔渣的粘度1 7 1 ，抑制熔渣的流动性。但当加入量超过3 0 时，会使焊缝成型能力变差。 试验认为，m g o 含量超过3 0 时，脱渣性能变坏，这是由于m g o 具有增大 熔渣表面张力的作用，特别是在坡口中施焊时，熔渣不能充分在坡口中流动，过 早的凝固会使熔敷金属不能与坡口两壁圆滑地过渡，造成脱渣困难，同时也易产 生咬边、夹渣等焊接缺陷。 1 5 * 一2 5 a 1 2 0 3a 1 2 0 3 可以调整熔渣粘度，并调整熔渣的流动性。但当超 过2 0 时，熔渣的粘度过高，焊道易产生咬边和凹坑，使焊道成形变坏。a 1 2 0 3 还具有增大熔渣表面张力的作用，所以加入量过多时，不利于改善脱渣性。试验 中a 1 2 0 3 主要以刚玉、矾土粉等形式加入。 5 , , - 1 5 c a oc a o 在烧结焊剂中具有提高熔渣碱度，改善熔敷金属力学性 北京1 二业大学t 学硕十学位论文 能的作用。通常c a o 以大理石的形式加入到烧结焊剂中，而大理石在焊接过程 中分解能产生大量的气体，造成电弧区间的气体压力过大，焊道表面产生压痕， 产生烟雾，污染环境。 1 0 o , - - 3 t 1 0 2t i 0 2 在烧结焊剂中所占比例不多，但是起到的作用非常关键， 它可以降低渣的熔点，使熔渣的可塑性和流动性变好，从而对焊缝的成型起到良 好的作用。 1 8 0 o - 2 0 钾钠水玻璃水玻璃一般被认为是粘结剂，水玻璃中大部分成分 为s i 0 2 ，其次是k 2 0 、n a 2 0 ，水玻璃的加入能显著提