耐吸潮埋弧焊用燒結(jié)焊劑①

劉昕，何少卿，艾梓涵

(1.錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 錦州121000;2.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001)

1 發(fā)明概述

埋弧焊用燒結(jié)焊劑分為燒結(jié)型和熔煉型兩大類(lèi)別，最近以焊接工藝性能優(yōu)良，而且能獲得優(yōu)良的熔敷金屬性能的燒結(jié)焊劑為主流。這種燒結(jié)焊劑一般地使用水玻璃作為粘結(jié)劑，將氧化物和氟化物等原材料粉劑經(jīng)混合→造粒→干燥→燒結(jié)等工序加工制造而成。

水玻璃一般是含有硅酸鈉和硅酸鉀等水溶液，鈉和鉀堿金屬成分吸潮性嚴(yán)重。此外，水玻璃造粒后干燥、燒結(jié)后起泡，增加焊劑的比表面積，因此又增加了吸潮性。使用這樣的焊劑焊接時(shí)，吸潮的水分受電弧熱分解而形成氫，這是向熔敷金屬中過(guò)渡擴(kuò)散氫的原因。

為了防止燒結(jié)焊劑的熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量，尋求了各種的手段和方法。例如，在特公昭51－16172號(hào)、特公昭56－53476號(hào)和特公昭58－49358號(hào)公報(bào)中報(bào)道了增加焊劑中碳酸鹽的比例，焊接時(shí)產(chǎn)生CO2氣體，降低H2分壓，防止擴(kuò)散氫含量的方法。此外還提出了使用低吸潮性物質(zhì)的粘結(jié)劑來(lái)防止熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的方法。例如，特公昭51－26308號(hào)公報(bào)中，提出了控制水玻璃的Na2O/K2O摩爾比，而且采用適當(dāng)燒結(jié)溫度的低吸潮方法。特公昭51－25809號(hào)公報(bào)中，提出了使用低吸潮性的硅酸鋰水溶液或者在硅酸鈉、硅酸鉀等水玻璃中加入硅酸鋰，降低吸潮性方法的提案。

在特公昭52－2700號(hào)公報(bào)中，提出了在焊劑中加入含有堿金屬和氧化硼等玻璃粉，燒結(jié)時(shí)玻璃粉末軟化，覆蓋在焊劑顆粒表面上，降低吸潮性的方法。另外，在特公昭60－106695號(hào)公報(bào)中提出了焊劑燒結(jié)后，在真空中去除水分，然后使用焊劑表面吸附CO2氣體來(lái)降低吸潮性的方法。然而，在焊劑中添加碳酸鹽的方法，焊接時(shí)碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2氣體，焊道表面粗糙，特別是高速焊時(shí)存在工藝性能問(wèn)題?？刂芅a2O/K2O摩爾比，添加碳酸鋰的方法，在常規(guī)的燒結(jié)溫度(400～600℃)時(shí)，不能滿(mǎn)足抑制吸潮性。在焊劑添加含有堿金屬和氧化硼等玻璃粉末的方法，只在焊劑中混合玻璃粉，由于焊劑的顆粒受到限制，軟化時(shí)不能充分地覆蓋焊劑的每個(gè)顆粒，不能獲得充分的耐潮性效果。還有焊劑表面吸附CO2氣體的方法，焊劑整個(gè)表面很難均勻吸附，即使焊劑被CO2化，也存在部分焊劑吸潮的問(wèn)題。

為了有利地解決上述的各種問(wèn)題，改善焊劑耐吸潮的效果，降低熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量而發(fā)明一種埋弧焊用燒結(jié)焊劑。經(jīng)試驗(yàn)證明，這種焊劑應(yīng)用廣泛，效果良好。

2 發(fā)明的內(nèi)容

2.1 解決課題的手段

按式(1)計(jì)算的焊劑成分含量A值小于35，即

按式(2)計(jì)算的水玻璃粘結(jié)劑水溶性物質(zhì)摩爾比在2.0 ～4.0 范圍內(nèi)，即:

焊劑的比表面積小于0.2 m2/cm3。

由于控制與焊劑成分中H2O反應(yīng)易生成氫氧化物的成分含量在規(guī)定值以下，降低了由焊劑成分的吸潮量，此外降低了造粒用的粘結(jié)劑的軟化溫度，在燒結(jié)時(shí)粘結(jié)劑容易熔融在每個(gè)焊劑顆粒表面形成均勻的薄膜，減少了燒結(jié)后的焊劑的比表面積，防止焊劑吸收水分，進(jìn)而防止了氫向熔敷金屬中擴(kuò)散。尤其是調(diào)整粘結(jié)劑改善了吸潮性，由Na2O阻斷水玻璃粘結(jié)劑的主要成分SiO2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的流動(dòng)性，同時(shí)在水玻璃中加入B2O3，降低了水玻璃的軟化溫度。

2.2 焊劑的組成

耐吸潮焊劑成分的組成及限制范圍的理由如下。

(1)SiO2:30% ～70%，SiO2是調(diào)整焊劑的熔點(diǎn)，影響熔渣流動(dòng)性的成分。SiO2含量小于30%時(shí)，熔渣流動(dòng)性過(guò)剩，焊道高度不僅不足而且脫渣不好。SiO2含量大于70%時(shí)，熔渣流動(dòng)性差，其結(jié)果是焊道表面粗糙，所以SiO2總量控制在30% ～70%范圍內(nèi)。

(2)Al2O3:5% ～30%，Al2O3是影響熔渣流動(dòng)性的成分，含量小于5%時(shí)，熔渣流動(dòng)性過(guò)大，另一方面Al2O3超過(guò)30%時(shí)，嚴(yán)重?fù)p害熔渣流動(dòng)性，所以Al2O3控制在5%～30%范圍內(nèi)。

利用（3）式將矩陣B進(jìn)行化簡(jiǎn)發(fā)現(xiàn)它的行和與列和都為零，因此矩陣B總有特征向量(1,1,1,...)，其對(duì)應(yīng)的特征值為0，這是拉普拉斯圖矩陣的性質(zhì)〔7〕，也是圖分割的基礎(chǔ)。

(3)MgO:3% ～30%，MgO是提高脫渣性的有效成分，含量小于3%時(shí)，缺乏這種效果，超過(guò)30%時(shí)，熔渣的熔點(diǎn)提高，焊道形狀不好，因此MgO含量控制在3% ～30%范圍內(nèi)。

(4)MnO:5% ～40%，MnO是提高焊道弧坑均勻性的成分，含量小于5%時(shí)，缺乏這種效果，超過(guò)40%時(shí)，熔渣流動(dòng)性過(guò)大，所以MnO含量限制在5% ～40%范圍內(nèi)。

(5)CaO:10%以下，CaO是影響熔渣流動(dòng)性的成分，含量大于10%時(shí)，熔渣流動(dòng)性差，焊道形狀不好，所以CaO含量控制在10%以下。

(6)CaF2:5% ～20%，CaF2對(duì)熔渣流動(dòng)性影響較大，含量小于5%時(shí)，熔渣流動(dòng)性差，超過(guò)20%時(shí)，熔渣流動(dòng)性過(guò)大，因此CaF2含量控制在5% ～20%范圍內(nèi)。

(7)脫氧劑:小于5%，F(xiàn)e－Si、Fe－Al和 Fe－Mn等脫氧劑能有效地提高焊道表面的光澤，超過(guò)5%時(shí)，不能獲得上述的效果，所以限制在5%以?xún)?nèi)。

(8)合金成分:小于5%，埋弧焊時(shí)為了提高熔敷金屬的沖擊韌性，一般在焊劑中添加Ti、Al、Mo等合金成分，這些合金加入量超過(guò)5%時(shí)，合金成分過(guò)量，因此熔敷金屬的沖擊韌性降低，因此合金成分控制在5%以下。

(9)Sol.SiO2:4% ～ 8%，Sol.SiO2表示水溶性的SiO2，這種物質(zhì)是水玻璃粘結(jié)劑含有的，是用來(lái)評(píng)價(jià)焊劑的吸潮性和顆粒之間粘結(jié)強(qiáng)度的參數(shù)。含量小于4%時(shí)，得不到充分的顆粒強(qiáng)度，焊劑易粉碎;含量超過(guò)8%時(shí)，粘結(jié)劑的軟化溫度升高，焊劑的比表面積增大，耐吸潮性下降。所以，Sol.SiO2含量控制在4% ～8%范圍內(nèi)。

(10)Sol.(Na2O+K2O+Li2O):1% ～ 3%，Sol.(Na2O+K2O+Li2O)表示水溶性的Na2O、K2O、Li2O的合計(jì)含量，與Sol.SiO2相同，是水玻璃粘結(jié)劑中含有的，是評(píng)價(jià)焊劑的吸潮性和顆粒強(qiáng)度的參數(shù)。這些堿金屬阻斷水玻璃中SiO2的網(wǎng)絡(luò)，使水玻璃具有良好的流動(dòng)性，減少焊劑的比表面積。對(duì)于燒結(jié)后的焊劑，Na2O吸潮后易生成NaOH，NaOH阻止水玻璃SiO2中的Si－O結(jié)合，影響粘結(jié)劑的流動(dòng)性和焊劑顆粒強(qiáng)度。此外，K2O和Li2O也同樣具有Na2O的作用，規(guī)定這些的總量是重要的。這些合計(jì)量小于1%時(shí)，焊劑比表面積小，效果不充分;超過(guò)3%時(shí)，不僅焊劑強(qiáng)度不夠，而且耐吸潮性下降，所以其含量為1% ～3%。

(11)A≤35，焊劑的吸潮性主要取決與H2O反應(yīng)生成氫氧化物的MgO、CaO、MnO、Na2O、K2O和Li2O的含量。根據(jù)這種觀點(diǎn)求出各種氧化物生成氫氧化物時(shí)各種成分的1 kg的熱焓當(dāng)量，算出以MgO為1時(shí)各種成分的熱焓變化的系數(shù)，然后算出各種氧化物含量與系數(shù)乘積的和作為A。因此，A作為衡量焊劑成分與水親合性的指標(biāo)。圖1是各種成分組成的燒結(jié)焊劑在溫度30℃、濕度80%環(huán)境中放置24 h吸潮后進(jìn)行氫試驗(yàn)(按JIS Z3118標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)，擴(kuò)散氫含量與A值的關(guān)系示意圖。如圖1所示，A≤35時(shí)，擴(kuò)散氫含量小于10 mL/100 g，吸潮量小，A≥35時(shí)，吸潮量大，擴(kuò)散氫含量急劇上升。此外，在同一圖中還顯示出了在粘結(jié)劑中添加B2O3時(shí)的結(jié)果，加入B2O3時(shí)，即使A≤50也不損害吸潮性。

(12)Sol.B2O3:0.1% ～4%，B2O3是為了降低水玻璃粘結(jié)劑的軟化溫度，在焊劑表面加強(qiáng)粘結(jié)劑的溶融，降低焊劑比表面積的目的而添加的。因此含量小于0.1%時(shí)，效果不充分。超過(guò)4%時(shí)，焊劑的粘結(jié)力下降，所以控制在0.1% ～4%范圍內(nèi)。

圖1 焊劑A值與擴(kuò)散氫含量的關(guān)系

(13)摩爾比:4.0≥(Sol.SiO2)/Sol.(Na2O+K2O+Li2O)≥2.0，(Sol.SiO2)/Sol.(Na2O+K2O+Li2O)比表示焊劑粘結(jié)能力的指標(biāo)，比值小于2.0時(shí)，粘結(jié)力低，焊劑容易粉碎。比值大于4.0時(shí)，得不到均勻的焊劑顆粒，所以比值應(yīng)控制在上述的范圍。

從耐吸潮的角度而言，焊劑的比表面積最好控制在0.2 m2/cm3以下。焊劑的比表面積越大，吸潮量也越多，如圖2所示，熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量隨著比表面積增大而增加。如果焊劑的比表面積在0.2m2/cm3以下，吸潮的焊劑(30℃、80%RH、24 h)的熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量可控制在10 mL/100 g以?xún)?nèi)。

圖2 吸潮前后焊劑比表面積與擴(kuò)散氫含量的關(guān)系

3 實(shí)施例

3.1 實(shí)施例1

將市售的水玻璃調(diào)整成表1所示各種粘結(jié)劑。將1 g表2所示組成的焊劑原料，加入表1中B4粘結(jié)劑120 g(水分不計(jì))，經(jīng)混合、造粒、干燥、燒結(jié)，調(diào)整粒度，制成表3所示的埋弧焊用燒結(jié)焊F1～F4。燒結(jié)規(guī)范600℃ ×1 h。對(duì)上述的焊劑進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn)(30℃，80 RH，24 h)，結(jié)果見(jiàn)表4。其中，F(xiàn):焊劑;R:焊劑原料種類(lèi);B:粘結(jié)劑種類(lèi)。SiO2:包括粘結(jié)劑中的SiO2。熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn)按JIS Z3118標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)進(jìn)行3次。

表1 水玻璃指標(biāo)

表2 焊劑原料組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 焊劑組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量

表4中無(wú)論F1還是F2焊劑，吸潮后的擴(kuò)散氫含量都控制在較低水平。與此相反，A值超過(guò)35的F3、F4號(hào)焊劑，吸潮后的含氫量增加。

3.2 實(shí)施例2

取表5中所示成分的焊劑原料1 kg，加入表1所示的各種粘結(jié)劑120 g(不計(jì)水分)，進(jìn)行攪拌、造粒、干燥、燒結(jié)、篩分粒度，制成表6所示的埋弧焊用燒結(jié)焊劑。燒結(jié)規(guī)范600℃ ×1 h。其中，F(xiàn):焊劑;R:焊劑原料種類(lèi);B:粘結(jié)劑種類(lèi);*表示 Sol.(Na2O+K2O+Li2O)。測(cè)量上述焊劑吸潮后(30℃，80%RH，24 h)的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量，結(jié)果見(jiàn)表7。

表5 焊劑原料組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表6 焊劑組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表7中F1～F3焊劑，無(wú)論哪種焊劑吸潮后擴(kuò)散氫含量都較低，與此相反，水玻璃中未加B2O3的F4焊劑，A值不滿(mǎn)足小于35條件，吸潮后的氫含量增加。F5和F6焊劑，由于 Sol.SiO2濃度低，而且B2O3濃度高，促進(jìn)水玻璃凝膠，造粒困難，其結(jié)果是焊劑粉化。F7焊劑，Sol.SiO2濃度過(guò)高，水玻璃的軟化溫度升高，結(jié)果是燒結(jié)時(shí)的流動(dòng)性差，焊劑的比表面積增加，擴(kuò)散氫含量增加。F8焊劑，堿金屬成分(Na2O+K2O+Li2O)濃度低，流動(dòng)性差，對(duì)焊劑顆粒的潤(rùn)濕性差，顆粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度差，焊劑容易粉化。F9焊劑堿(Na2O+K2O+Li2O)濃度過(guò)高，擴(kuò)散氫含量高。F10焊劑SiO2/(Na2O+K2O+Li2O)比值小，粘結(jié)強(qiáng)度下降，結(jié)果是焊劑顆粒粉化。

表7 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量

3.3 實(shí)施例3

取表2中R1、R2、R4焊劑原料各1 kg，加入表1中B1～B3粘結(jié)劑120 g(水不計(jì)在內(nèi))，然后進(jìn)行攪拌、造粒、干燥、燒結(jié)、篩分，制成表8所示的埋弧焊用燒結(jié)焊劑F1～F3。測(cè)量上述焊劑吸潮后(30℃，80%RH，24 h)的擴(kuò)散氫含量，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9中的F1～F3焊劑，無(wú)論哪一種，Sol.B2O3含量都在0.1% ～4%范圍內(nèi)，滿(mǎn)足 A≤50，而且4.0≥(Sol.SiO2)/Sol.(Na2O+K2O+Li2O)≥2.0 的要求，所以熔敷金屬擴(kuò)散氫含量低。

表8 焊劑組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表9 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量

3.4 實(shí)施例4

用表6中試驗(yàn)F1～F3焊劑組成相同、燒結(jié)溫度不同的方法制成焊劑，研究焊劑的比表面積與熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表10。比表面積采用BET法測(cè)定。

由表10可知，焊劑的比表面積小于0.2m2/cm3時(shí)，焊劑的耐吸潮性效果好，降低熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。

表10 比表面積和擴(kuò)散氫含量關(guān)系

4 發(fā)明的效果

發(fā)明的焊劑降低了焊劑成分與水分的親合力，降低粘結(jié)劑的軟化溫度，解決了燒結(jié)焊劑焊接時(shí)或焊接過(guò)程中焊劑吸潮的問(wèn)題，即降低了吸潮性，從而降低了熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。