CN102892550A

CN102892550A - 用于消除haz（热影响区）的破坏倾向并消除焊接金属中的气孔的具有无镍钢丝的冷铸铁焊条

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Publication number: CN102892550A
Application number: CN2010800667833A
Authority: CN
Inventors: 韩元男
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-01-23
Also published as: WO2011096598A4; WO2011096598A1

Abstract

本发明涉及一种不含任何镍的冷铸铁焊条，可焊接热影响区HAZ的硬度低于焊接金属的硬度，并消除焊接金属中的气孔。所述焊条的焊丝为低碳钢，其涂敷焊剂的主要原料为大理石、氧化镁烧结物和萤石，所述涂敷焊剂进一步包含中碳锰铁、FeSi75、Fe-Si-Ba、长石、云母和铝热剂粉末。本发明可用于超过其原始性能和寿命复制各种铸铁配件，包括大型铸铁配件，大型铸铁配件由于在冷焊时负荷非常大，在固定位置处受到频繁破坏。其还可用于防止通过冷焊在高压下运行的各种铸铁制造中发生漏油或漏水。其还可用于在铸铁与钢之间进行异种金属焊接。

Description

用于消除HAZ(热影响区)的破坏倾向并消除焊接金属中的气孔的具有无镍钢丝的冷铸铁焊条

技术领域

本发明涉及一种具有无镍钢丝的冷铸铁焊条，通过使HAZ的硬度低于焊接金属的硬度而消除HAZ（热影响区）的破坏倾向，并可通过消除其中的气孔而确保焊接金属的高压密封。

背景技术

铸铁包含非常多的碳和硅，与钢不同，其强度弱、可塑性不佳、导热性低、金属脆度强。因此，焊接铸铁非常困难。

曾经开发了多种冷铸或热铸铁焊条（镍基或非镍基），例如，镍铸铁焊条、蒙乃尔合金铸铁焊条、钢镍铸铁焊条和低碳钢铸铁焊条，以解决铸铁焊接中的棘手问题。

认为其中最佳的是镍基冷铸铁焊条，其焊丝为100%镍。

在使用任何一种前述冷铸铁焊条的情况下，或多或少地，焊接金属的硬度始终高于HAZ的硬度，因此HAZ经常保持有破坏倾向。

这意味着，用任何冷铸铁焊条的焊接都无法确保在其原始性能和寿命水平条件下的制造复制，需要采取复杂和特殊的焊接和热处理，以获得相对可靠的铸铁焊缝。

另外，与钢焊接相比，焊接金属不能良好地附着在基底金属上，焊接金属内形成许多气孔，这使得用于防止漏水或漏油的密封焊接变得不可能。特别地，已知的是，在其原始性能和寿命水平上复制大型或超大型铸铁配件完全不可能，由于负荷非常大，铸铁配件在固定位置处会受到某种程度的频繁破坏。

即使被公认为是所有前述冷铸铁焊条中最佳的含100%镍丝的铸铁焊条，也不可能解决这样棘手的问题。另外，由于其制造成本高，镍基焊条仅用于极其受限的领域。

另外，由于前述碱性焊条的干燥温度大部分为350至400°C，干燥过程中会消耗大量热能。

本发明的目的在于制造不含任何镍，降低干燥温度的冷铸铁焊条，无论对象如何，都在其原始性能和寿命水平条件下复制各种铸铁配件，确保焊缝的密封性，并使钢与铸铁之间的异种金属焊接变得可能。

发明内容

根据本发明的冷铸铁焊条，通过在焊接冶金过程中形成和渗透复合改性剂，基于熔融金属改性原理和高速脱氧原理，使HAZ的硬度低于焊接金属的硬度，并消除了焊接金属中的气孔。消除焊接金属中的气孔可完全保证焊缝的密封性。

该焊条在各种铸铁，例如，灰铸铁、球状石墨和高强度铸铁中都表现出相同效果。另外，其还充分地确保了任意铸铁与每种钢（高强度钢、工具钢、不锈钢，或者，特别地，熔融状态下粘着性非常差的钢或硬化性非常强的钢）之间的异种金属焊接中原始基底金属的机械特性和性能，使焊缝坚固。这是因为，焊丝构成的熔融金属可坚固地粘着在铸铁和钢上，由于其通过复合改性剂进行了改性，并提高了粘着性。一般来说，与铸铁相比，该熔融金属可更坚固地粘着在钢上。

在使用根据本发明的焊条在铸铁与钢之间进行异种金属焊接的情况下，钢以及铸铁中的HAZ完全不存在破坏倾向。

根据本发明的冷铸铁焊条为碱性焊条，其焊丝为低碳钢，其中的涂敷焊剂的主要材料为大理石、氧化镁烧结物和萤石。

分别含有0.22%以下的碳和0.04%以下的硫和磷的任何常用低碳钢，以及含有0.08%以下的碳的低碳钢都足以用作焊丝。

为了在焊接冶金过程中形成复合改性剂，在焊条的涂敷焊剂中添加一些中碳锰铁、硅铁、Fe-Si-Ba、长石、云母和铝热剂粉末。

具有相对较大的增加焊接金属硬度趋势的中碳锰铁用于防止由于铸铁比钢含有更多硫而使硫造成热裂。

使用FeSi75代替FeSi45，使其中的某些硅不仅参与脱氧反应，还有助于在焊接金属中形成复合改性剂。

Fe-Si-Ba中的一些钡在焊接金属中的碳与氧发生反应之前生成一些氧化钡，并立即将其与熔渣上升，从而大大加速焊接金属的改性，大大降低焊接金属的硬度，并防止焊接金属中形成某些气孔。

长石起稳弧剂的作用，并增加熔渣的流动性。

云母是降低含有氧化铝的焊接金属中的某些线性褶皱的一个主要因素，其增加焊条的机械涂层的可塑性，稳定电弧，并防止焊条干燥期间涂层撕裂。

Al:Fe₂O₃为1:3的铝热剂粉末在焊接金属为液体的状态下使预期冶金反应充分发生，并防止在焊接金属中形成某些稳定的碳化物，因为其通过碱性熔渣中的铝热剂反应产生的一些补充热量减缓了熔融金属的凝固速率。在向涂层中添加5%以上的铝热剂粉末的情况下，焊接金属的硬度降低，但因为焊接金属和熔渣中的残余氧化铁（FeO）的量增加，脱氧反应速率降低，因此，焊接金属中形成气孔的倾向增大。因此，铝热剂粉末的量限于5%以下。

根据本发明的焊条的涂层按质量百分比包含38至44%的大理石、0至8%的氧化镁烧结物、10至21%的萤石、0至15%的中碳锰铁、0至8%的FeSi75、0至3%的Fe-Si-Ba、3至8%的长石、3至6%的云母和3至5%的铝热剂粉末。

涂层材料粉碎成尺寸约为0.1至0.2mm的微粒，按根据本发明的质量百分比混合，并用搅拌机充分搅拌。将模数为2.6至2.7，密度为1.38至1.40的复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）添加到搅拌的涂层材料中，将复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）与涂层材料的混合物再次充分搅拌，从而制成一些涂敷焊剂。另外，当焊丝、涂层材料与复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）之间的质量比为70:30:9时，将涂敷焊剂机械涂敷在焊丝上。所述复合水玻璃含有碳酸钾水玻璃和碳酸钠水玻璃，二者之间的质量比为3:7至7:3。

关于精加工涂敷有涂敷焊剂的焊条的干燥条件，干燥温度为200至250°C，干燥时间为两个小时。

在焊接冶金过程中，在高温条件下由氧化钙、氧化镁、涂层中的FeSi75和Fe-Si-Ba、基底金属中的碳、熔融金属中的铁等生成一些适量的复合改性剂。熔融金属由复合改性剂进行改性，因此，焊接金属的机械特性变得优于基底金属的机械特性。另外，复合改性剂引起氧化物（气态或固态）从焊接金属中高速脱氧和高速分离，因此，焊接金属中完全不会形成微型气孔。焊接金属也会强烈发生脱硫和脱磷反应。

根据本发明的焊条能在交流和直流下使用，在焊接时，焊缝表面光滑，熔渣的流动性和可分离性良好，焊缝不会出现侧面中空。

本发明的优点如下：

首先，稳定地确保具有高硬化性的基底金属中的耐HAZ破坏性，这在任何先前的冷焊条中是不可能保证的。

第二，属于冷铸铁焊接中的一个最棘手问题的气孔完全从焊接金属中消除，焊接金属的硬度降低到足以对其进行机械处理，并且，由于其粒子变得非常小，可表现出高的机械特性。

第三，由于与使用100%镍焊条的情况相比，不使用任何镍的情况下耐HAZ破坏性较高，因此大大削减了焊条的制造成本。

第四，通过简单冷铸铁焊接，重要的大型或超大型铸铁配件可在超过其原始性能的水平上进行复制。所述这种大型或超大型铸铁配件由于非常大的负荷，或需要确保高压密封的各种特殊铸铁制造会在固定位置处受到频繁破坏。

第五，铸铁与钢，特别地，熔融状态下具有非常差的粘着性的钢，或具有非常高的硬化性的高强度钢之间的异种金属焊接可完美进行。

第六，能够易于以焊接例如钢的焊接方式进行大型铸铁制造。

附图说明

图1比较地显示了灰铸铁（铸铁28-48）的单层焊接情况下，用具有根据本发明的无镍钢丝的冷铸铁焊条的一个实施例焊接以及用某些先前冷铸铁焊条焊接的铸铁焊缝的硬度分布图。

图2显示了灰铸铁（铸铁28-48）的单层焊接情况下，用具有根据本发明的无镍钢丝的冷铸铁焊条的一个实施例焊接的焊接金属、HAZ和基底金属的冶金显微照片。

具体实施方式

图1比较地显示了灰铸铁（铸铁28-48）中的单层焊接情况下，用具有根据本发明的无镍钢丝的冷铸铁焊条的一个实施例焊接以及用某些先前冷铸铁焊条焊接的铸铁焊缝的硬度分布图。

在图1中，曲线1为低碳钢焊条焊接的铸铁焊缝的硬度的分布图，曲线2为蒙乃尔合金（70%Ni+30%Cu）焊条焊接的铸铁焊缝的硬度的分布图，曲线3为钢镍（70%Ni+30%Fe）焊条焊接的铸铁焊缝的硬度的分布图，曲线4为镍（100%Ni）焊条焊接的铸铁焊缝的硬度的分布图，曲线5为根据本发明的焊条的一个实施例焊接的铸铁焊缝的硬度的分布图。

如图1所示，曲线5是最优的。

在使用任何先前冷铸铁焊条的情况下，焊缝中的硬度顺序始终为基底金属<焊接金属<HAZ。但是，对于使用根据本发明的焊条，焊缝中的硬度顺序为基底金属<HAZ<焊接金属。

先前冷铸铁焊条中HAZ破坏倾向相对较小的焊条为具有100%镍丝的镍焊条，但在图1中的曲线4中的HAZ部分仍然大大高于并且变化更加急速于用来显示根据本发明的焊条的曲线5，因此，其HAZ破坏倾向经常保持在特定程度。

但是，从图1中的曲线5可以看出，由于在使用根据本发明的焊条的情况下，HAZ的硬度低于焊接金属的硬度，完全保证了耐HAZ破坏性，最终可获得可靠的铸铁焊缝。

在焊接后的十二个小时之后，由焊接铸铁制造出样品。

在图2中，照片2a至2d为不同位置下的焊接金属、HAZ和基底金属的冶金显微照片，放大率为100。照片2e为基底金属的冶金显微照片，照片2f为HAZ的冶金显微照片，照片2g为焊接金属的冶金显微照片，其放大率为200。

从图2可以看出，焊接金属的结构为细珍珠岩+索氏体，HAZ的结构为珍珠岩+索氏体+铁素体，基底金属的结构为石墨+珍珠岩+铁素体。焊接金属或HAZ中不含白口铁。

显而易见的是，由于其粒子非常小，且均匀分布，焊接金属具有高机械特性，并且完全没有气孔。

在使用根据本发明的焊条的情况下，铸铁焊缝中焊接金属的抗拉强度为480至520MPa。

根据焊丝直径的某些工艺特性和焊接电流数值分别如表1和2所示。

表1

表2

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于完全消除HAZ的破坏倾向的冷铸铁焊条，包括由常用低碳钢构成的具有涂层的焊芯，所述涂层按质量百分比包含38至44%的大理石、0至8%的氧化镁烧结物、10至21%的萤石、0至15%的中碳锰铁、0至8%的FeSi75、0至3%的Fe-Si-Ba、3至8%的长石、3至6%的云母和3至5%的铝热剂粉末。

2.根据权利要求1所述的用于完全消除HAZ的破坏倾向的冷铸铁焊条，其还在铸铁与钢之间进行异种金属焊接的情况下完全消除钢以及铸铁中的HAZ的破坏倾向。

3.根据权利要求1所述的用于完全消除HAZ的破坏倾向的冷铸铁焊条，当焊芯、涂层材料与复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）之间的质量比为70:30:9时，将焊芯用模数为2.6至2.7、密度为1.38至1.40的复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）与涂层材料的混合物机械涂敷。

4.根据权利要求3所述的用于完全消除HAZ的破坏倾向的冷铸铁焊条，其中，所述复合水玻璃包含碳酸钾水玻璃和碳酸钠水玻璃，二者之间的质量比为3:7至7:3。

5.根据权利要求1所述的用于完全消除HAZ的破坏倾向的冷铸铁焊条，其中，关于精加工的干燥条件为干燥温度为200至250°C，干燥时间为两小时。

Claims

1.一种具有无镍钢丝的冷铸铁焊条，不仅使HAZ的硬度低于焊接金属的硬度，还消除了焊接金属中的气孔。

2.根据权利要求1所述的冷铸铁焊条，用于任意铸铁与每种钢（高强度钢、工具钢、不锈钢，或者，特别地，熔融状态下粘着性非常差的钢或硬化性非常强的钢）之间的异种金属焊接，以及各种铸铁，例如，灰铸铁、球状石墨铸铁和高强度铸铁的焊接。

3.根据权利要求2所述的冷铸铁焊条，在铸铁与钢之间进行异种金属焊接的情况下完全消除了钢以及铸铁中的HAZ的破坏倾向。

4.根据权利要求1和2所述的冷铸铁焊条，其焊丝为低碳钢，其涂敷焊剂包含大理石、氧化镁烧结物、萤石、中碳锰铁、FeSi75、Fe-Si-Ba、长石、云母和铝热剂粉末。

5.根据权利要求4所述的冷铸铁焊条，其中，用于焊丝的材料为包含0.22%以下的碳和分别为0.04%以下的硫和磷的常用低碳铸铁，以及包含0.08%以下的碳的低碳钢。

6.根据权利要求4所述的冷铸铁焊条，其中，所述涂敷焊剂按质量百分比包含38至44%的大理石、0至8%的氧化镁烧结物、10至21%的萤石、0至15%的中碳锰铁、0至8%的FeSi 75、0至3%的Fe-Si-Ba、3至8%的长石、3至6%的云母和3至5%的铝热剂粉末。

7.根据权利要求4所述的冷铸铁焊条，其焊丝用模数为2.6至2.7、密度为1.38至1.40的复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）与涂层材料的混合物机械涂敷，焊丝、涂层材料与复合水玻璃（或碳酸钠水玻璃）之间的质量比为70:30:9。

8.根据权利要求7所述的冷铸铁焊条，其中，所述复合水玻璃包含碳酸钾水玻璃和碳酸钠水玻璃，二者之间的质量比为3:7至7:3。

9.根据权利要求4所述的冷铸铁焊条，其中，精加工的干燥条件为干燥温度为200至250°C，干燥时间为两小时。