一种手工电弧焊堆焊焊条药皮配方及焊条制备方法与流程

本发明涉及材料技术，提供一种手工电弧焊堆焊焊条药皮配方及焊条制备方法。

背景技术：

能源与环境问题是当今人类社会可持续发展所面临的两大难题。金属材料作为现代社会建设中最重要的工程材料之一，以其优越的性能和较低的成本而被广泛使用，目前还没有哪种材料完全可以取代其在现代社会建设中的地位。其这中钢铁材料的使用量更是占金属材料使用量的95％以上。但钢铁工业作为工业中耗能和排污的重点行业，钢铁腐蚀所产生的能量损耗和污染排放量是极其巨大的。钢铁自身的热力学性质不稳定，在大气、海洋或液态金属中会发生不同程度的腐蚀。世界上每年因腐蚀造成的钢铁材料损失至少达一亿吨，占世界钢铁总产量的20％左右。钢铁材料的防腐蚀研究具有巨大的经济利益，同时也是节约能耗、控制污染排放的一种有效方式。

腐蚀是材料与所处环境发生的化学反应或电化学反应所造成的破坏，按腐蚀的反应机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。针对这两种腐蚀形式产生了热镀锌工艺：将钢铁工件浸入熔融金属中，在工件表面获得致密金属镀层可以使钢铁的耐腐性得到大幅度的提高。其具有双重的保护作用——既可以给钢铁提供物理性屏障的保护，又能使镀层作为做阳极，起到阴极保护的作用。由于镀层金属与基体金属间有良好的结合力，并具有很好的耐蚀性、装饰性和加工成型性，热镀锌技术已经成为钢铁材料防腐应用最基本、最经济有效的方法之一，广泛应用于国民经济的各个领域。

热镀锌是目前世界上钢铁防腐蚀中最基本、最广泛的方法之一。通过热镀锌工艺在钢铁制品表面生成一热镀锌层，这个致密而又耐腐蚀的镀锌层，可以有效地将易腐蚀的钢基体与外界环境隔离开，使工件免受外界电解质的腐蚀。与其它防腐蚀方法相比，在镀层的物理屏障与电化学相结合的双重保护特性、镀层的致密性、镀层的耐久性、镀层免维护性、镀层与基体的结合力、镀层的经济性以及工艺对钢件形状、尺寸适应性、生产操作的高效性上，热浸镀锌都具有无可比拟的优势。热镀锌在对金属的保护方面作用明显，在节省材料、避免浪费的同时又延长了镀件的使用寿命。镀锌的钢铁材料种类较多：主要有冶金行业中的丝、钉、网、板、带；电力行业中的输变电铁塔；建材行业中的镀锌钢管、横梁；通讯行业中的邮电铁塔；交通行业中的高速公路护栏、电线杆等。目前热镀锌防护已广泛应用于电力、建材、通讯、冶金、交通等国民经济各个领域。

热镀锌设备中多数部件需要与熔融的锌液相接触。然而，在热镀锌工艺中，熔融的锌液在工艺温度下几乎对所有金属设备有强烈的腐蚀作用，锌锅等设备首当其冲。钢铁质热镀锌设备部件的耐锌液腐蚀能力较差，使用寿命短，早前热镀锌中的铸铁锌锅平均使用寿命只有2.5个月。然而由于钢质锌锅具有良好的加工成型性、导热性、强韧性以及低成本等优点，钢质锌锅仍广泛用于常规热浸镀锌中。锌液对热镀锌设备部件的腐蚀会导致锌的大量浪费锌液与铁质锌锅发生剧烈的铁锌反应，形成的fe-zn化合物脱落而形成锌渣。锌渣主要由ζ相(fezn13)和δ相(fezn7)组成，含锌94wt％～97wt％，含铁3wt％～6wt％(重量百分比)。锌渣不仅会影响镀锌质量，而有一份fe被腐蚀，就有约十五倍的zn被消耗]。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种手工电弧焊堆焊焊条药皮配方及焊条制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种手工电弧焊堆焊焊条药皮配方，至少包括如下组成部分，

硼元素占1.5～5.0wt％，金属铬占5～11wt％。

进一步地，硼铁粉占8～30wt％，铬粉占5～11wt％。

进一步地，萤石占25～35wt％；大理石占8～12wt％；钛铁矿占5～7wt％；人造金红石占3～5wt％；碳酸钠占0.5～2wt％。

进一步地，所述硼铁粉占12～27wt％，所述铬占9～11wt％。

进一步地，所述萤石占30wt％；所述大理石占10wt％；所述钛铁矿占6wt％；所述人造金红石占4wt％；所述碳酸钠占1wt％；所述硼铁粉占25wt％，所述铬占10wt％。

第二方面，本发明还提出了一种手工电弧焊堆焊焊条的制备方法，包括如下步骤：

s1对预备的焊芯进行预处理；

s2根据上述配方配制药皮原料；

s3将药皮原料搓制到焊芯上；

s4将焊芯烘干，完成焊条制备。

进一步地，所述s1具体包括将焊芯用砂纸打磨去锈、校直，并用天平称出焊丝重量。

进一步地，所述配制药皮原料包括干混和湿混；

所述干混包括：将称出的所有药粉原料混在一起，并搅拌充分直至药粉原料颜色均匀一致，且无块状、粒状等聚集现象存在；

所述湿混包括：将完成所述干混的药粉原料中逐渐加入水玻璃并进行搅拌直至混合均匀干湿适中，得到湿粉。

进一步地，所述s3具体包括，

将所述湿粉沿焊芯长度方向均匀涂在焊芯上并使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药粉均匀牢固地粘在焊芯上，其中所述焊条的一端留出无药皮端；另一端作为非夹持端并露出焊芯，不形成包头。

进一步地，所述s4具体包括，

将搓制好的焊条晾干24小时，再放入烘箱内烘干，其中烘干温度为350～400℃，烘干时长2小时。

本发明为解决锌液腐蚀问题发明了一种用于提高热镀锌设备部件耐锌液腐蚀的手工电弧焊堆焊焊条，只要在热镀锌设备部件表面堆焊一层便能明显提高热镀锌设备部件的寿命减少锌液的浪费。

附图说明

图1为药皮含硼量为3.5％时的堆焊层xrd图；

图2为堆焊层腐蚀速率与含硼量的关系示意图；

图3为5％b(硼元素含量)堆焊焊接接头微观组织形貌：(a)堆焊层；(b)熔合区；(c)过热区和(d)部分相变。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

在常规热镀锌温度下，热镀锌过程中与锌液接触的锌锅、沉没辊和稳定辊等设备部件遭受熔融锌液的腐蚀而频繁更换部件造成严重的经济和资源浪费。为解决这些问题，我们团队进行了深入的研究，在研究时发现在焊条中加入一定量的b元素能很好的减缓腐蚀的速率。b元素在焊缝中的存在形式为fe-b化合物，如图1药皮含硼量为3.5％时的堆焊层xrd图所示，药皮含b量3.5％的堆焊层主要包括α-fe和fe2b相，还有部分ni-cr-fe相。

为此，进行一系列实验找到了能最大限度减缓腐蚀速率b元素的添加含量，通过制定b元素的添加含量分别为1.5wt.％、2wt.％、2.5wt.％、3wt.％、3.5wt.％、4wt.％、4.5wt.％、5wt.％，cr含量为10wt.％的手工电弧焊堆焊焊条进行堆焊之后测得腐蚀速率如图所示：

大量实验表明,硼元素的添加使得堆焊层形成大量fe2b相，fe2b相与锌液不润湿、不反应能够有效阻挡锌液的腐蚀,但是过量的b元素的加入会导致堆焊层韧性降低容易开裂，同时cr元素的加入能够显著提高堆焊层的韧性防止堆焊层过早开裂。

根据图2中不同b元素含量堆焊焊条堆焊接头熔融锌液腐蚀速率的对比可以发现：随着b含量的进一步增加，堆焊接头熔融锌液腐蚀速率逐步降低。当b含量达到4.5wt.％时，堆焊焊接接头的熔融锌液腐蚀速率基本稳定。

具体实施方式：

本发明所用的制备材料见表1所示。

表1材料

其中人造金红石、钛铁矿、大理石、萤石、硼铁粉、铬粉、铁粉、碳酸钠是制作焊条药皮的材料，钾钠水玻璃用作粘结剂。硝酸和无水乙醇用作配制金相腐蚀液。焊芯的尺寸为φ2.5mm×300mm；05f钢板尺寸为200mm×90mm×15mm。

样品制备

配方→焊条搓制→自然晾干→烘干→检测形状与尺寸

选用的h08a焊芯经表面油污清理后测得质量为40g，其化学成分见表3。药皮质量按40×1.5＝60g计算称重。由于b元素极易烧损和氧化，所以以硼铁合金粉的形式加入b元素，药皮配方参数见表3。

表2h08a化学成分

表3焊条药皮的配方

将各种粉状材料按配方要求的比例混在一起，轻轻搅拌至充分均匀，要求药粉颜色一致，无块状、粒状存在，逐渐加入适量水玻璃，轻轻进行搅拌成湿涂料即可。将湿混好的湿粉沿焊芯长度方向均匀涂在焊芯上，用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药皮逐渐均匀牢固地粘在焊芯上，焊条的一端留出20mm左右的无药皮端，非夹持端圳出焊芯，不要形成包头。自然晾干24h后进行烘焙，烘焙温度为350℃，时间1h。烘焙后磨头、磨尾。

具体手工搓制步骤如下：

1.将φ2.5h08a焊芯用砂纸打磨去锈、校直，并用天平称出焊丝重量。

2.参考表3设计的焊条配方，计算出焊条所需药皮总重量，为了防止搓制时药皮粘玻璃板，可留少许干粉，搓制后期逐渐将全部干粉搓制在焊条上；

3.干混：将称出的各种药粉放在研磨钵中混在一起，用研磨棒搅拌充分直至均匀为止，要求药粉颜色均匀一致，不能有块状、粒状等药粉聚集现象存在；

4.湿混：逐渐加入适量水玻璃并进行搅拌直至混合均匀干湿适中；

5.搓制：将制备好的湿粉沿焊芯长度方向均匀涂在焊芯上并用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药粉均匀牢固地粘在焊芯上，注意焊条的一端留出20mm左右的无药皮端，非夹持端露出焊芯，不能形成包头。

6.烘干：搓制好的焊条需要晾干24小时，再放入烘箱内烘干，烘干温度为350～400℃，烘干2小时。

7.检验：烘干后的焊条，需要磨头，检验质量，药皮要均匀、圆润不能有裂纹、剥落等现象。

本配方也可以用通用焊条涂压设备进行生产。

焊接工艺：采取手工电弧焊，堆焊层数三层

本发明利用硼元素能显著的提高钢铁材料的耐锌蚀性能。通过对手工电弧焊堆焊焊条药皮成分中硼含量的调整，改变堆焊焊接接头的显微组织及分布，焊接接头在锌液中长期浸泡下的腐蚀行为的变化，探索能满足热镀设备部件用钢的堆焊焊接要求，堆焊焊接工艺性能及力学性能良好的最佳成分配比的与热镀锌设备用钢配套的高b手工电弧焊堆焊焊条，对提高热镀锌设备部件的耐锌液腐蚀性能，提高热镀锌坩埚的使用寿命、减少成本、提高经济效益，均具有现实的意义。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。