低氢交流焊条焊接低钛脱氧途径研究 毕业论文.doc

毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 学院（系、部）： 材料工程学院 专 业： 材料成型及控制工程（焊接方向） 题 目： 低氢交流焊条焊接低钛脱氧途径研究 指导者： 评阅者： 2008 年 6 月 毕业设计说明书（论文）中文摘要目前，低氢交流焊条焊接由于脱氧及交流焊接电弧不稳定等问题，大都采用在药皮中加入10%左右的高钛脱氧方式进行配方设计。但高钛含量药皮导致成本过高，同时熔滴以颗粒状形式过渡，其工艺性能有待改善。本文针对该问题开展了低氢交流焊条低钛含量药皮配方设计及工艺性能、力学性能试验研究工作。研究工作表明，在低ti含量药皮前提下，采用高碱度药皮配合si、mn联合脱氧设计思路研制低钛低氢交流焊条,经实验室配方调试试验，可以获得和高ti药皮相当的冶金脱氧效果。低ti含量药皮焊条，可以通过另外添加低电离电压的ca、na等物质增加其焊接电弧的稳定性，达到和高ti含量药皮基本相当的低压交流稳弧性能。采用本设计方案研制的低氢交流焊条具有良好的工艺性能和力学性能并保持其原有的低氢特性，完全满足产品的技术性能指标要求，与市售sh506、nj506现行产品性能基本相当，熔滴过渡呈现较好的喷射过渡，工艺操作性能优于高ti焊条，其性价比优势明显，有着很好的经济效益和社会效益。关键词 低氢交流焊条 焊条药皮 冶金脱氧 熔渣 毕业设计说明书（论文）外文摘要title the study on low-titanium desoxydation of low-hydrogen alternating current electrode abstractat present,as existing problem of desoxydation and electric arc instability ,the low-hydrogen alternating current welding adopts the way to deoxidize in adding about 10% titanium into coating to make a ingredient design. however, the high content of titanium in coat causes high cost, simultaneously its droplet adopt the way of globular transfer and the operation performance should be improved. the subject make a ingredient design of low content of titanium in low-hydrogen alternating current electrode coat and start the study of operation performance and mechanical property for the problem. research shows that by debugging the ingredient design in laboratory, adopt the thinking of using high basicity coating associate with si, mn to deoxidize on the basis of adopting coating with low titanium can obtain metallurgical desoxydation effect as good as adopting coating with high titanium . adding other low-ionization voltage matter such as ca、na into low titanium coating can achieve the performance of low-voltage ac electric arc stability as high titanium coating.the low hydrogen ac electrode designed has a good operation performance and mechanical property and also maintain its original low hydrogen characteristics,fully meet the technical performance requirement of products, and its performance as good as sh506,nj506 saled in the market, and its droplet presents spray transfer so its operation performance is better than high titanium electrode, the advantage of its cost performance is obvious, so it has a very good economic and social benefit.keywords :low-hydrogen alternating current electrode electrode coating metallurgical desoxydation slag第iii页 目 录前 言1第一章 绪 论21.1钛铁在电弧焊接过程中的冶金作用21.2低氢交流焊条药皮降钛的可行性分析31.3 课题主要工作4第二章 低钛交流焊条配方设计及试制52.1低钛焊条药皮配方设计52.1.1总体设计方案52.1.2渣系的确定62.1.3原材料的选择72.2焊条实验室试制8第三章 试制焊条工艺评定试验113.1焊接工艺性能评定方法113.2工艺评定试验条件113.3工艺评定试验结果143.4药皮含水量测试15第四章 熔敷金属理化性能分析测试164.1熔敷金属化学成分分析164.2熔敷金属力学性能试验174.3金相显微组织分析184.4熔敷金属断口形貌分析20第五章 脱氧途径与焊条性价比的讨论235.1不同ti含量脱氧对焊条工艺性能的影响比较235.2不同ti含量脱氧对力学性能的影响比较245.3 不同ti含量脱氧对交流稳弧性能的影响比较255.4 不同ti含量脱氧的经济成本比较25第六章 结 论27致 谢28参考文献29第v页前 言第1页目前，重要的焊接结构均采用低氢型的焊接材料进行施焊，以抑制氢致裂纹诱发的脆性破坏事故。长期以来，国内低氢焊条发展主要以适合直流焊接用的低氢钠型e5015焊条和适合交直流两用的低氢钾型e5016焊条为主。近年来，随着国内焊条市场产品性价比竞争日趋激烈，在保证性能的前提下降低产品的制作成本，是焊接材料制造企业急迫关注的问题。考虑到电弧熔焊过程本质上是熔渣-气相-液态金属三相间交互作用的一复杂冶金过程，利用焊接冶金基本原理来有效控制有利冶金反应的反应方向及进行的限度，降低贵重原料的氧化烧损，以达到尽可能地减少造渣材料中昂贵材料组分所占比例的目的，是提高焊条产品性价比的有效途径。为此本毕业设计与南京林肯电气有限公司（原南京市电焊条厂）开展合作，以企业为试验研发基地，利用高校的微观分析技术，开展低氢交流焊条低钛脱氧途径的研究。e5016低氢钾型焊条适合交直流两用，应用中具有方便、灵活、节能等众多的优势，目前是该公司的主导产品。药皮配方的研制是该产品的核心技术，也是挖掘降低制造成本潜力的重要方面。根据公司提供的该产品技术经济指标，公司现行的交直流两用低氢钾型e5016焊条产品，药皮组成中钛铁含量为10%，而目前钛铁原料的市场售价日益高涨，已高达19490元/吨。若能用技术的方法将焊条药皮中钛铁含量由现行的10%降至4%的水平，每吨焊条将节约原料成本约200元。按每年生产5000吨计算，可直接节约制造成本100万元。这对目前国内焊条行业平均利润率仅为5%的焊条制造企业无疑是一笔可观的经济效益。同时降低药皮钛含量又可减少稀有贵重资源的消耗，扩大产品的利润空间，增强企业的市场竞争力。为此开展本课题的研究具有显著的技术经济效益。 第一章 绪 论1.1钛铁在电弧焊接过程中的冶金作用金属ti是一种化学性质极为活泼的元素，对o有很强的亲合力。在al、mg、mn、si等金属中与o的亲和力最大。由于其化学活性强，自然界很少有游离态的金属钛，属我国较为稀缺的贵重资源。国内焊接材料制造一般都采用含钛量在35%-45%的钛铁合金天然矿石加工成粉末后作为药皮原材料。在焊接电弧高温条件下，钛优先与电弧气氛中的氧结合成tio2从而进入熔渣被除掉。同时由于钛与氧有极强的亲和力，在焊接高温下已被氧化的金属铁，在有金属ti存在的条件下将被还原，即有如下的反应： ti+o2=tio2 (1-1)ti+feo=fe+tio2 (1-2)此即产生脱氧效果。上述反应由于受温度影响很大，因此反应可以向右，也可向左进行，这完全取决于反应所处的实际温度。而在焊接热循环过程中未被氧化的ti才正真过渡到焊缝金属中，使焊缝金属组织细化以保证足够的塑性和韧性。不过，实际焊接条件下金属ti向焊缝金属中过渡量几乎为零，ti在焊条电弧焊接过程中由药皮向焊缝的过渡系数仅为3-4%左右。从这点来看，利用焊条药皮中ti向焊缝金属过渡来细化组织性能是很有限的，在经济上也是不可取的。另一方面，金属钛在电弧高温下的电离电压十分低，只有6.81v，因此电弧气氛中的钛对维持电弧的稳定性又起到十分良好的作用。特别是在交流焊接条件下电源电压过零的瞬间，电弧的稳定燃烧只有靠热发射电子来满足电弧的稳定性。这就造成交流焊条药皮配方对金属钛具有较强的依赖性，才能较好地满足交流焊接电弧的稳定性和冶金脱氧效果。传统的低氢交流焊条药皮设计也就采用较高的钛含量来保证交流电压过零电弧的稳定性和冶金脱氧效果。根据公司已开展的降钛工艺试验，当药皮中的钛铁含量低于10%时，工艺性能就呈现明显的交流焊接电弧不稳定的现象，尤其是低电压焊接更为突出。同时焊缝金属的夹杂物数量也明显增加，表明脱氧效果不佳。由此可以看出，焊条药皮中降低钛铁含量的关键问题是要解决低钛条件下的脱氧及如何增加低压交流电弧的稳定性问题。1.2低氢交流焊条药皮降钛的可行性分析根据钛在焊接过程中冶金作用，降低焊条药皮中钛含量，必须针对钛在焊接过程中的主要作用，从焊接冶金作用原理角度寻找降钛后的补偿措施。根据焊接化学冶金原理，金属钛在电弧高温条件下的脱氧本质上是钛与氧的氧化还原反应。由于焊接过程是一非平衡的热过程，决定氧化还原反应的温度随时间和空间位置又是在不断变化的。根据美国麻省理工学院t.w.eagar教授及c.s.chai博士对焊接过程化学冶金反应进行的限度开展的热力学研究1-2，以及chai、eagar【3】对熔渣-金属间化学冶金反应前后合金元素的变化研究，合金元素在焊接过程中的氧化还原行为既可呈现正向向焊缝金属过渡增加的变化，也可呈现负向被氧化烧损减少的变化。通过不断改变化学冶金反应的成分条件，发现对某一确定成分的熔渣，存在一化学冶金反应前后合金元素无变化的中性点（neutral point）。这表明，焊接过程钢渣间的化学反应方向是在不断变化的，既可以是氧化反应方向，也可以是还原反应方向，中性点即是氧化-还原反应的转折点。分析上述学者对焊接化学冶金理论的研究报道，可以作出以下一些对降低药皮钛含量有益的技术设想。首先，钛在焊接冶金过程中必定存在一个化学冶金反应前后成分无明显变化的中性点，该中性点表明在焊条药皮中过多地增加钛含量实际上是以过高的成本来换取有限的性能改善。随着药皮中钛含量的增加，过渡到焊缝金属中的钛含量并不会成正比例的增加。因此中性点对应钛含量可能是焊条药皮中的最经济的钛含量，超过该含量意味着用高昂的成本代价来换取过低的冶金效果，这在技术经济上是不取的。其次，既然单一的金属钛在焊接冶金过程中的冶金脱氧效果在达到某一极限后，就呈衰减的态势，如果此时能引入其它一些冶金脱氧机制，在低钛的基础上应该是有可能满足冶金脱氧效果的。 为了探索解决低氢交流焊条药皮降钛后带来的电弧稳定性问题，考虑到电弧的稳定性本质上是如何保证焊接电弧区域产生足够的带点粒子问题，金属钛虽然电离电压低，但靠其电离产生的离子来维持电弧的稳定性在经济上是不提倡的。目前已经得到的与金属钛在高温下的电离电压大致相当的元素有k、na、ca、fe、al、mg等元素。能否电弧气氛中适当地增加低成本的易电离物质以取代价格高昂的金属钛，这在技术上是具有可行性的。1.3 课题主要工作 根据上述分析，将焊条药皮中的钛铁含量由10%降低到4%的程度，可根据焊接冶金原理，通过一系列配方调试试验，并进行工艺性能及力学性能的综合评定，探索低氢交流焊条低钛脱氧经济可行的最优途径，最终确定优化的药皮组成。为此本课题的主要工作有：1 焊条配方设计及制作；2 焊接工艺性能试验；3 熔敷金属化学成分分析；4 熔敷金属力学性能试验；5 熔敷金属金相分析和断口分析；6 试验结果综合分析讨论。第二章 低钛交流焊条配方设计及试制2.1低钛焊条药皮配方设计药皮的配方设计是焊条产品的核心技术，药皮配方在焊接过程中的冶金行为及形成的冶金保护效果，直接决定了焊条操作的工艺性能和形成焊缝金属的力学性能。药皮配方设计的任务即是综合考虑满足良好的工艺性能和力学性能并兼顾制造性能，在此基础上还须考虑制造成本，即在满足性能前提下，尽可能地运用低成本制造技术，使产品具备最佳的性价比。2.1.1总体设计方案 焊条药皮组成一般由造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂组成1根据焊条药皮为低氢型的要求，药皮组成中应采用不含结晶水的造渣原料。通常，碱性造渣材料基本都未含有结晶水，但酸性造渣材料容易吸附水并以结晶水的形式存在。由于结晶水的去除仅靠焊条使用前的300温度烘干是不能去除掉的，只有在温度达到800条件下方能将其去除。而适量的酸性造渣材料又是调节熔渣酸度，确保工艺性能必不可少的组成物质，这对焊接材料保持低氢特性具有不利的一面。为此精选不含结晶水的酸性造渣材料以保持低氢特性，是设计中需考虑的重要方面。 2 根据低氢焊条焊缝金属需具备高韧性的要求，焊缝金属中氧含量应控制在较低的水平，一般要求为300-400ppm含量。在焊条电弧焊条件下，熔敷金属的保护由渣-气联合保护来实现，其中熔渣对高温液态金属处于直接接触状态。高温氧化主要在熔渣和液态界面上进行，因此控制熔渣具备较高的碱度以弱化熔渣对金属的扩散氧化和沉淀氧化作用显得更为重要。增加熔渣碱度主要靠提高配方中碱性氧化物质cao比例来实现，cao可通过大理石（主要成分为caco3）在电弧高温的分解来保证。考虑到大理石是一种极为廉价的原料，现行市售价格仅为35元/吨。因此增加其在药皮中的比例有利于成本的降低。 3 为从冶金除氢的角度来进一步降低焊缝金属的氢含量，可在药皮中加入一定量的萤石（caf2）。根据冶金原理，萤石中f-在电弧高温下与h可结合成hf气体而逸出熔池金属。因此利用萤石的该作用可以达到冶金去氢的目的。本方案总体上对降氢采取一防而脱的技术控制措施。4 为实现低钛降成本的目的，针对钛在焊接过程中的冶金作用，采取控制药皮中的钛铁含量在4%的水平，利用钢焊芯中mn、si配合药皮中少量的硅铁、和锰铁合金，采用si-mn联合脱氧的方式，实现低钛条件下多元脱氧技术措施。由于熔渣碱度设计较高，si、mn 、ti等有益合金元素的烧损可以被减少，氧化还原反应的中性点可以维持在较低的水平上，进而达到与高钛相当的脱氧效果。在此条件下可最大限度地降低药皮中价格高昂金属元素所占的比例。同时为保持低钛条件下交流电弧的稳定性，焊条药皮中可适当添加含na的物质，利用na具有极低的高温电离电压来补偿降钛导致的带电粒子的减少问题。2.1.2渣系的确定根据总体设计方案，药皮渣系设计为cao-caf2-sio2-tio2系，该渣系以大量的cao、caf2为碱性造渣物质，辅以sio2、tio2酸性造渣物质调节液态熔渣的流动性，使其具有良好的工艺性能。为解决sio2附带的结晶水造成的焊缝增氢问题，原料选用经900高温煅烧的硅微粉原料，而不用常规带有结晶水的石英作原料，这样可以最大限度地降低焊接电弧区氢的来源。为保证熔渣具有足够的碱度，药皮配方中碱性造渣物质caco3+caf2的总量控制在60%以上，而酸性造渣物质sio2+ tio2控制在10%以下，这样可以保证熔渣的碱度控制在2左右的高碱度范围。为确保熔渣的脱渣性能良好，可在药皮组分中加入适量的zro2，利用形成熔渣后zro2低表面张力特性富集在钢-渣界面，凝固后形成线膨胀系数较大的渣壳来改善脱渣性能。试验中zro2是锆英砂的形式加入的。为提高交流焊接效率，并进一步改善焊条的电弧喷力，可在药皮中加入一定量的铁粉，利用铁粉在焊接电弧中释放一定的热量来增加电弧的喷力。目前市售铁粉有水雾化铁粉和还原铁粉两种供货状态。考虑到还原铁粉在制作上采用氢气还原其中的氧，因而铁粉中的氧含量比水雾化制作的铁粉更低。本焊条药皮中即选择这种低氧含量的还原铁粉。上述方案采用的主体原料价格较低廉、供货渠道有保障。si、mn合金元素的添加量在参考其过渡系数的前提下，采用根据试验结果校正的方法确定出最后的添加量。为使焊条能够制作，配方设计必须使其具有较好的压涂性能，即用水玻璃湿拌后，混合物料具有较好粘结性能，这样方可经油压挤压成焊条半成品。对于caco3+caf2含量较高的高碱度药粉，由于吸水性不好因而其压制性能都较差。为了增加其压涂性能，配方中采用羧甲基纤维素（简称 cmc）增塑剂来改善压涂性能。羧甲基纤维素的化学分子式为c6h7o2(oh)2ch2coonan，为一种高分子有机物质，吸水性极强。吸水后具有很强的粘结性能，加入高碱度的混合粉中搅拌均匀后即在颗粒物料表面形成一层粘性薄膜，该薄膜在压制时即可使物料具有很好的压制性能。关于有机物的加入是否会增加焊缝金属的焊氢量问题，设计中作了这样的考虑。根据资料手册提供的数据羧甲基纤维素的燃点只有200左右，这样焊条压制后还需经350的高温烘培，因此加入的羧甲基纤维素在焊条压制成型后经高温烘培即可燃烧碳化。因而药皮组成中的氢实际上已消失，因此焊接过程中不致造成焊缝金属的增氢。采用这样的增塑剂与传统的用纯碱作增塑剂相比焊缝金属的扩散氢含量将会控制得更低，这是因为药皮中过多的纯碱含量会增加焊条产品在使用前的吸潮性，这对控制焊缝金属氢含量是很不利的。而本设计配方中纯碱的量控制在0.4%的含量，仅利用其na元素在高温状态的低电离电压来达到提高交流焊接稳弧性的目的。2.1.3原材料的选择焊条药皮使用的原材料严格按相应的国家标准规定的成分进行筛选，并严格控制原材料的s、p含量及微量元素的含量。本实验中所用h08a焊芯化学成分见表2.1所示，公司提供的原材料成分满足表2.2的成分要求。 表2.1 h08a 焊芯化学成分（wt%）csimnpsnicrmo其他0.0870.0750.420.0210.0150.170.0120.20 表2.2 药皮原材料的化学成分要求药 粉 名 称化 学 成 分大理石caco397%; sio21.0%; s0.03%; p97%; sio22.0%; s0.03%; p98%; fe2o30.20%; s0.02%; p92%; s0.03%; p60%; sio232%; s0.03%;p0.09%钛铁ti:35-45%; si4.5%; al8.0%; s0.03%; p0.05%低碳锰铁mn:80-85%; c0.7%; si2.0%; s0.03%; p0.30%雾化硅铁si:40-47%; mn0.7%; cr0.5%; s0.02%; p98%; mn0.4%; si0.15%; c0.05%; s0.02%; p0.02%;氢损98%; nacl1.2%; fe2o30.2%2.2焊条实验室试制焊条药皮的配方设计过程中，在保持熔渣碱度、钛铁含量在前述水平的前提下，对变动组分采用正交设计方法设计出若干组的配比（见表2.3所示），然后在实验室制作成焊条供焊接工艺及焊缝力学性能评定用。根据工艺评定的结果筛选出较为合理的配方，在此基础进一步优化配比。将设计的配方在实验室用天平按2kg药粉称取各种物料按比例配制，经10分钟的干混均匀后加入模数为3.1，浓度为42be的钾钠水玻璃湿搅拌直至混合均匀并具有良好粘性物料。在实验室用25吨焊条压涂试验机（图2.1所示）压制成4mm半成品焊条（图2.2所示）。焊芯用成分满足表2.1要求的h08a焊接用钢丝，压制前将涂料放入料缸中，调整偏心在5%以内，待油压稳定后连续送进焊芯。压制好的焊条在铁刷砂轮上进行磨头磨尾，然后摆放在木架上室温自然晾干。经约10小时自然晾干后进行3501h的高温烘焙图2.1 焊条试制用试验机 图2.2 试制焊条便制得所需的焊条。将试制的焊条保存，工艺评定前考虑到焊条制作时虽经烘焙，但经过一定的保存期仍会有吸潮现象发生。为不影响评定结果，使用前应再经3001h的烘干。表2.3 设计试验配方(wt%)大理石caco3萤石caf2金红石tio2硅微粉sio2锆英砂zro2+sio2低碳锰铁mn+fe雾化硅铁si+fe钛铁ti+fecmc纯碱na2co3铁粉fe38243625.5640.80.41040223625.5640.80.41042203625.5640.80.41044183625.5640.80.41046163625.5640.80.41042201925.5640.80.41042202725.5640.80.41042203625.5640.80.41042204524.5740.80.41042204525.5640.80.41042204526.5540.80.410经过反复调试，本课题最终确定的药皮配方如表2.4所示。表2.4 确定的焊条药皮成分的组成（wt%） 大理石caco3萤石caf2金红石tio2硅微粉sio2锆英砂zro2+sio2低碳锰铁mn+fe雾化硅铁si+fe钛铁ti+fecmc纯碱na2co3铁粉fe42203625.5640.80.410第三章 试制焊条工艺评定试验3.1焊接工艺性能评定方法焊条的工艺性能主要指焊条操作使用性能，由于目前尚无法做到定量化，但在实际中又是用户十分敏感的问题，目前市场竞争对工艺操作性能要求也十分苛刻。本试验按照南京林肯电气有限公司焊条研发工艺操作性能的评定规则（见附录）采用10分制进行评定，工艺评定着重从以下几个方面由公司经验丰富的焊条产品专业评定师进行操作评定。评定过程中以公司现有的e5016焊条（牌号为nj506）和上海电焊条厂市售同类e5016焊条（牌号为sh506）产品为参照物进行对比试验。评定的内容包括：1电弧推力；2 熔池的清晰度；3 熔渣的流躺性；4 焊条小电流焊接抗粘条性；5 药皮的抗剥脱性；6 焊条的引弧性； 7 抗气孔敏感性；8 电弧的稳定性；9脱渣性；10 焊道的外观；11 飞溅大小； 焊条工艺评定时将试制焊条、公司现品nj506及上海电焊条厂市售产品sh506在完全相同的条件下焊接，分别就上述每一方面进行比较。3.2工艺评定试验条件采用交流焊机进行焊接，分别进行平焊和立焊两种位置，以考察焊条的全位置焊接操作性能。工艺评定用的焊接参数见表3.1所示。图3.1为工艺表3.1 焊接参数焊接位置焊条直径/mm电源种类电流/a电压/v焊缝层数平 焊4 交 流16025271立向上焊4交 角 焊4交 流16017025271图3.1 工艺性能评定焊接现场图评定的现场照片图。而图3.23.4为工艺试验试焊焊缝的部分照片图。根据工艺评定试验结果，总体来讲，本课题所试制的焊条在工艺性能上是完全满足市场要求的。针对产品操作过程中人们较为关注的脱渣性和焊缝成形问题，本次设计的焊条在这两方面与sh506和nj506相比，存在以下一些异同点。在三种焊接位置中，sh506焊条的脱渣性能均最好，本课题试制的焊条与nj506脱渣性能相当，也很优良。从图3.2中可以清晰地看出，平焊时，sh506焊接试板在移动过程中就有少许熔渣脱落，可见其脱渣性十分优良。以小锤锤击焊道旁的母材，根据熔渣脱落的程度可以知道，本课题试制的焊条和nj506脱渣相当，均为脱渣性能良好。同样，在立向上焊位置（见图3.3）、平角焊位置（见图3.4）各焊条的脱渣性能与上述平焊位置时类似。nj506sh506试制焊条试制焊条sh506nj506 a b图 3.2 平焊脱渣性及焊缝成形比较a脱渣性比较 b-焊缝成形比较nj506nj506 sh506sh506 试制焊条试制焊条 a b图 3.3 立向上焊脱渣性及焊缝成形比较a脱渣性比较 b-焊缝成形比较nj506nj506 sh506sh506 试制焊条试制焊条 a b图 3.4 平角焊脱渣性及焊缝成形比较a脱渣性比较 b-焊缝成形比较3.3工艺评定试验结果三种焊条的评定结果见表3.23.4表3.2 平焊位置焊条工艺性能比较比较项目nj506sh506试制焊条电弧喷力999熔池清晰度999流淌性98.59引弧性9.599抗气孔性999电弧稳定性9959脱渣性99.59焊缝成形8.599.5飞溅9.598.5表3.3 立向上焊位置焊条工艺性能比较比较项目nj506sh506试制焊条电弧喷力999熔池清晰度999流淌性999引弧性979抗气孔性979电弧稳定性999脱渣性999焊缝成形799.5飞溅979表3.4 平角焊位置焊条工艺性能比较比较项目nj506sh506试制焊条电弧喷力999熔池清晰度999流淌性999引弧性98.59抗气孔性999电弧稳定性999脱渣性9959焊缝成形8.5959飞溅799由以上评定结果可以看出，总体上讲，试制焊条各项工艺性能指标均能达到市场上现行的同类产品的水平，特别是交流焊接稳弧性方面基本上保持了高钛焊条相当的稳弧性能。考虑到目前sh506是国内低氢交流焊条中工艺性能处于领先的品牌产品，代表了国内同类产品的水平，因此焊条药皮配方设计在工艺操作方面与现行的同类产品是相当的。3.4药皮含水量测试为了检测试制焊条的低氢特性，对焊条药皮的含水量进行了测试。测试时将焊条进行3801小时的高温烘焙，然后在相对湿度为55%的大气中停放4小时，称得4小时药皮的增重量即可测出药皮吸收的水分，进而测出药皮的含水量。试验测得试制焊条药皮的含水量为0.2%。根据该产品的技术指标要求，在相对湿度80%的环境中停放4小时药皮含水量0.6%即可满足低氢焊条的技术要求。因此本试制的焊条的低氢特性是完全满足的。第四章 熔敷金属理化性能分析测试4.1熔敷金属化学成分分析 试制焊条经过工艺性能筛选后，需对熔敷金属化学成分进行分析。成分分析用803020mm的钢条，表面经砂轮打磨清理后在平焊位置进行堆焊5层，以确保不受母材稀释对熔敷金属成分的影响。每道焊缝的宽度控制在10mm左右,层间用水冷却约30秒，防止下一道焊缝由于过热导致合金元素的过度烧损而影响分析结果。但焊接下一道前，必须予以干燥并清除熔渣。试样焊接结束后用台钻钻取熔敷金属铁屑，但所钻深度不得超过堆焊层高度。对取出的熔敷金属铁屑用化学分析方法进行成分分析，确定出c、mn、si、s、p几个主要元素的含量。本试验的分析结果见表4.1所示。表 4.1 试制焊条熔敷金属的化学成分（wt%）化学成分元 素cmnsisp保证值0.121.60.750.0350.040实测值0.0670.900.390.0130.026从成分分析结果来看，熔敷金属化学成分均在产品技术标准的合格范围，与产品要求的保证值范围相比，成分变动尚有较大的空间，熔敷金属s、p控制在较低的水平。考虑到产品在实际焊接过程中熔敷金属化学成分一般会有一定的波动，因此焊条成分设计过程中需要对此作充分的考虑，即允许成分在一定范围内波动但又不至于超出保证值的范围，因此上述成分是较为理想的。成分分析结果表明，熔敷金属中mn/si比为2.3，根据国内外一些学者对低碳钢焊缝金属最佳合金元素配比的研究，mn/si比值在23时即为最佳比值。本试验结果除了完全满足产品的技术指标外，mn/si比刚好在这最佳比值中间。表明所选用的熔渣碱度及合金元素的添加量是能很好地相匹配的。4.2熔敷金属力学性能试验力学性能是低氢焊条用于重要钢结构焊接的基本条件，为此必须对试制焊条熔敷金属力学性能进行测试。试验时用尺寸为30011022的q235钢板加工成v型坡口，根部用钢条作垫板，经点焊牢固后即可进行焊接。焊接采用多层焊，严格控制焊接规范，层间温度控制在200左右。焊接结束后按国家标准gb228-76的规定取拉伸试样及冲击试样，试样的截取按图4.1取拉伸及冲击试样。冲击试样应取在焊缝中心部位，如图4.2所示。冲击试验时为验证冲击值的稳定性，可取5个冲击试样。试样取出后经加工制成，图 4.1 试样取样位置图4.2 冲击试样取样a- 焊缝中心， b-熔合线，c-热影响区 2mm，d-熔合线，e热影响区冲击试样开v型缺口，然后在万能拉伸试验机及冲击试验机上进行力学性能测试。冲击韧性的试验按产品技术要求需进行-30低温韧性试验，试验时用液氮将试样冷至所需的温度。表4.2为试制焊条熔敷金属力学性能测试结果。从力学性能的试验结果来看，屈服强度和抗拉强度均高于保证值50mpa左右，该强度值对于500mpa级的钢来讲是非常合适的。目前一些研究结果表明，焊缝金属的强度上限应有所控制，抗拉强度过高对焊接接头的安全运行并非是有益的，因为过高的强度带来刚度过大及塑性过低等问题，易导致裂纹的产生及扩展。从这一点来看，本焊接熔敷金属获得的540mpa抗拉强度是比较合适的。这同时也说明本焊条设计中添加的合金元素对焊缝金属的强化效果已足够了，并不需要过多贵重合金元素过渡进入焊缝金属来达到强化效果。反之如向焊缝金属过渡过多的合金元素，不但会增加成本，而且对焊缝金属的力学性能也不会带来益处。力学性能试验表明，熔敷金属-30低温冲击韧性高达131j，高出产品指标保证值104j，因此熔敷金属尚有很大的韧性储备。表 4.1试制焊条熔敷金属力学性能力 学 性 能力学指标s/mpab/mpa/%akv/j(-30)保 证 值4104902227实 测 值44554028.51314.3金相显微组织分析取冲击试样制成金相试样观察熔敷金属的显微组织，在05号金相砂纸上依次粗磨细磨后进行机械抛光（抛光粉为氧化铝），在抛光过程中注意以量少次数多，由中心向外扩展不断加入抛光微粉乳液以保持适当的湿度。抛光后用4%硝酸酒精对样品进行腐蚀。最后在金相显微镜下观察其显微组织。 图4.3为用金相显微境观察到的熔敷金属显微组织照片图。焊缝金属的 a b 图 4.3 焊缝金属金相组织图（400）a 焊缝1 b 焊缝2组织主要是铁素体加少量珠光体。片状与条状先共析铁素体沿柱状晶晶界分布。金相观察发现，焊缝金属中的夹杂物较少，焊缝金属较为纯净。这表明本设计焊条在焊接冶金过程中经过了较为充分的脱氧，由于本焊条设计为低ti配合mn、si联合多元化脱氧，可以使得脱氧后产物的酸性氧化物与碱性氧化物形成复合物而上浮于熔渣中，从而有效地避免了焊缝金属中夹杂物的存在。这在一定程度上表明试制焊条的脱氧效果是较为理想的，本设计方案可以有效地控制氧对焊缝金属的不良影响。 为了分析焊接接头中韧性较为薄弱的熔合区的显微组织，金相分析过程中对焊接接头熔合区及近临的母材金属的显微组织也作了比较分析。图4.4 a b图 4.4 熔合区金相组织图（400）a 熔合区1 b 熔合区2 a b图 4.5 母材金相组织图（400）a 母材1 b 母材2为力学性能试验所取的焊接接头熔合区的金相显微组织照片。而图4.5为相应的母材金属的金相显微组织照片。从熔合区金相组织和母材金相组织来看，熔合区虽然由于焊接过热呈现出组织长大的现象，但尚未表现出明显的魏氏组织特征。母材由于离热源相对较远，因而焊接过程中组织并未发生多少改变。组织表现为常规的铁素体加珠光体组织，具有良好的力学性能。熔合区虽然组织有所粗化，但与母材晶粒大小相比，粗化程度尚不明显。因此作为焊接接头的薄弱环节，组织的粗化对性能的损伤应该比其它焊接获得的焊接接头有所缓解。这可能得益于设计焊条的电弧喷力较大，因而焊接过程中电弧加热相对更集中，母材熔化速度加快而减少了电弧的热输入，使得熔合区的晶粒长大得到一定的控制。4.4熔敷金属断口形貌分析为进一步对设计焊条熔敷金属断裂的微观细节作深入分析，采用扫描电镜对拉伸试样的断口形貌进行观察。图4.6、图4.7分别是拉伸试样断口的低倍和高倍扫描电镜照片图。扫描电镜观察表明，断口表面色泽灰暗无金属光泽，断口中心深陷，表明断裂前发生了很大塑性变形量。高倍电镜观察进图4.6 拉伸试样宏观断口 图4.7 拉伸试样微观断口一步表明断口内壁表面布满密集的微坑，微坑大小相对较均匀，呈现出典型的韧窝形状。高倍电镜观察表明，断裂发生前，断裂面较均匀地发生了相当程度的塑性变形。局部微区发生脆性断裂的几率极为少见，整个断口几乎找不到具有脆性断裂特征的解理台阶、准解理形貌或冰糖状的沿晶断口形貌。因而可以保证熔敷金属具有理想的塑性和韧性。同时韧窝的心部往往是金属内部夹杂物或第二相残留的部位，从韧窝内部残留的夹杂物来看，夹杂物颗粒较为细小，没有过大的颗粒夹杂物，在整个断面上呈弥散的分布。对于韧性断裂来讲，裂纹一般起源于夹杂物处，粗颗粒的夹杂物将显著降低裂纹扩展所需的能量，而细颗粒的夹杂物对裂纹的扩展将比粗颗粒夹杂物消耗的能量更多。熔敷金属良好的塑性和韧性取决于焊接过程冶金净化程度及冷却过程中的组织转变。焊条电弧焊焊接过程熔敷金属的形成本质上是在电弧气氛条件下熔渣/液态金属交互作用的冶金净化过程，本设计焊条药皮采用了提高caco3+caf2总量，以保持熔渣高碱度的方法来实现冶金净化过程。caco3比例的提高增加了电弧气氛co2产生量，而co2又是氧化性的气氛，这对液态金属的氧化固然有不利的一面。然而焊条电弧焊是一种渣-气联合保护的焊接方法，焊条药皮一旦熔化，因其具有较小的表面张力便均匀地覆盖在液态金属表面，从而阻止了co2对液态金属的氧化作用。因此提高caco3在熔渣中的比例引起的co2产气量的增加不会导致液态金属氧化明显增强。反而，电弧气氛氧化性的增强有利于电弧气氛氢分压的减小，这对降低扩散氢是十分有利的。因此高碱度带来的氧化性气氛并不至于对熔敷金属的氧化带来过多的影响。但高碱度熔渣对液态金属的弱氧化性却是很明显的。因而本焊条设计采用的低ti配合mn、si脱氧在高碱度熔渣条件下完全可以达到传统高钛焊条同样的脱氧效果。焊缝金属良好的塑性和韧性另一方面还取决于组织转变特性。通常熔池金属的过热是焊缝组织性能劣化的一大原因，从焊条设计的工艺性能角度如能尽可能地提高电弧的喷射力，利用较强的电弧喷射力促进熔滴金属的快速过渡，同时增大电弧喷力又可提高熔池的熔化效率，缩短熔池金属过热的时间。本设计焊条药皮充分应用了这一特性。根据工艺试验结果，当药皮中caco3/caf2比值在2.1左右时，焊条熔滴的过渡将由原有的颗粒过渡转变为细颗粒过渡，此时电弧截面受到收缩，呈喷射状由焊条末端射向熔池内部，但此时焊接电流并未发生变化，因此电弧电流密度显著提高，产生较大的电弧喷射力。因此焊接过程中熔池金属的过热现象有所缓解。这对抑制晶界粗大的先共析铁素体的析出是十分有利的。目前众多的低碳钢焊缝断口分析研究普遍认为，焊缝二次组织中的先共析铁素体的长大是导致焊缝韧性恶化的主要原因。因此本焊条在工艺性能方面设计的喷射过渡对焊缝金属塑性和韧性的提高是有利的。 焊缝金属x-射线探伤进一步表明焊缝金属内部无缺陷，焊缝质量达射线探伤标准级要求，表明试制焊条焊接形成的焊缝完全满足检验要求。第五章 脱氧途径与焊条性价比的讨论5.1不同ti含量脱氧对焊条工艺性能的影响比较由于金属ti是目前焊接材料脱氧剂中脱氧能力最强的元素，采用高钛脱氧是较经典的交流焊条设计方法。该方法脱氧充分、可靠性大，这是其有利的一面。然而金属ti属稀有金属，其价格昂贵。本课题提出的采用低钛配合si、mn多元脱氧方案设计的焊条与南京林肯电气有限公司采用的含ti达10%的高钛焊条工艺性能比较，主要的差异在熔滴过渡形态方面。试制焊条熔滴过渡呈现喷射过渡，而公司的焊条则表现出颗粒过渡。分析这一原因可能是高钛脱氧焊条由于脱氧能力很强，熔滴在焊条端部刚一形成即与覆盖于表面熔渣中的ti相互作用发生脱氧反应，即发生如下系列反应： fe+o=feo (5-1) 2fe+sio2=2feo+si (5-2) ti+2feo=tio2+2fe (5-3)因此熔滴含氧量一开始就保持在较低的水平。由于氧是一种表面活性元素，对熔滴表面张力的降低有着重要的作用。过低的氧含量必然