（材料学专业论文）高强钢气体保护实芯焊丝性能改进.pdf

明 导师指导下进行的研究工作 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 含为获得武汉理工大学或其他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。 签名：拉羞娲日期：坦臣：! f ：兰习： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：枸若奸 导师( 签名) ： 日期) d 加r 乡o 的送丝不稳定、飞溅颗粒大等工艺性能进行改进，以满足用户需求， 发展。 程中存在 推动市场 本文简述了实芯焊丝的发展过程，国内外实芯焊丝的发展状况和研究进展 以及高强钢用实芯焊丝的使用现状。此外还介绍了国内外实芯焊丝的制造工艺， 分析了盘元体系中各合金成分对实芯焊丝送丝性能和飞溅颗粒的影响。初步确 定了改进的出发点。 根据强度理论以及改进前选用的原材料合金体系，确定了原材料合金体系 的选用；根据拉拔原理、钢丝拉拔后性能的变化以及实际生产中设备的分析确 定了波浪弯改进的具体措施；此外还讲述了退火参数对退火质量的影响，镀铜 过程常见的质量问题，镀铜配方液的优化方法以及镀铜层质量的评定方法，介 绍了正确的层绕包装方法。 本文通过对比改进前后不同原材料合金体系拉拔出的实芯焊丝飞溅颗粒的 大小以及数量的多少，验证了改进后所采用的原材料合金体系拉拔出的实芯焊 丝飞溅颗粒细小而且少。 通过对退火前原材料用荧光光谱分析化学成分，对金相组织进行观察，根 据d s c 确定h c l 、h c 3 的温度并且制定不同的退火工艺，通过比较不同退火工艺 后焊丝的抗拉强度和金相组织，确定利用再结晶退火工艺在加热温度7 0 0 ，加 热时间2 h ，保温时间4 h ，先空冷然后随炉冷却到3 0 0 出炉的热处理工艺下的 得到的焊丝的质量最好。通过试验分析不同c u 2 + 浓度、f e 2 + 浓度、镀铜温度对镀 铜层性能的影响，确定最佳的镀铜参数范围。最后比较改进前和利用改进后确 定的各种参数生产的高强度实芯焊丝的各种工艺性能进行比较，验证了改进后 高强度实芯焊丝的性能达到了预期的效果。 改进后实芯焊丝的总体效果：自动焊接时焊丝盘转动比较平稳，没有断弧 现象，电弧拉高时，电流变小，然后迅速还原；手工焊接时飞溅小；熔池成型好， 铁水流动性好，当干伸长变化时无明显感觉；镀铜后焊丝表面6 m m 棒缠绕无起 鳞，自身缠绕无起鳞，结合力良好；镀层颜色均匀一致；送丝阻力电流仅有 1 8 0 2 0 4 a 。 关键词：实芯焊丝送丝稳定飞溅盘元体系拉拔退火镀铜 f h i g h - i n t e n s i t yg a ss o l i dc o r e w i r ei nt h ep r o c e s so fu s i n gt h ee x i s t i n gw i r ei 邶t a b i l i t y , a n dl a r g ef l y i n gp a r t i c l e st o i m p r o v ep r o c e s sp e r f o r m a n c e t om e e tu s e rn e e d s ，a n dp r o m o t em a r k e td e v e l o p m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v d o p m e n to fs o l i dw i r e ，s o l i dw i r ea th o m ea n da b r o a d a n ds t u d yt h ed e v d o p m e n to fh i g hs t r e n g t hs t e e lw i mt h ep r o g r e s sa n ds t a t u so fs o l i d w i r e s i na d d i t i o n ，s o l i dw i r ep a p e ri n t r o d u c e st h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n a l y s i so f e a c hp l a t ee l e m e n ts y s t e ma l l o yw i r ef o rs o l i dw i r ea n dt h es p l a s ho ft h ep e r f o r m a n c e i n i t i a l l ys e tt h es t a r t i n gp o i n tf o ri m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h e o r ya n dt h es t r e n g t ho f t h er a wm a t e r i a l su s e dt oi m p r o v et h e f o r m e ra l l o ys y s t e mt od e t e r m i n et h es e l e c t i o no fr a wm a t e r i a l sa l l o ys y s t e m ；u n d e r t h ep r i n c i p l e so fd r a w i n g ，w i r ed r a w i n g ，a n da f t e rt h ec h a n g ei np e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fa c t u a lp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，b e n d i n gw a v e st od e t e r m i n et h es p e c i f i cm e a s u r e sf o r i m p r o v e m e n t ；a l s oa b o u tt h eq u a l i t yo fa n n e a l i n gp a r a m e t e r so nt h ea n n e a l i n ge f f e c t o ft h ec o m m o nq u a l i t yp r o b l e m sd u r i n gc o p p e r , c o p p e rp l a t i n gs o l u t i o no ft h e o p t i m i z a t i o nf o r m u l a t i o na n da s s e s s m e n to fq u a l i t yo ft h ec o p p e rl a y e r , l a y e r i n t r o d u c e do nt h ew i r ea r o u n dt h eq u a l i t yo fp a c k a g i n ga n dp a c k a g i n ga r o u n dt h e r i g h tl e v e lm e t h o d s t h i sp a p e rc o m p a r e st h ei m p r o v e ds y s t e mo fd i f f e r e n tr a wm a t e r i a l sa l l o ys o l i d w i r ep u l lp u l lo u to ft h ef l y i n gp a r t i c l es i z ea n dq u a n t i t ya n dv e r i f yt h a tt h ei m p r o v e d a l l o ys y s t e m ，t h er a w m a t e r i a l su s e di nt h es o l i dw i r ep u l lp u ns m a l lp a r t i c l e sa n dl e s s s p l a s h t h r o u g ht h e u s eo ff l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y b e f o r e a n n e a l i n gc h e m i c a l c o m p o s i t i o no f r a wm a t e r i a l s ，t oo b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt od s c ，a c l ， a t 3t e m p e r a t u r ea n df o rd i f f e r e n ta n n e a l i n gp r o c e s s ，a f t e rt h ea n n e a l i n gp r o c e s sb y c o m p a r i n gt h et e n s i l es t r e n g t ha n dm i e r o s t r u c t u r eo fw e l d i n gw i r e , r e c r y s t a l l i z a t i o n a n n e a l i n gp r o c e s su s e dt od e t e r m i n et h eh e a t i n gt e m p e r a t u r eo f7 0 0 ，h e a t i n gt i m e 2 h h o l d i n gt i m eo f 4 h ，t h ef i r s ta i r - c o o l e dw i t ht h e f u r n a c ea n dt h e nc o o l e dt o3 0 0 b a k e du n d e rt h eh e a tt r e a t m e n to ft h ew i r et og e tt h eb e s tq u a l i t y t h r o u g ha n a l y s i so f i i h i g h - i n t e n s i t yp e r f o r m a n c eo fs o l i dc o r ew i r et oa c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t i m p r o v e dt h e o v e r a l le f f e c t i v e n e s so fs o l i dw i r e ：w e l d i n gw i r ea u t o m a t i c a l l y r o t a t e st h er e l a t i v e l ys t a b l e , t h ep h e n o m e n o nd o e sn o tb r e a ka r c ，钿cp u l l e d ，t h e c u r r e n tb e c o m e ss m a l l e r , a n dt h e nq u i c k l yr e s t o r e d ，h a n dw e l d i n gs p l a s h ；p o o l f o r m i n gag o o d ，h o tm e t a lf l o ww e l l ，w h e nt h es t e me l o n g a t i o na n dn oa p p a r e n t c h a n g ei nf e e l i n g a f t e rt h es u r f a c eo fc o p p e rw i r ew o u n df r e ef r o m6 m m r o d ss c a l e s ， s e l f - w i n d i n gf r e ef r o ms c a l e s ，g o o da d h e s i o n ；c o a t i n gu n i f o r mc o l o r w i r er e s i s t a n c e c u r r e n to n l y1 8 0 2 0 4 a k e y w o r d s ：s o l i dw i r e ，w i r es t a b i l i t y ，s p l a s h ，d i s kc o m p o n e n ts y s t e m ，d r a w i n g ， a n n e a l i n g 、c o p p e rp l a t i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。 l 1 1 本课题研究背景1 1 1 1 钢材的发展1 1 1 2 实芯焊丝及其发展2 1 1 3 实芯焊丝的研究进展。2 1 1 4 高强钢用实芯焊丝3 1 2 实芯焊丝的基本原理3 1 2 1 实芯焊丝制造工艺。3 1 2 2 实芯焊丝盘元体系成分对焊丝性能的影响4 1 2 3 实芯焊丝送丝性能和飞溅的改善7 1 3 本课题的研究内容及意义。7 1 4 总结7 第二章高强钢气保实芯焊丝的性能改进设计研究9 2 1 实芯焊丝性能改进的设计原则。9 2 2 原材料合金体系的目标9 2 3 拉拔工装以及工艺的改进1 0 2 3 1 拉拔原理10 2 3 2 焊丝拉拔后的性能变化1 4 2 3 3 实芯焊丝拉拔工艺的改进措施1 5 2 4 退火工艺的研究1 6 2 4 1 强度理论1 6 2 4 2 退火理论17 2 4 3 退火工艺参数对焊丝送丝性能的影响2 0 2 5 镀铜工艺的研究2 l 2 5 1 实芯焊丝镀铜时出现的问题2 1 2 5 2 镀铜工艺的确定2 1 i v 2 5 3 常用的镀铜方法2 1 2 5 4 镀铜前处理2 3 2 5 5 化学镀铜液配方的优化2 4 2 5 6 镀铜试验的评定方法2 5 2 6 层绕和包装的质量要求2 7 2 8 本章小结2 7 第三章高强钢气保镀铜实芯焊丝试验分析及评定2 8 3 1 盘元体系焊接性能对比分析2 8 3 1 1 试验条件2 8 3 1 2 盘元体系对应焊接工艺性能比较2 8 3 2 退火工艺试验评定3 0 3 2 1 原材料成分及金相组织分析3l 3 2 2a c l 、a c 3 的温度确定3l 3 2 3 钢丝退火直径的确定3 2 3 2 4 退火工艺的制定3 3 3 2 5 试验设备3 3 3 2 6 试验结果分析3 4 3 3 镀铜工艺试验及评定3 7 3 3 1 试验材料3 7 3 3 2c u 2 + 浓度对镀铜层性能的影响3 7 3 3 3f e 2 + 浓度对镀铜层性能的影响4 0 3 3 4 镀铜温度对镀铜层性能的影响4 3 3 4 本章小结4 4 第四章高强钢镀铜实芯焊丝改进前后性能比较4 6 4 1 改进前高强度实芯焊丝工艺性能4 6 4 2 改进后高强度实芯焊丝工艺性能4 7 第五章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 1 致谢。 v v i 5 3 5 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题研究背景 1 1 1 钢材的发展 第一章绪论 材料是社会进步的标志，金属材料是社会文明的基础。金属材料有黑色金属 和有色金属。从总体来看，钢铁材料在整个金属材料中占有很大的比例，约占 世界金属材料的9 0 多，而且用量最大。钢铁材料能够占有如此大的比重是因为 钢铁材料具有优良的性能，能够满足大部分的需求。 钢材是国家建设必不可少的核心材料，应用广泛、种类繁多。由于钢材强度 高，质量轻，材质均匀，可视为各向同性，塑性和韧性都好，且因便于建筑造 型，外形美观，施工安装简便快捷，利于保证工程质量，检测方便，工期短， 相对所占建筑面积较小等一系列优点，已在各种工程建设中得到广泛应用。钢 结构从重型到轻型，从大型、大跨、大面积n d , 型、细小结构，从永久特种结 构到临时、一般建筑，呈两头双向发展的趋势。钢材是钢锭、钢坯或钢材通过 压力加工制成所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。根据断面形状的不同、 钢材一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类、为了便于组织钢材的生产、 订货供应和搞好经营管理工作，又分为重轨、轻轨、大型型钢、中型型钢、小 型型钢、钢材冷弯型钢，优质型钢、线材、中厚钢板、薄钢板、电工用硅钢片、 带钢、无缝钢管钢材、焊接钢管、金属制品等品种。钢是含碳量在0 0 4 一2 3 之间的铁碳合金( 以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金) 。为了保证 其韧性和塑性，含碳量一般不超过1 7 。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、 锰、硫、磷等。 随着社会的发展和人类的进步，对钢材的要求越来越高。传统的普通钢板 已经不能满足社会的需求，薄高强钢板的应用越来越多，在许多方面已经逐步 代替了普通钢。建筑行业采用高强钢是因为高强钢减少了焊材的消耗，提高了 效率，大大降低了制造成本，因而高强钢在建筑、船舶和海洋结构等领域得到 了广泛的应用。高强钢对于近些年冶金工业发展也有很重大的意义，目前能够 满足强度、塑性、韧性、成形性和焊接性要求，使低成本钢材年产量占世界结 构钢的1 0 左右【1 1 。面对薄高强钢应用的日益广泛，薄高强钢之间的连接又成 了一个新的问题，铆接高强钢在大型金属结构中是不现实的，我们就要研制相 应的高强钢实芯焊丝来解决高强钢的连接问题。药芯焊丝虽然也可用于薄高强 钢板的焊接，但是在焊接后会产生大量的熔渣，熔敷效率低，价格高。相应的 使用实芯焊丝就会减少这些问题。 1 1 2 实芯焊丝及其发展 焊丝分实芯焊丝和药芯焊丝两大类，实芯焊丝又分为气保焊丝和埋弧焊丝两 类。气保焊丝一般用c 0 2 气体或c o ：和a r 的混合气体保护，用于半自动、自动焊 接，所以通常被称为c 0 2 气体保护焊。 c 0 2 气体保护焊是一种具有历史性的高效焊接方法，具有效率高、成本低、 耗能低、变形小、范围广、以及焊后不需清渣、可以进行不同厚度工件的全位 置焊接，实现自动化生产比较容易等优点，所以在低碳钢、低合金钢等钢铁材 料的焊接中应用比较广泛，推动了机器人焊接在这一领域上的应用，成为焊接向 智能化、高效化发展的主导方向【2 1 。但是由于药芯焊丝生产成本高、焊接后熔渣 覆盖面积大、不容易脱渣、焊接不稳定等缺点，导致现在应用范围还比较窄， 发展实芯焊丝的要求越来越迫切。 在2 0 0 4 年以前，用于连接高强钢的实芯焊丝还不多，基本上还处于空白阶 段。2 0 0 4 - - - 2 0 0 6 年，在市面上出现的主要是5 5 公斤级和6 0 公斤级的高强度实 芯焊丝。到了2 0 0 8 年，5 5 公斤级和6 0 公斤级的高强度实芯焊丝已经不再流行， 2 0 0 8 - - 2 0 0 9 年，7 0 公斤级的高强度实芯焊丝已经发展为社会的主流。c 0 2 焊实 心焊丝的产生与发展推动了焊接质量的发展，使焊接质量向高效率、自动化、 低成本方向发展的的情景。从以上可见，高强度实芯焊丝的发展速度之快，我 们也要紧跟其步伐，适应时代之需要。 1 1 3 实芯焊丝的研究进展 我国c 0 2 气体保护焊实芯焊丝的研究开始于6 0 年代初，到8 0 年代得到迅 速发展并取得很大的进步。特别是近些年来气体保护焊实芯焊丝的发展较快， 现在全国生产气体保护焊实芯焊丝的企业有很多家，包括从德国、瑞典、加拿 大、日本等国及中国台湾地区引进各种生产设备很多套，自己研制的设备也有 很多套。2 0 0 6 年全国焊接材料生产总量约为三百多万吨，实芯焊丝产量约8 0 万 2 吨，大约占焊接材料生产总量的2 5 左右，据中国焊接协会统计，2 0 0 3 2 0 0 7 年国内气体保护实芯焊丝产量如图1 - 1 所示【2 1 。 图1 12 0 0 3 2 0 0 7 年国内气保护实芯焊丝产量 国外对实心焊丝主要从以下几个方面进行研刭3 】：通过向焊丝中添加不同 的合金元素来增加焊丝的品种，以适应不断出现的新型钢材的焊接；通过改 变焊丝的送丝性能来改善它的焊缝成型性能，相应的减小飞溅，得到送丝顺畅、 稳定，飞溅颗粒小的焊丝；为了减小环境污染，相应的研发非镀铜焊丝，减 小因为镀铜焊丝在烧焊过程中散发出的烟雾污染环境，伤害身体。 1 1 4 高强钢用实芯焊丝 近年来我国大型金属结构发展迅猛，越来越向高强度发展，在钢桥设计方 面，如果采用传统的普通钢，不仅增加钢材的用量，而且还不能达到所要求的 强度等级，所以在大跨度钢桥结构上就要选择用高强度钢来满足使用要求。 目前我国有关大型金属结构的焊接中多采用埋弧焊和c 0 2 气体保护焊实芯 焊丝。由于实芯焊丝具有良好的工艺性能，所以需求量日益增大。 1 2 实芯焊丝的基本原理 1 2 1 实芯焊丝制造工艺 c 0 2 气体保护实芯焊丝生产流程大致可以分为4 个部分，分别为：盘条前处 理拉拔、热处理、镀铜、层绕和包装。根据不同厂家，不同型号的焊丝的生产， 相应的实芯焊丝的制造流程有所差异，以前法国典型的实芯焊丝的生产工艺为： 盘条酸洗一清洗一机械去皮一第一次拉拔( 干) 一化学镀铜一磷化一第二次 3 踟 们 加 0 武汉理工大学硕士学位论文 拉拔( 干) 一除镀铜层( 强力脱脂) 二酸洗一化学镀铜一精拉( 干) 一缠绕一 包装入库【4 】。 国内品牌猴王的生产工艺流程为：盘条一机械去皮冲洗酸洗 冲洗中和烘干精拉拔退火镀前处理化学镀铜精 拉拔绕丝层绕包装【4 】。 国外生产工艺虽然采用了比较先进的酸洗去锈烘干设备，除锈比较彻底干 净，但是在镀铜过程中却采用了集中镀铜的方式，紧挨在一起的焊丝不能均匀 的镀铜，导致焊丝的铜层结合力和致密度不是很好。所以该镀铜工艺不能得到 很好的推广。国内生产工艺相对还比较落后，不仅热处理工艺氧化严重，浪费 原材料，给下道工序带来麻烦，同时镀铜工艺也同样采用集中镀铜，致使镀铜 层疏松，结合力差。 在整个生产工艺中，清洗是非常重要的，如果清洗不干净，就会有氧化皮 附着在钢丝表层，在镀铜过程中，会因为氧化皮的存在而使焊丝镀铜层不均匀， 结合不牢固。实芯焊丝镀铜层疏松，铜层结合力差，在焊接的过程，镀铜层就 会掉落而堵塞送丝软管，导致送丝不畅或者送不出丝。所以在生产镀铜实芯焊 丝时，每一个环节都是不容忽视的。 1 2 2 实芯焊丝盘元体系成分对焊丝性能的影响 实芯焊丝由钢丝经过一定的拉拔得到。c 、m n 、s i 、s 、p 是钢材中的基本 成分，c 具有脱氧作用，能够提高焊缝金属的强度。亚共析钢随含碳量的增加， p 数量增加，强度、硬度提高，塑性和韧性则下降。过共析钢除了p 的影响外， 出现了脆硬的二次渗碳体，当含碳量大于1 0 以后，二次渗碳体呈连续网状分 布，并且含碳量越高、网越厚，使钢的性能下降，脆性增大，引起钢材料的早 期断裂。同时，c 的含量变高时，在电弧附近c o 爆发，飞溅增多，因为脱氧过 剩，熔池的粘性和表面张力变高，导致缓和电弧力的屏障作用降低【5 】。因为进行 高强钢薄板焊接时，通常都是单层焊，所以不用考虑多层焊时由于再热导致的 强度降低。在添加量很少的情况下也能达到与母材同等以上的强度。但是如果c 的含量低于0 0 0 5 ，就只能够用于强度比较低的钢材，不能用于高强钢，所以 c 含量需要大于0 0 0 5 。 m n 是作为脱氧除硫的元素加入的。对有s i 和砧脱氧的钢材，m n 还可以 提高s i 和a l 的脱氧效果。同时m n 能够提高焊缝的强度，还可以提高实芯焊丝 4 武汉理工大学硕士学位论文 的电阻抗的作用。但是如果m n 得含量小于1 1 5 ，就只能适用于轻度级别比较 低的钢材，同时单位送给量的电流增大。m n 的含量也不能无限制的高，当m n 的含量超过1 6 5 时，因为脱氧过剩，导致缓和电弧力的屏障作用降低。 s i 能够保证焊缝的强度，还能够提高焊丝的电阻抗。还能够脱去有害元素 氧的影响，增大钢液的流动性，所以s i 是一种有益元素。当s i 含量低于0 3 0 时，焊缝强度就会降低，也只能用于低强度级别的钢。当s i 的含量大于1 2 0 ， 脱氧过剩，缓和电弧力的屏障作用降低。 s 是有害元素，它能够与f e 形成f e s ，分布在组织晶界处，在热加工时， 出现“热脆”的现象。但是在不需要热加工时，加入s 能够提高合金材料的切 削加工性能。同时s 还能够降低熔池的粘性和表面张力，从而使熔池容易获得 缓和电弧力的屏障作用。当s 的含量超过0 2 时，由于熔滴表面张力过小，使 熔滴无法保持球形，同时会由于短路过渡而增大飞溅。 p 是有害元素，因为在含c 量高的钢中，p 的存在会降低材料的塑性和韧性。 但是在含c 量低的钢中，p 可以提高钢的强度。 其他盘元体系相对于传统的盘元体系的不同点在于添加了不同的合金元 素。常添加的合金元素有：n i 、m o 、c r 、t i 、b 等。 合金元素在钢中的分布形态有四种，分别为： 1 )溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，以溶质的形式存在； 2 ) 形成强化相； 3 ) 以游离的形态存在； 4 )与钢中的常有传统元素c 、p 、s 等形成非金属夹杂物； 合金元素的加入一方面改变奥氏体的形成速度，另一方面还可以影响奥氏 体的晶粒大小。大多数合金元素( 钴、镍除外) 均能减缓奥氏体的形成速度 5 1 。 这是由于合金元素会降低碳的扩散系数，同时自身的扩散系数又远小于碳的原 因。合金钢加热时，要想获得比较均匀的、含足够数量的合金元素的奥氏体， 需要更高的加热温度和比较长的保温时间。另外一部分合金元素( 除锰、磷、 碳、氮外) 都能细化奥氏体晶体，但是细化作用的强弱程度不同。一些碳化物 形成元能够强烈阻止奥氏体晶粒长大，所以，含有这些元素的合金钢即使在较 高的温度下加热，也很容易获得细晶粒组织。中强碳化物形成元素钨、钼、铬 能阻止奥氏体晶粒长大的能力比较小，而非碳化物形成元素镍、硅、铜等只能 轻微阻止奥氏体晶粒长大。合金元素细化奥氏体晶粒的原因是因为它们与碳形 成很多细小而均匀分布的难熔化合物，分布在奥氏体晶界上，阻止奥氏体晶界 5 的迁移。锰明显促使晶粒长大，但在低碳钢中锰对晶粒有细化作用1 6 j 。 合金元素对钢在热处理状态下力学性能的影响也很大。退火状态下，合金 钢的基本相是铁素体和碳化物，它的强度主要取决于基体铁素体的强化程度。 如果合金元素的原子半径与铁的原子半径相差越大以及合金元素与铁素体的晶 格类型不同，对铁素体的强化效果就越显著，见图1 - 1 所示。镍( 面心立方) 、 锰( 复杂立方) 、硅( 金刚石型) 的强化作用比铬、钼、钨( 都为体心立方) 大。 由图1 2 可以看出，硅、锰含量低于1 时，既能强化铁素体，又不明显降低 韧性；但是当( s i ) 1 、0 3 ( c r ) ( 1 5 ) 时，在强化铁素体的同时， 降低韧性。镍溶入铁素体的量达到( 4 5 ) ，仍然既强化铁素体，同时又提高 其韧性嘲。 盘 王 鹤 瞄 m 吖l 1产 _ i | ，1 n i 一_ _ ，d 。吵 么二 - w 夕么多乡 厂 c r z r 一一 一一， 一 摇于铁索全中的合金元素的w t m e 婀 图卜2 合金元素对铁素体硬度的影响 _ 一 、 n i 、l、l， 坯| 、 磊| r l f 、 心 ，m n f 一 m o 弋 s i 弋 、v 2356j 蕾于铁索全中的金鱼元素的v ( m e y 图1 - 3 合金元素对铁素体韧性的影响 6 1 2 3 实芯焊丝送丝性能和飞溅的改善 高强度气体保护镀铜焊丝的生产过程主要是一个冷拉拔然后镀铜的过程， 而焊丝的性能很大程度上依赖于钢丝表面质量以及钢丝表面镀铜的质量。因此 改进高强度气体保护镀铜实芯焊丝要解决的主要问题就是在保证强度和经济效 益的条件下改进实芯焊丝的退火以及镀铜质量，使焊丝送丝稳定、飞溅减小。 达到焊丝的送丝稳定和飞溅减小可以从多个方面进行，其中最重要的是选择合 适的盘元体系、合理的退火工艺和适宜的镀铜工斟丌。 1 3 本课题的研究内容及意义 本课题针对实：卷焊丝的送丝不稳定、飞溅大等问题进行改进，研制出适合新 型结构材料尤其是薄高强钢板焊接的工艺性能良好的实芯焊丝。 本课题研究内容如下： ( 1 ) 研究焊丝化学成分以及合金体系对实芯焊丝飞溅和送丝性能的影响， 从而减小焊接飞溅，改善焊丝的送丝性能。 ( 2 ) 研究退火工艺以及焊丝强度对实芯焊丝送丝性能的影响，改善焊丝的 送丝性能。 ( 3 ) 研究酸洗质量对实芯焊丝镀铜结合力的影响，改进镀铜质量，改善送 丝的性能。 ( 4 ) 研究道线以及波浪弯对实芯焊丝的送丝性能影响，改善焊丝送丝性能。 ( 5 ) 研究镀铜层厚度以及镀铜结合力对实芯焊丝送丝性能影响，改善焊丝 送丝稳定性。 1 4 总结 本章详细论述了实芯焊丝的发展过程及国内外实芯焊丝的发展现状。我国 实芯焊丝的研制和应用起步较晚，但近十年来发展十分迅速，已占据一定的国 际市场，同时我国实芯焊丝的种类和质量与欧、美、日等发达国家还存在很大 的差距，缩小这种差距是我们焊接工作者的责任和义务。本章还综述了实芯焊 丝的生产方法，通过这些明确了实芯焊丝性能改进过程中可能遇到的各种问题 7 以及实芯焊丝应克服的关键问题。另外，本课题的研究内容和高强度气体保护 实芯焊丝的研究意义也在本章作了描述。 8 第二章高强钢气保实芯焊丝的性能改进设计研究 实芯焊丝性能改进的目标 实芯焊丝性能改进的设计一方面靠大量的理论基础，另一方面还要靠丰富 的经验，由于实芯焊丝在拉拔、清洗、退火、镀铜过程中存在很大的变动，所 以后者的作用是不可忽视的。综合大量的改进方法，实芯焊丝的性能改进应该 满足以下要求： ( 1 ) 焊丝表面光滑，线色均匀，不存在严重道线和黑斑，并且焊丝表面不 存在波浪弯。 ( 2 ) 焊丝镀铜均匀牢固，用缠绕法检查铜层结合力时，在4 0 倍放大镜下观 察不出现起鳞或剥离现象。 ( 3 ) 镀铜层厚度小于0 2 5 1 t t m 。 ( 4 ) 相同焊接规范及方法下，送丝性能改善后实芯焊丝，电弧稳定性能达 到或相当于一些知名品牌焊丝水平。 ( 5 ) 焊丝外观质量符合g b t 8 1 1 0 中对焊丝外观质量的要求。 2 2 原材料合金体系的选择 焊丝的抗拉强度值主要由两方面决定：一方面是焊丝的化学成分，另外一 方面是焊丝的制作工艺流程。焊丝的硬度也是通过抗拉强度值来衡量的，焊丝 的抗拉强度值越高，则焊丝越硬，反之则焊丝越软。采用高强度钢进行盘元， 能够得到抗拉强度比较高的焊丝，但是如果焊丝的抗拉强度过高，在焊接过程 中焊丝常在焊缝两侧摆动，使得焊接电弧不容易对中，不仅增加了操作难度且 出现焊缝宽窄不一、焊缝保护不良和电弧不稳等现象，且送丝过程中摩擦力大， 易磨损导电嘴；采用普通钢进行盘元时，得到的焊丝的抗拉强度值就会偏低， 如果焊丝的抗拉强度值过低，在焊接过程中送丝速度不均匀，出现步进式、跳 跃式送丝，甚至送不出丝，不能焊接。所以对于高强度气体保护镀铜实芯焊丝， 9 武汉理工大学硕士学位论文 要提高焊缝机械性能，得到适合焊接的实芯焊丝的强度，达到送丝稳定，首先 要选择合适的盘元体系。 在盘元体系中，c 、m n 、s i 是常规元素，在任何一种盘元体系中都是不可 少的，t i 、b 、v 在合金体系中的含量微乎其微，在比较性能时，可以不考虑这 三种元素带来的差异。而常用的强化元素主要有n i 、m o 、c r 等。 对于高强度气体保护镀铜实芯焊丝所用盘元来讲，要达到g b t 8 11 0e r 7 0 g 所要求的力学性能，必须在传统的c 、m n 、s i 、s 、p 体系中添加合金成分，以 得到有着不同强度等级的盘元合金体系。 目前国内用于生产e r 7 0 g 的盘元体系主要有n i m o 合金体系和c r - m o 合 金体系。这两种盘元合金体系生产出来的焊丝通过向焊缝中过渡合金元素，从 而达到提高焊缝机械性能的目的。而这两种合金体系在焊接工艺性能方面是不 同的。两种合金体系的具体化学成分见下表2 1 ： 表2 1 不同合金体系的化学成分 从上表可以看出，这两种盘元的主要区别在于m n 、n i 、m o 、c r 元素的含 量不同。钢中锰元素可以脱氧除硫，也可以溶入铁素体和渗碳体中提高钢热轧 后的硬度和强度，但是如果原材料的锰含量超过所要求的上限值，就会使强度、 硬度升高的同时塑性和韧性下降。硫通过形成硫化物夹杂对钢的力学性能发生 影响，同样硫的含量超过焊丝所要求的上限值时，就会使得钢中硫化物夹杂含 量增高，导致韧性下降，拉拔性能变坏。根据元素性质，在焊接过程中m n 在焊 丝端氧化，产生热量，促使焊丝熔化，同时焊接飞溅增大。 2 3 拉拔工装以及工艺的改进 2 3 1 拉拔原理 钢丝拉拔的目的主要是得到所需要的规格尺寸和规定的力学性能。拉拔是 1 0 在冷态下，利用产生塑性变形的压缩过程。 1 、塑性变形机理 拉拔是利用金属的塑性变形来实现的，金属的变形有两种：一种是弹性变 形，另一种是塑性变形。 由于焊丝具有塑性变形的能力，当穿入模孔后，受到拉力和模孔内壁的反 作用力( 压缩力) ，而产生塑性变形，塑性变形不仅能够改变金属材料的外形， 而且还能够改变金属材料的内部组织和性能。塑性变形对组织结构的影响主要 有：( 1 ) 显微组织的变化，随着塑性变形量的增加，金属的晶粒组织被拉长， 向小阻力方向发展，使金属材料在结构上出现纤维组织或带状组织。( 2 ) 金属 的塑性变形是通过位错的不断增加和运动实现的，所以塑性变形后，位错的密 度增加。( 3 ) 当塑性变形量很大时，多晶体变形前为任意趋向的各个晶体会逐 渐调整为一个方向，即发生形变结构【8 】。 塑性变形对焊丝性能的影响有：( 1 ) 塑性变形时还会产生残余应力，包括 宏观应力、微观内应力和点阵畸变应力，在这三种应力中，点阵畸变应力最为 显著，约占整个储存能的9 0 ，应力的存在将导致焊丝的扭曲变形( 例如波浪弯) 和应力腐蚀。( 2 ) 会使焊丝的耐蚀性下降，电阻增加。( 3 ) 在塑性变形进行时， 焊丝的强度、硬度、塑性和韧性都随着焊丝机械性能的变化而变化。变形程度 增加，强度硬度增加，塑性韧性下降。当焊丝拉拔到一定程度时就会出现呈波 浪状或弹簧状的严重扭曲变形，影响下一步的拉拔，甚至由于严重的扭曲变形 而在烧焊时无法正常送丝。图2 - 1 为焊丝钢皮的显微硬度随焊丝直径变化的示 意图。 葛 拿 置 鬣 堪 曩 辉篾直桎删t 图2 - 1焊丝钢皮显微硬度与焊丝直径的关系 2 、微观变形机：1 里 6 , 1 0 1 在实际应用中，绝大部分金属材料都是多晶体，多晶体是由许多晶粒组成， 武汉理工大学硕士学位论文 每个晶粒又是一个小单晶体。相邻的晶粒位向不同，交界面就是晶界。由于多 晶体内的晶粒之间存在晶界，所以塑性变形包括晶内变形和晶间变形两种。 ( 1 ) 晶内变形的主要方式为滑移和孪生。其中滑移变形占主导地位。 滑移是靠位错的运动来实现的。位错沿着滑移面滑移，当移动到晶体表面 时，就产生了大小等于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动 到晶体表面，便产生了图2 - 2 的高度大约1 0 0 0 个原子间距的滑移台阶。 揣磐带 徽搬襻耥蕊 图2 - 2 滑移带及滑移线示意图 宏观上，滑移是晶体在力( 临界切应力) 的作用下，晶体的一部分相对于另 一部分沿滑移面发生相对位移。一般滑移面试面间距最大的密排面，滑移方向 是原子最密排的方向。因为原子密度最大的滑移面对应的原子间距小，原子间 结合力强，但是滑移面间的距离大，晶面与晶面之间的结合力弱，滑移阻力小。 滑移后，大量的原子从一个稳定位置移到另一个稳定位置，发生宏观的塑性变 形。 一个晶胞一般都有多个滑移面，同时，每个滑移面的滑移方向也不是唯一 的。滑移系由一个滑移面和其上的一个滑移方向组成。滑移系多的金属相应的 比滑移系少的金属变形协调性好、塑性高，密排六方金属中，滑移方向比较稳 定。体心立方结构缺乏密排程度足够高的密排面，所以滑移面不太稳定。但是 体心立方金属滑移系较多所以比密排六方结构金属塑性好。但是其滑移面原子 密排程度不如面心立方，滑移方向的数目也少于面心立方，所以体心立方金属 不如面心立方金属韧性好。 孪生是冷塑性变形的另一种重要形式。孪生是发生在晶体内部的均匀切变 过程，在力( 切应力) 的作用下，晶体的一部分沿一定晶面( 孪晶面) 和一定 的晶向( 孪生方向) 相对于另一部分均匀的切变所产生的变形。变形后晶体的 变形部分与未变形部分以孪晶面为分界构成了晶面对称的位向关系，镜面两侧 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 晶体的相位方向发生了改变。 ( 2 ) 晶间变形的主要方式是晶粒之间的相互滑动和转动，如图2 - 3 所示， 当多晶体受力变形在晶界处产生的切应力能够克服晶粒间相对滑动的阻力时， 就会发生相对滑动。相互转动的发生是因为每个晶粒的位向都不一样，在变形 时，由于情况不同导致晶粒间产生力的相互作用。 j ， tp 图2 - 3 晶粒之间的滑动和转动 在冷变形条件下，晶内变形是主要的塑性变形形式，是因为晶界变形相对 于晶内变形困难一些，而且晶界变形容易引起晶界结构破坏，并且产生裂纹。 3 、焊丝的变形与模具的作用 焊丝的塑性变形是通过模具实现的。焊丝在拉拔过程中主要承受三种作用 力，即拉拔作用力，压缩力和摩擦力，如图2 - 4 所示。 图2 4 钢丝拉拔过程中变形力学图 f 一正作用力( 拉拔力、拉力)f o - 反作用力( 正压力) 卜摩擦力 拉拔过程中模具内的压缩应力是钢丝变形的主要因素。焊丝的拉拔过程受到 正作用力和反作用力( 拉伸和压缩) 两种作用，在被拉金属中形成三向应力状 态。 1 3 2 3 2 焊丝拉拔后的性能变化 钢丝拉拔过程中，晶粒与晶粒之间不但发生滑动位移，并且晶粒因拉力发 生伸长与回转，内层晶粒的轴线与拉伸方向平行，所以呈正椭圆形，外层晶粒 因受模具角度的限制，其轴线与拉伸方向不平行，并由于存在切应力和摩擦力 而阻碍钢丝前进，所以呈斜椭圆形并有落后倾向，从而造成附加应力，晶粒的 变形情况如图2 - 5 所示。 i 变形区入日平面一 乡脓 前靖不接触! 。一、vvvv 、j v 一卜( = ) = ) = ) = = ) _ 一 。一图2 5 晶粒的变形情况示意图 焊丝经过反复拉拔后，由于组织结构的变化，导致金属性能发生变化。主 要表现为加工硬化。加工硬化的变化主要与焊丝的化学成分，总变形量、变形 速度及模子的角度有关，与焊丝在每通过一道拉模前后的变形量无关。冷作硬 化的发生是由于反复拉拔后晶格歪扭晶粒变形产生内应力所导致，内应力增大 了焊丝的变形抗力，提高了强度而降低了塑性