（材料加工工程专业论文）e5015药皮原料粒径对其焊接工艺性能影响的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文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：彬日期：! p 蚋 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) ：乒如 导师( 签名) ：匆瓣期 刃肛乡口 l 捅要 本课题是在对e 5 0 1 5 焊条药皮配方充分调研的情况下而开展的，因为在 e 5 0 1 5 焊条中其力学性能较好，工艺性能较差一直是公认的观点。而工艺性能主 要是受焊条药皮成分的影响，故对基础配方药皮成分中的大理石和萤石在粒径和 相对含量上做了稍许的变动，并加入纳米材料进去，来研究工艺性能较原配方焊 条是否有所改善。 文中从两大部分入手，第一部分是对药皮原料中大理石粒径( 原料、球磨 4 8 h 、纳米粉料) 的改变和相对含量的改变来进行单因素分析，通过一系列试验 完成测试并评价其力学性能和工艺性能，看相对于原配方焊条的力学性能和工艺 性能是否有所改善。第二部分是在添加相对含量相同的的基础上改变药皮原料中 萤石的粒径，萤石粒径的改变主要是通过球磨时间( o h 、1 2 h 、2 4 h 、3 6 h 、4 8 h 、 7 2 h ) 的不同得到的，对萤石进行单因素分析，通过试验来评定改变萤石粒径后 的工艺性能和力学性能的改善情况。其中在第一和第二部分所进行的试验和评定 方式是相同。试验和评定的步骤依次是：粉料的准备、焊条的压涂、焊条外观的 检测、焊条药皮熔化温度的测试、汉诺威对焊条焊接电参数的测试、依据标准对 焊条进行工艺性能测试、熔敷金属扩散氢含量的测定、抗拉强度、冲击性能、断 口分析和化学成分分析等。 试验数据和评定结果表明：在大理石方面，随着大理石粒径越来越小，其 药皮熔化温度呈下降趋势，汉诺威电参数和工艺性能评定的综合结果均显示较原 配方在工艺性能上有很大的提升，力学性能均达标，扩散氢含量较原配方有所下 降。随着纳米大理石相对含量的增加，其药皮熔化温度呈上升趋势，工艺性能较 原配方先是明显的改善，当含量增加到一定时其工艺性能慢慢恶化，力学性能也 均达标，扩散氢含量较原配方增加，但均在国标范围之内。综合上述结果故可以 确定出工艺性能最优时的大理石粒径和相对含量，即在纳米大理石添加2 0 和 2 5 时其工艺性能和其他综合性能最好。在萤石方面，随着球磨时间梯度的变化， 试验数据表明药皮熔化温度是先上升后下降的，汉诺威的分析和机械行业标准的 评定结果是相吻合的，工艺性能中各项指标均是呈开口向下的抛物线趋势，即工 艺性能均有一个最佳值，力学性能也均达标。在萤石方面可以得出对萤石进行球 磨2 4 h ，添加的相对含量为1 0 0 时，其工艺性能和其他综合性能达到最优。 结果表明通过细化大理石和添加纳米大理石、细化萤石都对碱性焊条的焊 接工艺性能有很大的改善。 关键词：粒径，工艺性能，碱性焊条，纳米 a b s t r a c t i nv i e wo ft h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h ew o r s et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s i ne 5 0 15a n db a s e i n go ns u f f i c i e n ts u r v e yr e s e a r c hf o re 5 0 15c o a t i n gc o m p o n e n t s ， t h i sp r o j e c tw o u l db ec a r r i e do u t b e c a u s et h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw o u l db e a f f e c t e df r o mw e l d i n gr o d sc o a t i n gc o m p o n e n t st os o m ee x t e n t ，t h ep r o j e c tw o u l d r e s e a r c hw h e t h e ro rn o tt h ep r e s e n tt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e si sb e t t e rt h a no r i g i n a l w e l d i n gr o d st e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，t h r o u g ht h a n 季n gt h ec o n t e n to ff l u b r i t ea n d m a r b l ei nc o a t i n gc o m p o n e n t sa n di n j e c t i n gn a n o - m a r b l e p o w d e r t h ep r o j e c tw o u l db ec a r r i e do u tt h r o u g ht w op a r t s ，t h ef i s r tp a r tw o u l da n a l y s e t h ee f f e c tt h a tt h ec h a n g eo fm a r b l es i z ea n dc o n t e n ti nc o a t i n gc o m p o n e n t s ，s u c ha s o r i g i n a lm a r b l ep o w d e ra n db a l l - m i l l i n g4 8h o u r s m a r b l ep o w d e ra n dn a n o - m a r b l e p o w d e r , a n dr e s e a r c h i n gw h e t h e ro rn o tt h ep r e s e n tt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yi sb e t t e rt h a no r i g i n a lw e l d i n gr o d t h er e s e a r c ho ft e s ta n d e v a l u a t i o ni sa c c o m p l i s h e dt h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t si nt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y t h es e c o n dp a r tw o u l da n a l y s et h ee f f e c tt h a tt h ec h a n g eo f f l u b r i t es i z eb u tt h es a m ec o n t e n ti nc o a t i n gc o m p o n e n t s ，t h em e t h o d so fc h a n g i n go f f l u b r i t es i z ew o u l db eb a l l m i l l i n gf o rf l u b r i t ep o w d e ro h 12 h o u r s 2 4 h o u r s 3 6 h o u r s 4 8 h o u r s 7 2 h o u r sa n dr e s e a r c h i n gw h a h e ro rn o tt h ep r e s e n tt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yi sb e t t e rt h a no r i g i n a lw e l d i n gr o d a l le x p e r i m e n t sa n dt h e w a y o fe v a l u a t i o nw o u l db et h es a m ei nt h ef i s r ta n ds e c o n dp a r t ，t h es t e p so f e x p e r i m e n t sa n de v a l u a t i o nb yt u r n sw o u l db ep o w e r sp r e p a r a t i o n r o d sm a n u f a c t u r e a p p e a r a n c et e s t m e l t i n gp o i n tt e s t f o rc o a t i n gc o m p o n e n t s w e l d i n ge l e c t r i c a l p a r a m e t e rt e s t i nh a n o v e r i a n t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e st e s ti ns t a n d a r d d i f f u s i b l e h y d r o g e nt e s ti nd e p o s i t e dm e t a l t e n s i l es t r e n g t ht e s t i m p a c tp r o p e r t i e st e s t f r a c t u r e a n a l y s i st e s t c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i st e s te t c 1 1 1 er e s u l to ft e s td a t aa n de v a l u a t i o ni n d i c a t et h a tt h ec o a t i n gc o m p o n e n t s m e l t i n gp o i n tw o u l db ed e s c e n dw h e nn a n o - m a r b l es i z ew o u l db es m a l l e rt ot h e n a n o m a r b l ep a r t a n dt h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw o u l db eb e t t e rt h a no r i g i n a l w e l d i n gr o dt h r o u g ht h er e s u l to fe l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s ti nh a n o v e r i a na n d t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e ss y n t h e t i c a le v a l u a t i o n n o to n l yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y w o u l db eg o o db u ta l s ot h ec o n t e n to fd i f f u s i b l eh y d r o g e nw o u l db ed e s c e n dt h a n o r i g i n a lw e l d i n gr o d t h ec o a t i n gc o m p o n e n t sm e l t i n gp o i n tw o u l db ea s c e n d e dw h e n t h ec o n t e n to fn a n o m a r b l ep o w d e rw o u l db ea s c e n d e d a n dt h et e c h n o l o g i c a l i l p r o p e r t i e sw o u l db eb e t t e rt h a no r i g i n a lw d d i n gr o db u tt h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s w o d db ew o r s e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw o u l db eu pt ot h es t a n d a r d t h ec o n t e n to f d i f f u s i b l eh y d r o g e nw o u l db ea s c e n d e dt h a no r i 百n a lw e l d i n gr o di nt h es c o p eo f n a t i o n a ls t a n d a r d sw h e nt h ec o n t e n to fn a n o - m a r b l ep o w d e rg e to n es c o p e t h eb e s t s i z ea n dc o n t e n to fn a n o - m a r b l ep o w d e rw h e nt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw o u l d b ea s c e n d e dt h r o u g hc o m p o s i t er e s u l ta b o v e m e n t i o n e d t h eb e s tc o n t e n to f n a n o - m a r b l ep o w d e rw o d db e2 0 0 旷2 5 w h e nt h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n d c o m p o s i t ep r o p e r t i e sg e tt h eb e s t t h et e s td a t ai n d i c a t et h a tt h ec o a t i n gc o m p o n e n t s m e l t i n gp o i n tw o u l db ea s c e n d e df i r s t l y a n db ed e s c e n d e ds e c o n d e dw h e nt h e c h a n g i n go fb a l l - m i l l i n gh o u r si nf l u b r i t e t h er e s u l tr e a c ha na g r e e m e n ti nt h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s ti i ih a n o v e r i a na n dt h et e s to fn a t i o n a ls t a n d a r d s t h ee a c h i n d e x sw o u l db ep a r a b o l i cc u r v ee n d e n c ya n de a c ho fi n d e x sg e tt h eo p t i m u mr e s u l t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw o u l db eu pt ot h es t a n d a r d i nf l u b r i t ep a r t ，t h er e s u l tw o u l d b ec o n c l u d e dt h a tt h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p o s i t ep r o p e r t i e sg e tt h eb e s t w h e n b a l l m i l l i n g2 4 h o u r sa n dt h e10 0 o n t e n tf o rf l u b r i t ep o w e r t h er e s u l th a v ei n d i c a t e dt h a ti t sv e r yp r o f i t a b l et ot h ee n h a n c e m e n to ft h e t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e si ne 5 0 15r o d t h r o u g hr e f i n i n gm a r b l ea n df l u b r i t ep o w d e r a n dm i x i n gt h en a n o - m a r b l ep o w d e r k e yw o r d s ：p a r t i c l es i z e ，t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e ，b a s i ce l e c t r o d e ，n a n o m e t r e i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1 碱性焊条在手工电弧焊中的发展现状1 1 1 1 提高交流稳弧性的途径1 1 1 2 改进脱渣性的途径2 1 1 3 提高引弧的途径2 1 1 4 发展高效焊条的途径2 1 1 5 焊条降尘、降毒的途径2 1 2 纳米材料在焊接领域的应用发展。3 1 3 本课题研究的目的、意义4 第二章大理石粒径对e 5 0 1 5 焊条焊接工艺性能的影响及机理分析6 2 1 试验设计6 2 1 1 试验内容及技术方案7 2 2 试验焊条的制作一8 2 2 1 焊条制作前的准备8 2 2 2 焊条压涂过程一lo 2 2 3 焊条制作结果及分析。1 0 2 2 4 小结12 2 3 焊条外观质量检验及分析1 2 2 4 焊条药皮熔化温度区间测试1 3 2 4 1 药皮熔化温度区间测试原理及方法1 3 2 4 2 药皮熔化温度区间测试结果及分析1 5 2 4 3 小结1 6 2 5 汉诺威对e 5 0 1 5 型系列焊条电参数的测试1 6 2 5 1 汉诺威质量分析仪测试条件1 7 2 5 2 汉诺威质量分析仪测试结果及分析17 2 5 3 小结3 0 2 6 焊条工艺性能测试3 0 2 6 1 焊条焊接工艺评定1 31 2 6 2 焊条焊接工艺评定2 3 2 2 6 3 小结4 2 2 7 熔敷金属中扩散氢含量测试4 2 2 7 1 扩散氢试验4 2 2 7 2 结果及分析4 3 2 8 力学性能及化学成分分析4 5 2 8 1 力学性能测试及分析4 5 2 8 2 断口形貌观察及分析4 6 2 9 本章小结4 9 第三章萤石粒径对e 5 0 1 5 焊条焊接工艺性能的影响及机理分析5 0 3 1 试验设计5 0 3 2 焊条的制备5 1 3 2 1 焊芯选定5 1 3 2 1 粉料制备5 1 3 2 3 制备过程及后续外观检验5 3 3 3 药皮熔化温度区间测试5 3 3 3 1 实验方法一5 3 3 3 2 结果及分析。5 3 3 4 汉诺威测试实验5 4 3 4 1 实验方法5 4 3 4 2 结果及分析5 4 3 5 工艺性能测试5 6 3 5 1 电弧稳定性测试结果及分析。5 6 3 5 2 焊缝脱渣性测试结果及分析5 7 3 5 3 再引弧性能测试结果及分析5 8 3 5 4 焊接飞溅率测试结果及分析5 8 3 5 5 熔化系数测试结果及分析6 0 3 5 6 熔敷效率测试结果及分析一6 0 3 5 7 焊缝成型结果及分析6 1 3 5 8 小结6 1 3 6 熔敷金属中扩散氢含量测试结果及分析6 1 3 7 力学性能及化学成分分析6 2 3 7 1 力学性能测试及分析6 2 3 7 2 断口形貌观察及分析一6 4 3 8 本章小结6 5 3 8 1 结论6 5 v 3 8 2 展望6 6 第四章结论与展望6 7 4 1 结论6 7 4 2 不足及展望6 7 参考文献。6 9 致谢7 2 攻读硕士学位期间发表的文章7 3 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 碱性焊条在手工电弧焊中的发展现状 碱性焊条是药皮中含有大量碱性氧化物的焊条。由于熔渣的碱度高，对提高 焊缝韧性极为有利，故各种高强钢焊条、低温钢焊条均为碱性焊条。碱性焊条的 另一大优点是焊缝的扩散氢含量低，抗裂性能优良，故适于大刚性结构和厚板的 焊接。碱性焊条的不足之处是焊接工艺性能不如酸性焊条好，主要表现在焊波较 粗、焊道呈凸形，有的不适于交流电源，碱性焊条的再引弧性能一般都不好。由 于焊缝含氢量低，所以也称为碱性低氢型焊条。对承受动载荷或低温下使用的结 构，必须采用碱性低氢型焊条。另外，焊接中、高碳钢和高硫钢等难焊接的钢种， 也宜选用碱性焊条。随着工业技术的迅猛发展，高强钢的应用日益广泛，压力容 器、锅炉、船舶、重型机械等重要结构对焊缝的综合机械性能的要求日益提高， 这样对碱性焊条的利用率也日益增长。但由于碱性焊条的工艺性能差，使得其在 应用上受到很大的限制。 对e 5 0 1 5 、e 5 0 1 6 等低氢型药皮的焊条来说，主要是改进提高焊条的工艺 性能。目前，美国、日本和西欧等国家对于强度等级为4 9 0 5 9 0 m p a 低合金 钢焊条，限用直流的已很少，大多是交、直流两用，普遍用交流焊接。我国 的e 5 0 1 6 焊条的交流稳弧性尚有差距( 特别是立焊、仰焊时) ，脱渣性和再引 弧性能等，也需改进提高。除改进提高低氢型焊条的工艺性能外，对于低氢 低合金高强钢焊条来说，总的方向是向高效，超低氢、高韧性和低毒方向发 展。当前是通过以下途径来改进焊条的工艺性能的n ，2 ，9 l ： 1 1 1 提高交流稳弧性的途径 a 钾水玻璃作粘结剂或在药皮中加入墨c q ，k 的电离电位较低，用钾 水玻璃作粘结剂或在药皮中加入疋c 0 3 ，可降低电弧空间的有效电离势，有利 于电弧的稳定。但钾水玻璃的粘结性不如钠水玻璃，且易使涂料硬化，不利 于焊条的压涂，故一般用钾钠混合水玻璃。丘c 识的加入量不宜超过1 5 ， 否则药皮易吸潮并增大飞溅n 1 。 b 改进配方，加入1 0 2 0 的铁粉和少量铝镁合金，这将会提高电弧空间的 稳定，降低有效电离电位，有利于电弧的稳定燃烧。国外的一些交流低氢型 焊条，就是综合上述两项技术措施制造而成的。 武汉理工大学硕士学位论文 c 用m g f 2 代替c a f 2 ，用这种方法不仅可以明显地提高电弧稳定性，而且使 脱渣性、焊缝成形和抗气孔能力也得到了改善。 d 加入少量c s c o ，或铝粉，配方中加入少量c s c 0 3 ( o 1 1 ) 或铝粉 ( 0 5 3 ) 。 e 降低药皮熔点，适当降低药皮熔点，缩短药皮套筒的长度。 f 采用双层药皮，近年来瑞士、日本等国已开始生产和应用双层药皮低氢型 焊条。在用交流电源施焊时，具有优良的工艺性能和较高的熔敷效率，我国 有的焊条生产厂家也已引进了可生产双层药皮焊条的设备。 1 1 2 改进脱渣性的途径 a 提高熔渣的线膨胀系数，在通常的低氢型焊条配方中加入1 - - 1 0 的油页 岩或乃a 或各加0 5 一5 ，即可达到提高熔渣线膨胀系数，改善脱渣性的目 的。 b 形成松脆的多孔熔渣，一般低氢型焊条熔渣比较致密，在坡口内脱渣较为 困难，据有关试验表明，药皮配方中增大c a f 2 的加入量( 3 8 ) ，并以铝镁合 金为主要脱氧剂或加入1 2 3 0 的b a c 0 3 ，均可形成松脆多孔的熔渣，改善 脱渣性。 1 1 3 提高引弧的途径 一般低氢型焊条普遍存在引弧性较差和引弧处易产生气孔的问题。为解决此 问题，可采用对焊芯端部进行特殊加工，减少有效面积，提高电流密度；调 整药皮配方；采用管状焊芯制造焊条等，应指出：行之有效使用最为广泛的 方法是，在焊条引弧端涂制引弧剂。 1 1 4 发展高效焊条的途径 高效不仅是低氢型焊条的发展方向，也是其他各类型焊条发展的方向。发展 高效焊条的主要途径是发展高效铁粉焊条，提高熔敷效率和发展各种专用焊 条，如底层焊条、立向下焊条、管接头全位置向下焊条等。 1 1 5 焊条降尘、降毒的途径 a 降低氟石配比，降低低氢型焊条药皮中氟石的配比或采用其他氟化物代 2 武汉理工大学硕士学位论文 替；是降尘降毒的主要途径。 b 以镁代钾，在低氢型焊条药皮中，用镁代钾作稳弧剂，可有效地降低烟尘 的毒性。 c 降低钾钠水玻璃用量，采用各种办法尽量降低钾钠水玻璃用量，如采用低 浓度、低模数的水玻璃或用锂水玻璃或者其他类型粘结剂，全部或部分代替 钾钠水玻璃，可去得良好效果。 在低尘低毒焊条研制方面，日本处于领先地位，二十世纪六十年代日本 就已研制成功低尘焊条，如l b m 系列( 六十年代) ，z e r o d e 系列( 七十年代) ， 我国开展低尘焊条研究较晚，七十年代后期，高等院校，科研机构和焊条生 产厂家合作开展了低尘焊条的研究，并开发了低尘低毒碱性焊条，从早些时 候制定的卫生指标可以看出，我国低尘低毒焊条与日本的产品还有差距，还 有待于进一步加强这方面的工作。 1 2 纳米材料在焊接领域的应用发展 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围( 卜l o o n m ) 或 由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于1 0 1 0 0 个原子紧密排列在 一起的尺度。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米 材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、 磁学、光学、热学和化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电 子、冶金、宇航、化工、生物和医疗卫生等领域展现出广阔的应用前景。当 粒子尺寸进入纳米级时，具有量子尺寸效应，小尺寸效应、表面效应和宏观 量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、 磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景心3 钔。 纳米材料在焊接领域的应用还处于理论探讨和应用研究的初始阶段。 2 0 0 0 年，国外出现了在焊丝表面喷涂纳米乃d 涂层以代替传统镀铜气保护焊 实心焊丝的新技术。2 0 0 1 年，研究者根据国内外对纳米材料及纳米技术已经 取得的研究成果，针对纳米材料的体积效应和表面积效应性能，在热喷涂、 焊接保护、焊接材料以及焊剂中的纳米材料和纳米技术的应用前景做了初步 研究。2 0 0 3 年，赵秀娟、杨德新等在堆焊焊条d 7 0 7 药皮中添加纳米形一屁c 粉末，改善了堆焊焊条焊接工艺性，提高强化相均匀分布并优化焊缝性能的 试验。2 0 0 4 年，何柏林等结合纳米材料的特性，进一步阐述了其在钎焊材料、 焊接保护、热喷涂、电焊条、电极材料、焊接工艺和焊接结构中的应用。同 年，公开号为c n l 5 8 6 7 9 0 的专利“一种纳米焊条药皮配方”在公开说明书中 提出在焊条药皮中添加纳米材料，改善了焊条断弧、烟尘大等不足，但该说 3 武汉理工大学硕士学位论文 明书中没有给出实际案例。2 0 0 6 年，姚上卫在总结前人研究成果的基础之上， 根据纳米材料的特点，进一步探讨了纳米材料和纳米技术应用于传统焊接领 域的可能，为焊接学科的发展提供了新的发展方向和新的思路。2 0 0 7 年顾艳 玲燕等对e 4 3 0 3 电焊条中铁合金一中碳锰铁的颗粒度与电焊条各种性能的相关 性展开分析研究口3 - 钔。2 0 0 8 年，王爱华等通过碱性铁粉焊条药皮中添加不同 含量的纳米d ，粉体，对焊缝进行显微组织及力学性能分析测试，使得组织 细化，力学性能得到很大的提高。在焊接加工过程中，焊接材料的性能直接 影响焊接结构的质量。因此，提高焊接材料的性能是焊接工作者不懈努力的 方向。纳米材料作为近年来科学上的重大发现之一，已成为许多学科研究的 热点。目前，欧美等工业发达国家运用纳米技术制作的纳米焊条，已在众多 领域得到应用。 1 3 本课题研究的目的、意义 在保证e 5 0 1 5 焊条力学性能达标的基础上，通过实验研究药皮原料粒径对 e 5 0 1 5 焊接工艺性能的影响，进而选择合适的药皮组分粒径合适的添加比例，使 e 5 0 1 5 焊条在力学性能满足的情况下其焊接工艺性能得到改善，条件允许时可投 入到实际生产中，使其广泛应用。 低氢型焊条的特点是焊缝金属含氢量极低，焊缝金属的塑性，韧性极高，它 适合用于焊接各种重要的焊接结构和大多数的低合金钢。但与钛钙型焊条相比， 低氢型焊条的工艺性能较差。我们所说的焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作中 的性能。它是衡量焊条质量的重要指标之一。焊条的工艺性能主要包括：焊接电 弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化 速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等。 在焊条药皮中加入纳米材料，对焊接工艺有着很大的改善。先前工作者的研 究表明：随着纳米大理石相对含量的增加，焊接过程中产生的c o 也将增加，虽 然c o 的电离电位很高，但可以使药皮疏松易熔，不形成长的套筒，所以使得电 弧稳定性得以改善。添加适量的纳米材料能提高药皮反应速度，使熔渣和液态金 属冶金反应充分，可以大大提高焊条的熔敷效率，使焊接工作效率明显提升，并 能有效脱硫，脱氧，使得不污染工件，飞溅较小，焊缝光滑成型好。适量纳米材 料的添加将会使熔渣的宏观形貌成为少孔渣，渣壳内气孔少且尺寸小，焊后自动 翘起且成段的开裂，较之粗粉药皮，脱渣性明显改善。由于熔渣有好的覆盖性能， 添加纳米材料的焊条更适合全位置焊接。 而本课题就是立足于低氢型焊条的力学性能较好而工艺性能较差的特点而 4 武汉理工大学硕士学位论文 展开工作的，首先通过对药皮成分的分析，总结出药皮成分中某几种物质将会对 其工艺性能有着很大的影响。其次就这某几种重要物质展开颗粒度的分析，也就 是研究随着颗粒度的变化对焊接工艺性能有哪些影响。由于焊条的工艺性能主要 决定于焊条药皮的组成，所以我们对药皮中的某一两种物质的颗粒度和添加比例 进行改变时，届时焊条的焊接工艺性能( 电弧稳定性、焊缝脱渣性、再引弧性能、 焊接飞溅率、熔化系数、焊条熔敷效率等) 必将发生变化，选择合适的药皮组分 粒径合适的添加比例，使得此种焊条具有良好的工艺性能，为此种焊条的改进提 供有益的借鉴。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章大理石粒径对e 5 0 15 焊条焊接工艺性能的影 响及机理分析 2 1 试验设计 本课题试验焊条的药皮配方大致由大理石、萤石、石英、纯碱、低碳锰铁、 4 5 # 硅铁、钛铁、2 9 0 铁粉、海藻酸钠、c i v i c ( 羧甲基纤维素钠) 、钠水玻璃等组 成。各成分作用见表2 - 1 。 表2 - 1 焊条药皮材料的作用陆6 7 8 1 注：a - 主要作用；b 一附带作用 由于低氢型焊条的力学性能较好而工艺性能较差，同时焊条的工艺性能 主要决定于焊条药皮的组成，现在通过对药皮成分的分析，总结出大理石在 焊接过程中对工艺性能将起着至关重要的作用，而大理石在焊条中主要起造 渣，造气和稳弧的作用。故此，在原配方基础上对药皮中的大理石的颗粒度 和添加比例进行改变时，焊条的焊接工艺性能( 电弧稳定性、焊缝脱渣性、 再引弧性能、焊接飞溅率、熔化系数、焊条熔敷效率等) 必将发生变化，届 时通过多组焊条进行试验分析，从中筛选出焊条力学性能和工艺性能均为较 优异的焊条。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 试验内容及技术方案 2 1 1 1 试验内容 试验内容主要包括获得不同粒径的大理石并对其粒径进行观测确定其大小， 添加不同粒径相同含量的大理石到焊条药皮中和同粒径不同相对含量到焊条药 皮中去，对此系列焊条进行机械压涂评定，焊接工艺性能评定，以及力学性能评 定。 2 1 1 2 技术方案 选取不同粒径的大理石( 原料、球磨、纳米) 粉料，并控制球磨大理石和纳 米大理石在配方中的添加比例呈梯度变化，分别对此三类焊条进行压制。原料大 理石类焊条作为基准，球磨大理石类焊条作为条件过渡，纳米大理石类焊条主要 作为对比，全过程是对大理石粉料进行单一试验。通过测定焊条的机械压涂性能， 焊条药皮强度、焊条药皮耐潮性，焊条工艺性能，焊条力学性能以及熔敷金属的 化学成分等，对试验数据进行分析总结，可以从三类焊条众多组中筛选出焊接工 艺性能和力学性能均较好的焊条，同时可以确定此组焊条最佳的粒径大小和此粒 径下大理石最佳的添加比例量。具体步骤如下： ( 1 ) 试验设计及焊条的制备 对大理石原料用球磨机进行4 8 小时球磨并购买纳米大理石粉料，以改变原 药皮配方中大理石的粒径和添加比例为目的，进行三大类( 原料、球磨、纳米) 焊条的压制，整个焊条制作的主要流程为配粉、拌粉、压涂、磨头磨尾、烘焙等。 ( 2 ) 相关性能的测试与评定 a 在焊条压制过程中对机械压涂性能进行评定，可以从焊条药皮均匀度，偏 心度及表面光洁度进行焊条药皮压涂性能的评定。 b 依照标准，对焊条外观质量，焊条药皮强度以及焊条药皮耐潮性进行测 试和评定。 c g x 型一高温物性测试仪对所制备焊条的药皮进行熔化温度测试。 d 依照j b t 8 4 2 3 一1 9 9 6 进行焊条工艺性能的评定，评定项目包括电弧稳定 性、焊缝脱渣性、再引弧性能、焊接飞溅率、熔化系数、焊条熔敷效率等。 e 汉诺威对所压制的系列焊条依次进行电参数测试，包括电压概率密度分 布、电流概率密度分布、短路时间t 1 、燃弧时间t 2 、加权燃弧时间t 3 、电压和 电流均方差等，来客观评定焊接工艺性能。 f 依照国家标相关准进行力学性能评定，包括焊接接头冲击试验，焊缝及 熔敷金属拉伸试验。 g 依照g b 3 9 6 5 - 1 9 9 5 的具体要求，对熔敷金属进行扩散氢含量的测定。 7 武汉理工大学硕士学位论文 h 在尺寸为3 0 0 m m l o o m m x2 0 m m 的钢板上进行堆焊，对其进行熔敷金属化 学成分的测定。 2 2 试验焊条的制作 2 2 1 焊条制作前的准备 2 2 1 1 选定焊芯 选用低碳钢焊芯h 0 8 a ，直径为4 m m ，h 0 8 a 化学成分如下表2 2 所示： 表2 2h 0 8 a 焊芯化学成分啼6 7 氍耵 2 2 1 2 大理石粉料的准备 ( 1 ) 球磨大理石粉料的制备 原料大理石即为生产中所用的，纳米大理石为购买所得，球磨大理石是原 料大理石经过球磨机球磨所得。所用的球磨机型号为q m 一1 s p 行星式球磨机，采 用大中小式陶瓷球的比例为1 ：3 ：6 ，球与料重量比为1 ：1 ，转速为2 0 0 转分 钟的方式对原料大理石粉料进行球磨，总共球磨4 8 小时，并且每隔一小时进行 球磨换向转变。在球磨过程中，每隔2 小时进行开罐处理，看是否结块，若结块 则进行捣碎处理，若未结块则球磨继续进行，直到总时间结束。当球磨时间到达 规定的时间后，就全部取样，装入样品袋，贴上标签，为焊条的制备做好准备。 ( 2 ) 大理石粉料进行s e m 观察 采用s - 5 7 0 型扫描电子显微镜对粗粉大理石、球磨4 8 小时大理石、纳米 大理石进行观测，大理石原料、大理石原料球磨4 8 h 、购买的纳米大理石粉料 三者经过s e m 观察，形态如下图2 1 ( a ) ，2 - 2 ( b ) ，2 - 3 ( c ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 a 大理石原料x 4 0 0b 球磨4 8 h 大理石l kb 纳米大理石l o o k 图2 1 三种粉料粒径s e m 观察 由s e m 对三类粉料观察，可得出粗粉大理石、球磨4 8 小时大理石、纳米大 理石的粒径大致范围，上图可以确定三者粒径分别为3 5 0 0 n m 、4 3 6 n m 、5 5 n m 左右， 大理石粉料的粒径依次减小，随着粒径的逐渐减小大理石由细小的粒状变为明 显的团絮状。而压制试验焊条的对照表如下： 表2 3 添加不同比例和不同粒径大理石焊条制备设计表 焊条编号含义 添加粗粉大理石相对含量1 0 0 添加球磨4 8 h 大理石相对含量2 5 添加球磨4 8 h 大理石相对含量5 0 添加球磨4 8 h 大理石相对含量1 0 0 添加纳米大理石相对含量10 添加纳米大理石相对含量2 0 添加纳米大理石相对含量2 5 添加纳米大理石相对含量5 0 添加纳米大理石相对含量7 5 添加纳米大理石相对含量1 0 0 注：表中比例指的是不同粒径的大理石在配方大理石中所占的比例，粗粉指的 是原料，即a 1 为原配方焊条。 2 2 1 3 水玻璃的准备 焊条用水玻璃主要是使用液体水玻璃。纯净的液体水玻璃，应是无色透明的 液体。当含有少量悬浮物时，影响其透明度而呈混浊，常见的水玻璃溶液多呈青 灰色，黄绿色或微红色。同时模数是水玻璃性能的重要参数，对焊接制造工艺和 焊条性能有极大的影响，它不仅决定着水玻璃的粘结性能，而且对水玻璃的蒸发 速度及固化有很大的影响。而液体水玻璃的浓度，是由其中含水的多少来决定， 当加入水多时浓度低，粘性低。当然，液体水玻璃的浓度也与温度有关，当温度 升高时浓度会降低，温度低时浓度则会增大。而一般所讲的浓度是指2 0 时所 测定的浓度。由于水玻璃的这些特性，