（材料加工工程专业论文）不锈钢药芯焊丝的工艺质量及抗气孔性研究.pdf

摘要 摘要 2 0 0 0 年我国不锈钢的表观消费量约2 0 0 万吨，预计2 0 1 0 年表观消费量将 达8 0 0 多万吨，约为2 0 0 0 年的4 倍。不锈钢在工业领域中的强劲增势，必将带 动不锈钢焊材的增长。不锈钢药芯焊丝具有生产效率高、焊接质量好、综合成 本低等优点，近年来得到了大力发展，但其焊接工艺性仍存在一些问题，如脱 渣性、焊缝中压坑的敏感性和高温热裂性以及全位置焊的适应性等问题。因此， 研制一种焊接工艺优良、抗高温热裂性好的全位置不锈钢药芯焊丝，一直是近 年来国内外焊接工作者追求的目标。 本文从以下几方面对3 0 8 l 不锈钢药芯焊丝的工艺性能进行了较为全面、系统 的研究。 ( 1 ) 对含a 种添加剂的不锈钢药芯焊丝的脱渣性进行了研究。试验结果表 明，a 种添加剂对药芯焊丝具有明显的脱渣作用，但a 种添加剂对焊接接头的性 能影响很大，因而需对其进行严格控制，并找到了含a 量较少的一种配方且脱渣 性稍好；进而通过均匀化设计，对药芯焊丝的主要矿物元素进行深入研究。结果 表明，合理调整天然金红石、石英、氟化物、金属锰的比例可以解决含少量a 种 添加剂的不锈钢药芯焊丝的脱渣性问题。 ( 2 ) 使用汉诺威电弧质量分析仪对4 种不锈钢药芯焊丝的立焊性能进行了统 计分析。试验结果表明，瞬时电弧电压、电流信号的变化以及焊接电压、电流概 率密度分布( p p d ) ，短路时间频率n ( t 1 ) 分布( c f d ) 和它们的标准偏差，可 以准确、客观地反应出不锈钢药芯焊丝立焊的优劣性，并可实现立焊工艺( 电弧 稳定性、熔滴过渡、飞溅等) 的可视化和定量化，对药芯焊丝全位置性的配方优 化设计，具有指导意义。 ( 3 ) 对不锈钢焊丝熔覆金属中易产生气孔( 压坑) 的主要矿物元素、药粉含水 量等影响因素进行了研究。试验结果表明，合理调整矿物粉中的冰晶石、a i m g 合金、氟化物的含量以及调整烘干工艺都可以降低熔覆金属的气孔( 压坑) 倾 向，并对不同焊接工艺参数下熔覆金属中产生压坑倾向进行了研究，指出随焊 接参数的增大，气孔( 压坑) 率具有先减小后增大的趋势；随焊接速度增大， 气孔( 压坑) 率具有先增大后减小的趋势。 关键词不锈钢药芯焊丝；脱渣性；立焊；抗气孔性 a b s t r a c t a bs t r a c t i n2 0 0 0 ，t h ea p p a r e n tc o n s u m p t i o no fs t a i n l e s ss t e e li n0 1 1 1 c o u n t r yi sa b o u t2m i l l i o n t o n s ，a n di se s t i m a t e dt or e a c h8m i l l i o nt o n si n2 0 10 ，4t i m e st h a to f2 0 0 0 t h e s t a i n l e s ss t e e li ni n d u s t r yp r o d u c t i o ns h o w sg r e a tp o t e n t i a lt oi n c r e a s e ，a n dw i l l c e r t a i n l yd r i v et h eg r o w t ho fw e l d i n gm a t e r i a lo fs t a i n l e s ss t e e l s t a i n l e s ss t e e lf l u x c o r e dw i r e ( f c w ) h a v eh i g he f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，g o o dq u a l i t yo fw e l d i n g ，l o w c o s ta n ds oo n ，s oi th a sb e e nv i g o r o u s l yd e v e l o p i n gi nr e c e n ty e a r s h o w e v e r ，i t s p r o c e s so fw e l d i n gs t i l lh a v es o m ep r o b l e m s ，s u c ha sr e m o v a b i l i t yo fs l a g ，t h e s e n s i t i v i t yo fp o r o s i t y ( p r e s sp i t ) a n dh i g h t e m p e r a t u r ec r a c k i n gi nw e l dm e t a l ， w h i c ha r en o tc o m p l e t e l yr e s o l v e d t h e r e f o r e ，i nr e c e n ty e a r si th a dw a sb e i n gt h e g o a lf o rw e l dw o r k e r st h a ts t a i n l e s ss t e e lf c w h a v eg o o dp r o c e s so fw e l d i n g ， a n t i h i g ht e m p e a t u r ec a r c k i n g ，p r o p e r t yo f a l lp o s i t i o nw e l d i n gb em a d e t h ew e l d i n g p o r c e s s i n g o ff c wf o r3 0 8 ls t a i n l e s ss t e e l sw a ss t u d i e d c o m p r e h e n s i v e l yi nt h ef o l l o w i n gd i s s e r t a t i o n ( 1 ) t h es l a gd e t a c h a b i l i t yo ff c w f o rs t a i n l e s ss t e e l sc o n t a i n i n gaa d d i t i v e sw a s s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tas p e c i e so fa d d i t i v e sh a d o b v i o u s l ye f f c e to nf c wd e t a c h a b i l i t y , b u t i th a dg r e a ti n f l u e n c eo n t h e p r o p e r t yo fw e l d e dj o i n t s ，s oi tn e e d t os t r i c t l yc o n t r o l lt h ec o n t e n to fa d d i t i v e sa a n df i n daf o r m u l at h a th a v eal i t t l eo faa d d i t i o n ，b u tt h es l a gd e t a c h a b i l i t yo f f c ws t a i n l e s ss t e e l sw a sv e r yg o o d a n dt h o u g ht h ea d o p t i o no fu n i f o r m d e s i g n e d ，t h em a i n l yc o m p o s i t i o no fp o w d e rw i t hl o wa a d d i t i v ew a sp r o f o u n d l y s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ti tc a r ls o l v et h es l a gd e t a c b i l i t yo f s t a i n l e s ss t e e lf l u xc o r e dw i r ew i t l lal i t t l eo faa d d i t i v eb yr e a s o n a b l ea d o p t i n g t h er a t i oo fn a t u r a lr u t i l e ，q u a r t z ，f l u o r i d e ，m a n g a n e s e ( 2 ) t h ep a p e ru s e dh a n n o v e ra r ca n a l y z e rt oq u a n t i t a t i v ea n a l y et h ea r cv o l t a g e ， w e l d i n gc u r r e n to fv e r t i c a lw e l d i n gi nd i f f e r e n to ff o u rk i n d so fs t a i n l e s ss t e e l f l u xc o r e dw i r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fv e r t i c a lw e l d i n go fs t a i n l e s ss t e e lf c w w e r ea b l et oa c c u r a t e l y a n do b je c t i v e l ye v a l u a t eb yt h ec h a n g eo fi n s t a n ta r cv o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l ， a sw e l la st h ew a v e f o r mo fp r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ew e l d i n gv o l t a g e ， t h ew e l d i n gc u r r e n t ，c l a s sf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no ft h es h o r t c i r c u i t i n gt i m ea n d i 北京工业大学工学硕士学位论文 t l l e i rs t a l l d a r dd e v i a t i o n i ta l s oa c h i e v e dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no f t h ev e r t i c a lw e l d i n gp r o c e s s ( a r cs t a i l i t y , m e t a lt r a n s f e r , s p l a s ha n ds oo n ) f o r f c w , a n di th a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o ra l l - p o s i t i o nf l u xc o r e dw i r e f o r m u l a t i o nt oo p t i m i z ed e s i g no fw o r k ( 3 、) t h ef a c t o r ss u c ha st h em a jo rm i n e r a le l e m e n t so fp o w d e r ，t h ec o n t e n ta m o u n to f w a t e ri np o w d e re a s i l yl e a dt oh o l ep r e s s u r ew e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w e dt h a ti tc o u l dr e d u c et h et e n d e n c yo fp o r o s i t y ( p r e s sp i t ) i nw e l dm e t a lb y a d j u s t i n gt h ec o n t e n to fc r y o l i t e ，a 1 - m ga l l o y , f l u o r i d ei np o w d e ra n d t h ed r y i n g p r o c e s s t h ee f f e c to fd i f f e r e n t w e l dp a r a m e t e rc o n d u c tt h et e n d e n c yo f p o r o s i t y ( p r e s sp i t ) i nw e l dm e t a lw a sa l s o s t u d i e d i tf o u n dt h a tt h er a t i oo f p o r o s i t y ( p r e s sp i t ) f i r s td e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o f w e l d i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h e r a t i oo fp o r o s i t y ( p r e s sp i t ) f i r s tr a i s e da n dt h e d o w n t r e n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fw e l d i n gs p e e d k e yw o r d s f l u xc o r e cw i r ef o rs t a i n l e s ss t e e ls l a gd e t a c h a b i l i t y ；v e a i c a lw e l d i n g ； a n t i p o r o s i t y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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：量避 日期：! 刍：! ：三! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：l 耋区r 一导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 不锈钢产业的发展现状 不锈钢是指铬含量大于1 2 的钢种。自1 9 1 2 年发明以来，由于其自身具有 优良的耐腐蚀性能和表面美观等特点而得到迅猛发展。从1 9 5 3 年到2 0 0 3 年世 界不锈钢产量年增长率达6 ，而普通钢产量年增长率仅为2 9 ，在此期间， 不锈钢产量平均每十年增长一倍。特别是近1 0 年来世界不锈钢产业获得加速发 展，2 0 0 4 年世界不锈钢钢锭产量为2 4 6 0 万吨，比2 0 0 3 年增加了1 4 ，而2 0 0 6 年达到2 8 4 0 万吨，虽2 0 0 7 ，2 0 0 8 年受世界金融危机影响，年产量有所下滑， 但预计2 0 1 0 年可望达到3 5 0 0 万吨【1 1 。世界部分地区不锈钢生产的年产量如表 1 1 所示，从世界各主要不锈钢生产国来看，日本和美国这两个不锈钢原钢生产 大国在最近6 年里几乎没有增加，而欧洲联盟地区在这期间不锈钢原钢产量年 增长率为3 6 ，当今世界不锈钢原钢产量增加最快的是除日本之外的亚洲地 区，中国、韩国、中国台湾、印度等国家和地区的发展速度最快。 表1 - 1 近年世界部分不锈钢生产国的年产量( 万吨) 1 t a b l e 1 1a n n u a lo u t p u to fs t a i n l e s ss t e e dt h e sy e a r si ns o m ep a r t so ft h ew o r l d 我国不锈钢的生产虽然起步于2 0 世纪5 0 年代初，但发展缓慢。1 9 8 5 年 1 9 9 9 年我国不锈钢产量一直在2 0 , - - 一3 0 万吨之间徘徊，不锈钢的需求主要是以 工业和国防尖端科技为主。2 0 0 0 年以后，随着我国经济的快速增长，不锈钢 市场开始发展迅速，主要表现为表观消费量快速增长。2 0 0 0 年2 0 0 3 年间我国 不锈钢表观消费量的增速都保持在3 0 以上，但从2 0 0 3 年开始，我国不锈钢 消费增速放缓，2 0 0 4 年增速为6 4 ，2 0 0 5 年增速为1 6 8 。这表明：不锈钢 具有寿命长的特点，其消费具有阶段性，现在我国城市人口阶段性消费到了相 对稳定的水平。从数量上来看，2 0 0 5 年我国不锈钢表观消费量达到5 2 2 万吨， 北京工业大学工学硕士学位论文 是1 9 9 8 年的6 倍。虽然我国从2 0 0 8 年下半年来受世界金融危机的影响，不锈 钢产量比2 0 0 7 年下降4 左右，但我国政府实行积极的财政政策和稳健的货币 政策，扩大内需和完善国内基础设施建设，预计到2 0 1 0 年，我国不锈钢需求量 约为8 4 0 万吨【2 】，其中铬镍奥氏体不锈钢的消费量占不锈钢消费量的7 5 8 0 。国内不锈钢年产量和表观消费量情况如图1 1 所示。 中国不锈钢市场 图1 - 1 历年国内不锈钢年产量和表观消费量情况【2 】 f i g 1 1d o m e s t i cs t a i n l e s ss t e e lp m d u c f i o na n da p p a r e n tc o m s u m p t i o n 现在我国正处于全国城镇化建设时期，不锈钢现已广泛用于石油、化工、轻 工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。但 由于国际市场金属镍急剧短缺，其价格大幅上涨，为了降低不锈钢生产成本，适 应未来社会经济的发展，各种铬系不锈钢和低镍不锈钢等品种大量增长。同时随 着海洋开发、军事航空以及石油化工工业的迅猛发展，对不锈钢提出了更高的要 求，这样促使不锈钢材料向功能性和特殊性方向发展，出现了各种环保型不锈钢、 高氮合金化不锈钢以及各种超级不锈钢和抗菌不锈钢等特殊钢种。 1 2 国内外不锈钢焊接的研究进展 随着我国不锈钢消费量的快速增长，必将带动不锈钢焊材的用量也随之增 加，但目前国内主要以焊接3 0 4 、3 0 9 、3 1 6 等奥氏体不锈钢类型为主。图1 - 2 是历年不锈钢消耗量和不锈钢焊材产量的对比副引，从图中可以看出，不锈钢 焊材随不锈钢消费量的增长而快速增长，2 0 0 1 年我国共消耗不锈钢焊材约1 5 万吨，而2 0 0 5 年消耗的不锈钢焊条和焊丝约4 5 万吨，是2 0 0 1 年的3 倍，2 0 0 8 年消耗不锈钢焊材量约6 万吨，说明近年来我国不锈钢焊材的用量增速很快， 2 第1 章绪论 ! i i i m i i 。皇詈鼍詈皇皇皇! 皇! 曼曼皇! 曼! ! 鼍詈曼罡曼! 曼皇! ! ! ! 曼皇皇曼! 量! 曼曼 预计至2 0 1 0 年将达到7 8 万吨f 4 1 。 年份 图1 2 历年国内不锈钢年消费量和不锈钢焊材产量对比图【3 】 f i g 1 2c o m p a r i s o no fc o m s u m p t i o na n dw e l d i n gm a t e r i a l so fd o m e s t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 2 1 不锈钢焊接材料的研究进展 ( 1 ) 不锈钢焊条的研究进展 表1 2 三种不同类型的不锈钢焊条性能对比 t a b l el - 2c o m p a r eo fc h a r a c t e r sa b o u tt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d e s 国外不锈钢的工业化生产始于二十年代初期，随后出现相应的不锈钢焊条， 成熟的不锈钢焊条产品出现于1 9 6 5 年左右，以欧洲国家为代表，尤其是西欧的 詈一rv埘k荽驮器蝰k 雪rv螂牝器峪恃 北京工业大学工学硕士学位论文 瑞典，集中出现了伊萨( e s a b ) 、阿维斯塔( a v e s t a ) 和山特维克( s a n d v i k ) 等世界级不锈钢焊材生产企业。日本、台湾及东南亚国家的不锈钢焊条也得到 很大发展，但基本上都属于钛酸型配方体系。 五十年代初期，根据苏联的不锈钢焊条配方，我国开始研制和生产不锈钢 焊条，其特点具有成本低、易压涂，抗气孔和机械性能好等优点，但与欧洲同 类品牌相比焊条易发红、飞溅大、脱渣及成形差、焊接效率低、浪费大等缺点。 因此自七十年代中期至八十年代前期，国内一些科研院校与焊条生产企业合作， 就不锈钢焊条的这些缺点进行了研究，如哈焊所与天津电焊条厂、甘肃工大与 兰洲长虹电焊条厂、太原工学院与山西机床等，直至二十世纪末期，不锈钢焊 条的设计理论才取得了重大突破。现在生产的不锈钢焊条主要有以下三种：钛 钙偏碱型、钛酸型、介于钛酸型和钛钙型配方之间的焊条，这三种焊条的工艺 性能和力学性能如表1 2 所示【5 j ，其中第三种焊条比较适合我国国情，尤其是在 一些不按规范进行焊接的场合。 近几年，随着我国造船行业与韩国、日本一同跻身为世界造船三甲之列。 我国不锈钢船建造技术也日趋成熟，双相不锈钢化学品船与液化天燃气船、液 化石油气船等同属于高技术含量、高附加值的特种船舶，市场前景应用广阔。 先前国际上只有美国、挪威、澳大利亚、日本及韩国等少数国家可以生产，而 现在我国天津大桥焊材公司生产的t h a f 2 2 0 9 焊条己用于焊接这种s a f 2 2 0 5 双 相不锈钢，同时生产出的t h a l 0 2 、t h a 0 2 2 焊条也用于焊接石化行业所用的 3 4 0 l 、3 1 6 l 等低碳奥氏体不锈钢。这些焊条的研制成功，标志着我国的不锈钢 焊条有了飞速发展，基本接近或达到国际先进水平。 ( 2 ) 不锈钢药芯焊丝的研究进展 表1 - 3 不锈钢焊材的各种性能对比【0 1 t a b l e1 - 3c o m p a r i s o no fp r o p e r t yo fs t a i n l e s ss t e e lw e l d i n g 4 第1 章绪论 表1 3 1 6 j 是不锈钢药芯焊丝与不锈钢焊条和实心焊丝焊接的工艺性能对比。 由表可看出，不锈钢药芯焊丝具有生产效率高，焊接质量好、焊接成本低等特 点，因而近年来得到快速发展。早在四、五十年前，美国就有药芯焊丝应用于 焊接不锈钢的专利报道，当时采用e 1 ) 2 o m m 的粗直径不锈钢药芯焊丝焊接厚 不锈钢板，主要用于平焊或平角焊，因而应用受到极大限制。八十年代初期， 日本从配方设计、制造工艺、焊接冶金和电弧物理等方面开始全面研究细径不 锈钢药芯焊丝，终于研制成功了1 0 0 c 0 2 保护的细径不锈钢药芯焊丝 ( 哒1 6 r a m ) ，而且可实现全位置焊接。细径不锈钢药芯焊丝的出现，把不锈 钢药芯焊丝的应用推向高潮，图1 3 是日本不锈钢焊接用各种焊接材料历年产 量的统计情况，可见日本从8 0 年代中期，不锈钢药芯焊丝的产量就开始迅速增 长，到1 9 9 5 年其产量就已高达5 3 8 4 吨，远远超过不锈钢焊条的产量，几乎相 当于其它不锈钢焊材产量的总和。除日本外，美国、欧洲各国均根据本国情况 已成功研制了十多种细径不锈钢药芯焊丝，包括奥实体不锈钢、铁索体不锈钢、 马氏体不锈钢以及双相不锈钢药芯焊丝，各国不锈钢药芯焊丝所占比列都比较 大，美国为3 0 ，西欧为2 7 ，台湾也达到了9 【。 图1 - 3 日本不锈钢焊接用各种焊接材料历年产量【8 】 f i g 1 3s t a i n l e s ss t e e lw e l d i n gc o m s u m a b l eo u t p u tt h e s ey e a r shj a p a i l 现在，在工业发达国家，约6 0 的不锈钢都采用不锈钢药芯焊丝焊接。近 来英国曼彻特焊接材料公司推出了s u p e r c o r e3 0 8 l c f s u p e r c o r e3 1 6 l c f 不锈 钢药芯焊丝【9 】，其主要用于焊接在超低温下工作的超低碳奥氏体不锈结构钢及 管线钢，与普通低碳奥氏体不锈钢焊接材料不同，该焊丝的焊缝金属具有优良 o v螭板龚辖鞭骏零举佟 北京t 业大学工学硕士学位论文 的超低温韧性，在1 9 6 冲击横向膨胀 0 3 8 m m ，并且熔覆金属中铁素体含量 可严格控制在2 - - 一5 f n 的范围内，能优化平衡c r 、n i 当量比率，确保焊缝金属 具有超强的抗热裂纹性能。针对工作温度更低的不锈结构钢，曼彻特还生产出 满足2 6 9 下性能要求的n f ( 无铁素体) 低碳s u p e r c o r e3 1 6 n f 药芯焊丝。 日本也针对海洋结构和液化石油气船的低温不锈钢部件开发出了钛型药芯 焊丝d w - 5 5 l s r ，该焊丝通过降低药芯中的杂质元素( n b 、v 等) 和增加脱氧 剂，使焊缝金属韧性大幅提高，不仅提高焊缝金属的力学性能，还从手工焊到 m a g 焊方法的转变，大幅提高焊接效率。另外，用于焊接m o d 2 2 5 c r - m o 高 强钢的焊接材料也已经被开发出来，它是通过添加v 和n b 等合金元素来达到 这种高强度要求。 我国不锈钢药芯焊丝的研制起步较晚，在七十年代末，开始研制糨径不锈 钢药芯焊丝，到八十年代，北京工业大学和北京焊条厂合作研究了两种粗径不 锈钢药芯焊丝，并取得了良好的经济和社会效益。但由于使用的焊丝含碳量较 高，不能用于重要结构件的焊接，因而发展缓慢，年产不到不锈钢焊材的0 1 。 九十年代以后，国内一些院校和企业合作成功开发出了超低碳不锈钢药芯焊丝， 广泛应用于各个行业。2 l 世纪初，国内年生产不锈钢药芯焊丝也只有1 0 吨左 右，约占不锈钢焊材的1 ，但不锈钢药芯焊丝的消费量却达到2 2 5 吨左右，是 其产量的2 0 多倍l lu j 。随着高效、低成本、自动化焊接技术在不锈钢中的应用， 不锈钢药芯焊丝在焊材中的比重将进一步增大，预计至2 0 1 0 年将达到1 5 万吨， 约占药芯焊丝产量的9 。 虽然近年来通过国内焊接技术人员的努力以及国外引进技术的消化吸收和 些合资企业的努力，国内不锈钢焊材的水平有了很大的提高，但与国外先进 水平相比，还有一定的差距。许多重大型工程中所需的高端不锈钢焊材产品仍 然依赖进口，例如尿素级不锈钢焊丝，与超超临界火力发电机组所用耐热钢相 匹配的不锈钢药芯焊丝；与石化工程所用的新一代高强度耐热不锈钢相匹配的 不锈钢焊材，双相不锈钢药芯焊丝以及超级马氏体不锈钢药芯焊丝等仍需进口。 现在国内一些企业，如天津三英、安泰科技、天泰、锦泰焊材都生产销售 不锈钢药芯焊丝，但无论在配方设计和外观质量都存在一些不足。例如钨极气 体保护焊( t i g ) 焊丝表现为焊丝外观和内在质量不良的双重问题，熔化极氩 弧焊( m i g ) 焊丝呈现出来的最突出问题是外观不好，送丝不够稳定，特别是 用在自动化程度高的机器人或人与机器手焊接的场合。因此要想生产出高品质 的焊丝，除了钢带的化学成分不良和杂质含量较高外，采用先进的生产设备和 生产工艺也是非常关键的。 另外，随着国际市场镍价的快速攀升，低镍双相不锈钢、铬系铁素体不锈 钢和各种超级不锈钢的用量将大量增加，导致各种“节镍”和“含氮”的新型不锈 第1 章绪论 钢、双相不锈钢、铁素体不锈钢及超级不锈钢焊材的用量也将大大增加。因此 想要生产出高品质的不锈钢焊接材料，特别是不锈钢药芯焊丝，必须加大投入 进行高品质焊材的研制、开发和生产，同时需采用先进的生产设备和改善现有 的生产工艺，但这都需要各界同仁的共同努力。 1 2 2 不锈钢焊缝中气孔的研究进展 气孔是焊接生产中经常遇到的一种缺陷，尤其是在不锈钢焊接中，焊缝对气 孔的敏感性较大。气孔不仅消弱焊缝的有效工件断面，同时也会带来应力集中， 显著降低焊缝金属的强度和韧性，因此对不锈钢焊缝中气孔的生成机理进行研究 具有非常重要的意义。 上世纪6 0 年代或更早时期，一些学者提出的“气泡浮出速度 理论 1 l 】，该理 论认为，气泡的浮出速度殆随气泡半径，、液态金属与气泡密度差0 j p 2 ) 的增 加而增加，随液态金属粘度瑁增加而减小，如下式所示： 圪：2 ( , d 1 - p 2 ) g r 2( 1 1 ) 。 9 r l 式中耽气泡的浮出速度； p r 一液态金属的密度； p r 一气体的密度； g - 重力加速度； 卜- 气泡的半径； r 液态金属的粘度。 分析表明，焊缝的凝固速度y 越大，越不利于气泡的浮出，越容易引起气孔。 气泡的半径r 越大，液态金属的密度p l 越大，液态金属的粘度叩越小时，气泡的 上浮速度也就越大，焊缝中就不容易产生气孔。铬镍奥氏体不锈钢在液态时 的粘度玎比较大，影响气泡上浮速度比，因此焊缝具有较大的气孔敏感性。 文献 1 2 1 针对直径4 m m 不锈钢焊条，提出药皮中水分影响理论：药皮原始含 水量小于0 3 5 时，由于药皮中含水量很低，电弧下熔滴携带和进入熔池中氢的 总量很少，气孔倾向小；药皮原始含水量为0 4 - - - - 0 6 时，药皮中含水量增高， 导致进入熔池中氢的总量增加，如果氢的逸出条件较差时，很容易产生气孔；如 果药皮原始含水量大于1 5 时，这时药皮中含水量属高水分，进入熔池中氢的总 量就更多，但由于熔池激烈沸腾，气泡逸出条件改善，气孔倾向反而减小。 文献 1 3 】还提出气孔沿焊缝方向移动规律：如果在焊缝前段出现气孔，表明 药皮原始含水量偏高，降低药皮含水量时，气孔部位将向左移；假如在焊缝后段 出现气孔，表明药皮原始含水量更高，继续增加药皮含水量，气孔部位将向右移 动；如果气孔出现在焊缝中段，增加药皮含水量，气孔部位将向右移动，减少药 北京工业大学工学硕士学位论文 皮含水量，气孔部位将向左移动。 2 0 世纪7 0 年代末，有文献指出非金属夹杂物也有利于接头中气孔的形成 【l 剐。该文认为：液态金属对非金属夹杂物的表面润湿性比对晶体表面的润湿性小。 非金属夹杂物的尺寸对气泡润湿性的影响，表现为限制气泡润湿范围的增加，如 果夹杂物尺寸较大，其半径超过1 5 2 p m 时，气泡从此夹杂物分离的临界半径 要比从晶体表面分离的临界半径大，此时，气泡从夹杂物分离的可能性降低，气 孔发生的倾向大大增加；另一方面，当半径为0 5 l y m 时，气泡从夹杂物表面 分离要比从晶粒表面分离发生的早，这就增大了焊缝的抗气孑l 性。文献【1 5 首次 将熔滴过渡与熔滴中夹杂物及焊缝中的气孔相联系，提出了熔滴中非金属夹杂物 影响气孔产生的创新机理。该理论认为：熔滴中的非金属夹杂物是熔滴过渡区化 学反应的产物，形成的非金属夹杂物与其吸附的氢同时进入熔池，在熔池中气泡 的长大和上浮过程中，尺寸较大的夹杂物对气泡上浮阻碍作用大，尺寸较小的、 分散分布的夹杂物对气泡上浮阻碍作用较小；同时，熔滴中的非金属夹杂物数量 越多，吸附的氢也越多，对气泡的上浮阻碍作用越大，焊缝中气孔倾向就大，反 之，非金属夹杂物数量越少，气孔倾向就越小。 上世纪7 0 年代，有的学者【l6 】提出“焊缝金属凝固模式影响”理论，该理论指 出焊缝结晶初生领先相是y 还是6 。当焊缝结晶时，6 为先析出相，氢含量可达到 4 0 x 1 0 巧- - 一4 5 1 0 - 6 ，这一数值超过了氢的溶解度2 0 1 0 一，这很可能导致气孔 生核。当丫为先析出相结晶时，氢含量为1 8x 1 0 - 6 , 该数值并未超过氢的饱和值。 因此得出结论：6 为初生相结晶与1 ，为初生相结晶相比，其焊缝更容易导致气孔形 成。焊缝金属的凝固模式，可以用铬镍当量比值c r 。q n i 。q 来确定，c r e q 和n i 。q 的计 算式为u 7 ： c r e q = c r + 1 3 7 m o 七1 5s i j r2 n b + 3t i ( 1 2 ) n i e q = n t + o 3 l m n j r2 2c 七1 4 2 n 七c u ( 1 - 3 ) 当c r 。q n i 。q 1 5 5 时，焊缝是6 为初生相凝固模式，焊缝气孔倾向大。可以看出，焊缝金属合 金系统的变化，引起铬镍当量比值c r e q n i 。的变化，从而导致焊缝结晶初生领先 相的变化，最终影响气孔倾向变化。由此推测，控制焊缝合金系统变化的冶金或 工艺因素，使焊缝中c r c q n i 。q t n tr ) ，熔渣外层i 点的温度，对应于熔渣2 的粘度值r 2 较大即熔渣较稠，可以起到支撑铁水的作用。对应于长渣1 的粘度值叩，较低， 即熔渣较稀，熔渣下躺而不能起到支撑铁水的作用，同时，i i 点的温度对应于 短渣2 的粘度值很小，不影响焊缝表面成型。另外，这种短渣还应具备合适的 熔点，熔点过高，( 见图3 1 2 虚线) 会造成压铁水甚至造成夹渣；熔点过低 2 9 北京工业大学丁学硕士学位论文 ( 见图3 1 2 虚线) ，不能起到支撑铁水的作用。因此，具有合适熔点的短渣， 是实现立焊的关键。 粘 度 r l n2 n1 图3 1 2 熔渣粘度与温度的关系 f i g 3 - 1 2r e l a t i o no f t e m p e r a t u r ea n ds l a gv i s c o s i t y 温度t 资料表明【3 9 一阴，立焊时为了使熔渣具有“短渣”特性，并能很好地聚集在熔 池上侧，不会下淌。一般情况下，加入适量的t i 0 2 会使熔渣既具有“短渣”特性， 又能提高脱渣能力，但是，在t i 0 2 含量确定的同时，还必须控制s i 0 2 加入量， 以调节熔渣在焊接时的流动性。由于t i 0 2 和s i 0 2 是组成药芯的主要成份，所 以通过调整t i 0 2 和s i 0 2 的含量，可使熔渣既有合适的粘度，较大的表面张力， 又能保证熔渣具有良好的“浸润”性能，有利于药芯焊丝的立焊。表3 1 中2 4 焊 丝立焊最好，这是由于1 8 4 ”焊丝中2 8 焊丝的z i 0 2 量最多，随其含量增加，可 减少复杂s i o 离子，降低高温时的粘度。当t i 0 2 多时，熔渣可变为晶体非玻 璃状渣，即变成短渣。而4 ”焊丝的立焊不好，是由于s i 0 2 含量较多，易形成较 多的复杂s i o 离子，随温度升高，其极性键局部断开，出现尺寸较小的s i - o 离子，粘度下降，但复杂s i o 离子的解体是随温度升高逐渐进行的，所以粘度 下降缓慢，易形成长渣。1 4 焊丝与3 4 相似，虽含t i 0 2 相对较少，但k 2 t i 0 3 较多， 易产生k + 离子，增强电弧挺度，并且含有一定的a 1 2 0 3 高熔点物质，容易增大 熔渣熔点，因而可提高药芯焊丝的立焊适应性。 3 3 1 2 电弧吹力和挺度电弧吹力强、挺度大，是药芯焊丝实现立焊的一项重 要技术指标。立焊过程中，为了防止熔化金属在其自身重力作用下下淌，要求 焊丝必须具有足够大的吹力，以保证熔滴在立焊时向熔池过渡。电弧挺度大， 方向性好的焊丝，能使电弧的热量集中，并能控制熔池的体积，因而为了实现 焊丝具有较强的电弧吹力，在焊丝中加入较多的低电离、电压物质，如含k + 、 3 0 第3 章不锈钢药芯焊丝的市焊性能研究 n a + 离子的物质，增强电弧挺度，提高药芯焊丝的立焊适应性。由表3 1 看出， 2 样焊丝中k 2 t i 0 3 含量最多，产生的低电离k + 离子多，电弧挺度最大，有利于熔 滴克服重力顺利过渡到焊缝，同时电弧吹力变大，使熔渣聚集在熔池的上部， 使铁水和熔渣不至于下淌，立焊性较好。4 4 焊丝含k 2 t i 0 3 最少，电弧不稳定， 电弧吹力最小，熔渣和铁水下躺。1 4 、3 8 居于中间。 3 3 1 3 熔渣的表面张力熔渣的表面张力是药芯焊丝实现立焊的另一个主要技 术指标。因为熔渣的表面张力可以使焊丝获得良好的熔滴过渡形态、焊缝成型 以及良好的熔渣覆盖性。一般来说1 4 ，物质的表面张力与其质点之间的作用力 大小有关，或者说与化学键的键能有关，键能越大表面张力越大，反之，表面 张力越小。金属键的键能最大，表面张力最大，离子键次之，共价键最小。因 此，在药芯粉中，为了防止熔渣和铁水下流，药皮中也可加入高熔点物质a 1 2 0 3 、 m g o 、z r 0 2 或离子键物质c a o 、m n o 、f e o 等，可增加熔渣的粘度和表面张力； 同时要形成良好的焊缝成形，必须控制s i 0 2 含量，随着s i 0 2 含量的增加，熔渣 的流动性变差且高温凝固时间长，易形成长渣，立焊时熔渣容易下淌，但随着 t i 0 2 含量的增加，熔渣逐渐变为短渣，立焊效果变好。在药芯其它成份不变时， 只有当t i 0 2 与s i 0 2 的比值满足一定要求时，才能形成超短渣使焊丝具有良好 的立焊性能和焊缝成形。 表3 1 中这4 种焊丝就是在形成适当的焊缝成型条件下，通过向药粉中加 入a 1 2 0 3 来增加熔点和粘度的，但加入量不能过大，如果过大，则熔渣容易收 缩成块状，局部覆盖在焊缝表面，且压迫焊缝，造成焊缝的外形窄而高。 3 3 2 电弧物理特性对药芯焊丝立焊性能的研究 ( 1 ) 药芯焊丝立焊性好的配方设计特点是以气体吹力作为熔滴过渡的主导力 并保持熔池( 焊缝) 的良好成形 4 2 , 4 3 】，因此维持一定的电弧弧长并保持良好的 稳定性均有利于电弧在吹力方向的集中，形成有方向性的气流，可增大电弧吹力， 提高熔滴过渡的稳定性。电流、电压均方差就在一定程度上表征了焊丝在焊接过 程中电弧的稳定性，在试件坡口内进行c 0 2 气体保护焊操作时，该特征量与焊丝 的电弧稳定性有直接的对应关系，该值较大时，说明焊丝的电压变化比较大，电 弧弧长不稳定，电弧挺度不好，不利熔滴过渡；当该值较小时，则对应焊丝的电 弧弧长较稳定，挺度好，熔滴过渡比较平稳。表3 3 中2 ”焊丝的电流电压均方差 最小，其燃弧阶段的平均电流电压比较稳定，同时也反映了电弧弧长比较稳定， 熔滴过渡平稳；1 # 焊丝的电流电压的均方差比2 ”焊丝稍大，说明电弧电流电压波 动稍大，电弧稳定性稍差；3 ”、4 ”焊丝的电流电压均方差相近，都比较大，说明 电弧燃烧期间，电流电压波动比较大，显示了这两种焊丝在熔滴过渡时最不稳定。 一般来说，熔滴过渡与药芯的导电性有一定关系】。药粉中加入易电离物质 越多，导电性越好，熔滴过渡到熔池越容易，反之，则不易。这是由于在焊接过 北京工业大学工学硕十学位论文 程中，高温分解产生大量的电子，电子越多，导电性越好，定向吹向熔池的力越 大，促使熔滴过渡性越好。同时，药粉组成物也会影响熔滴的过渡形式。立焊时， 熔滴的过渡方式主要是细颗粒过渡和短路过渡。细颗粒过渡是依靠药芯在燃烧过 程中高温分解所产生的大量低电离、电压物质或气体，定向吹入熔池，其吹力的 大小与方向性，对熔滴过渡的稳定性产生影响。短路过渡则是中、小尺寸熔滴的 短路过渡，也是焊缝金属向熔池过渡的主要途径，如果熔滴过渡不稳，就会产生 飞溅，因而也是焊接过程飞溅产生的主要来源，表3 3 中的n t 是焊丝在燃烧过程 中5 秒内发生的短路过渡次数，其中包括了焊丝金属的有效短路过渡( 主要是中 等尺寸熔滴) 次数n e 和熔滴的“瞬间短路”，也可估算飞溅大小。2 8 焊丝的熔滴 过渡次数为1 3 次，有效过渡次数为7 次，有效短路过渡达5 3 8 ，飞溅最小；1 ” 焊丝的熔滴过渡次数为2 9 次，有效过渡次数为1 3 次，有效短路过渡占4 4 8 ，飞 溅稍大；3 “、4 4 焊丝的熔滴过渡次数分别为2 3 、3 5 次，有效过渡次数分别为9 、 1 4 次，有效短路过渡分别仅占3 9 1 、4 0 ，飞溅较大。 ( 2 ) 图3 5 是四种焊丝的电流概率密度分布曲线图。图中曲线是典型的熔滴 短路过渡形态，熔滴短路过渡时电流较大，而在每个熔滴短路过渡完成后，电 流突然为零，在电弧重燃初期，电流很小，于是在图的右侧( 画虚线的右边) 既有短路大电流的概率分布，又有左侧反应电弧重燃初期小电流的概率密度分 布。短路熔滴越粗大，熔滴的重力所起的作用越大，电弧吹力、表面张力作用 越小，电弧越不稳，形成的短路大电流概率密度和z n ( i s ) 越大，短路熔滴越 细小，电弧吹力、表面张力所起作用越大，电弧越稳，形成的短路大电流概率 密度和n ( i s ) 则越小。经计算可得：1 4 、2 撑、3 ”、4 4 的n ( i s ) 分别为：1 3 4 7 、 1 0 3 6 、1 4 1 2 、1 6 2 8 。图中2 撑焊丝的短路大电流概率密度和最小，说明2 并 焊丝在熔滴短路过渡时，熔滴尺寸较小，导电性好，熔滴越易过渡