（材料加工工程专业论文）双电极奥氏体不锈钢焊条及单弧焊工艺研究.pdf

附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：之霉年 日期：龇圣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：薄导师签名：奄熟日期：虬 双电极奥氏体不锈钢焊条及单弧焊工艺研究 摘要 双电极焊条单弧焊是新发明的焊条电弧焊方法。它是由两根焊芯并排，利 用药皮使两芯之间绝缘，焊接时，电极分别由焊芯构成，焊件不接电极。 本文主要研究双电极奥氏体不锈钢焊条单弧焊的焊接工艺。利用现有的焊 条压涂机，先压制单根焊条，再用手工制作把焊条粘贴成双电极焊条。本文研 究了双电极奥氏体不锈铡焊条的引弧性、飞溅、焊条药皮发红、击穿等。实验 表明，双电极奥氏体不锈钢焊条其工艺性能与双电极焊条的双电极间距、药皮 重量系数、焊条制作工艺等有关。 用手工焊在低碳钢、不锈钢材料，板厚5 8 m m 进行焊接实验，结果表明双 电极奥氏体不锈钢焊条随着焊条间距的增加，焊接电压上升，焊条的引弧性和 稳弧性下降。当间距大于1 8 m m 后，双电极焊条引弧困难。 双电极奥氏体不锈钢焊条药皮发红和脱落较单电极焊条严重。由于焊芯为 不锈钢，其电阻率高，焊条焊接时产生的电阻热高，双电极间的电阻率随着温 度的上升而下降，从而导致焊条击穿。实验表明当焊条温升超过6 5 0 。c 后，焊条 击穿现象较严重。焊条击穿还与焊条间距和焊接电流有关。对奥氏体不锈钢焊 条，当焊芯直径中4 ，0 m m ，焊条双芯间距在1 2 1 5 m m ，焊接电流在1 4 0 a 1 6 0 a ， 电压在4 0 v 左右，双电极焊条击穿现象消失，且焊缝成型好，电弧稳定燃烧。 在实际生产中，奥氏体不锈钢焊接接头易出现的主要问题是晶间腐蚀。研 究采用g b 4 3 3 4 卜8 4 不锈钢1 0 草酸浸蚀实验c 法，比较单、双电极焊条电弧焊 焊接接头焊缝区的晶间腐蚀。结果表明当焊接热输入较高时，焊缝晶间腐蚀后 其组织形态均为五类。 为研究双电极焊条单弧焊焊接接头组织，采用相同的焊接电流和焊接速度 ( 焊接电压不同) 分别制备单、双电极焊条电弧焊试样，用王水浸蚀后，利用 扫描电镜从热影响区一熔合区一焊缝连续扫描金相试样，研究了不同热输入条 件下的接头组织。 采用半自动焊接设备，研究了单、双电极焊条电弧焊的焊条熔化系数、熔 敷系数及单位熔滴耗电量。结果表明，双电极焊条单弧焊的熔敷系数、熔化系 数为单电极焊条电弧焊的2 1 6 倍，其耗电量可节省3 0 4 0 。因此，双电极奥 氏体不锈钏焊条单弧焊是一种高效、节能的焊接方法。 关键诃：双电极焊条、单弧焊工艺、奥氏体不锈钢、晶问腐蚀 s t u d y0 ft w i n p o l e e l e c t r o d e a u s t e n i t es t a i n l e ssw i t hs i n g l ea r cw e l d i n g a b s t r a c t t w i n - p o l e - e l e c t r o d es i n g l ea r cw e l d i n gi s an e wm e t h o d i tm a k e su po f t w i n p o l e e l e c t r o d ea n di n s u l a t e db yc o a t i n gb e t w e e nw e l d i n ge l e c t r o d e w h e n w e l d i n gt h ew e l d i n gp i e c ei sn o tc o n n e c t e dp o l e t h et w i n p o l e e l e c t r o d el i n k p o l e ，o n el i n k sc a t h o d e ，t h eo t h e ri sp o s i t i v e t h ep a p e rs t u d i e s w e l d i n gt e c h n i q u eo ft w i n p o l e e l e c t r o d e s i n g l e a r c w e l d i n go f a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e lm a i n l yw i t h e q u i p m e n to fm a k i n ge l e c t r o d e ， f i r s t y w em a d eas i n g l e e l e c t r o d e ，t h e ns t i c ke l e c t r o d er o d b yh a n d i n t o t w i n p o l e e l e c t r o d e t h ep a p e rr e s e a r c h e st h et w i n - p o l e e l e c t r o d et e c h n i q u eo f w e l d i n go f a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l f o re x a m p l e ，b l a z i n ga r cc h a r a c t e r , s p l a s h ， c o a t i n ga b s o r b i n gh e a ta n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h a tw e l d i n g t e c h n i q u e c h a r a c t e ro ft h ea u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l c h a n g e sw i t hn o to n l y s p a c e - b e t w e e nt w i n - p o l e e l e c t r o d e b u ta l s o c o a t i n gw e i g h tc o e f f i c i e n t a n d c r a f t w o r ko f m a k i n ge l e c t r o d e w i t ht h i c k5 - - 8 m mo ft h em i l ds t e e la n ds t a i n l e s s ，w er e s e a r c ha n df o u n d t h a t v o l t a g eo ft h et w i n 。p o l e 。e l e c t r o d ee l e c t r o d es i n g l ea r cg e t su pw i t ht h e c l e a r a n c eb e c o m ew i d e ，a n dt h eb l a z i n ga r ca n da r eb u r n i n gg o e sd o w n w h e n t h e s p a c eb e t w e e ne x c e e d s1 8 m r n ，t h et w i n p o l e e l e c t r o d eb l a z i n ga r cn a t u r e b e c o m e sd i 伍c u l t i ti ss t a i n l e s st h a tt h ee l e c t r o d e - p e e lb e c o m e sh o ta n dr e s i s t a n td o w ni n a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e lt w i ne l e c t r o d ew e l d i n gr e s i s t a n c ei s h i g ha n dm a k e s m o r eh e a tb e c a u s et h ee l e c t r o d ei sm a d eo fs t a i n l e s ss t e e l a n dt h er e s i s t a n c e b e t w e e nt w i n p o l e ，e l e c t r o d ew e n td o w nw i t hw a r mg e tu p s oi tl e a d st h e t w i n - p o l e e l e c t r o d eo u t t h e t e s ti n d i c a t e st h a tw h e nt h ew a r r no v e ru p6 5 0 ，t h ee l e c t r o d eo u tb e c o m e ss e v e r i t y t w i n p o l e - e l e c t r o d eo u ti sr e l a t e dw i t h s p a c eb e t w e e n a l s o w h e nt h es p a c eb e t w e e n1 2 - - 1 5 m mi nt w i n - p o l e e l e c t r o d e o f a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l ，e l e c t r i cc u r r e n t1 4 0 a 1 6 0 a ，w e l d i n gv o l t a g ea b o u t 3 出盔盔 兰亟兰二j l 二叠! _ 一一。一 4 5 vt h ea u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d eo u ti sv a n i s h a n dw e l d i n gl i n e ，a r c b u r n i n g s w e l la sw e l d i n gb l a z i n ga r cb e c o m e sw e l l i nm a n u f a c t u r e ，t h ep r o b l e mo fa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e lw e l d i n gj o i n i n gi s b r i l l i a n t c o r r u p t s o w ea d o p tcm e t h o do fg b 4 3 3 4 i - 8 4 ，c o m p a r eb r i l l i a n t c o r r u p t i o n w i t h t w i n - p o l e e l e c t r o d e a n ds i n g l e - e l e c t r o d e t h er e s u l ti s t h a t o r g a n i z e f o r mi nw e l d i n gl i n ei sf i v es o r tw h e nt h ew e l d i n gh e a tb e c o m e sh i g h w e l d i n gp i e c ew a sm a d ew i t ht h e s a m ew e l d i n gc u r r e n ta n ds p e e df o r s t u d y i n gt w i n p o l e e l e c t r o d e a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l w e l d i n gj o i n i n g o r g a n i z a t i o n ，a n dc o r r u p t sw i t ha q u ar e g i a t h e n ，s a m p l ew a ss c a m m e d w i t h s e mf r o mh e a t a f f e c t e dz o n et ow e l d i n gl i n e ，a n dr e s e a r c h j o i n i n go r g a n i z a t i o n w i t hd i f f e r e n tw e l d i n g h e a t w i t hs e m i a u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n t ，w eh a v ec o m p a r e de l e c t r o d em e l t c o e f f i c i e n t ，d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n ta n d l o s se l e c t r i ce n e r g yo f m e l t i n gd r i p p i n gi n u n i t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tm e l t i n gm o d u l u sa n dd r o p p i n gm o d u l u sa r eu pt o 2 16t h a ns i n g l ee l e c t r o d ew e l d i n g t h ec o n s u m i n ge n e r g yi nu n i td r i p p i n gw i l l g od o w n 3 0 4 0 s ot h et w i n p o l e e l e c t r o d ew e l d i n gm e t h o di s ah i g hr a t e a n dl o wc o s tw e l d i n g t e c h n i q u e k e y w o r d s ：t w i n - p o l e - e l e c t r o d es i n g l ea r cw e l d i n gt e c h n i q u e a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l i n t e r c r y s t a l l i n ec o r r o s i o n 4 1 前言 1 1 焊条电弧焊及不锈钢的发展现状 焊接技术作为制造业的重要基础与技术，1 0 0 多年来为世界工业的发展和人 类的文明作出重大贡献，在人类引以自豪的航空航天探索、核能等领域焊接技 术都有不可磨灭的功绩。随着现代工业的进一步发展，焊接仍是现代工业生产 中重要的加工工艺方法。在众多的焊接方法中，手弧焊发展最早，使用范围最 广，是我国目前应用最广的一种焊接方法。在各种高效节能的新的焊接方法不 断出现的今天，焊条电弧焊仍能占有重要地位，与它操作灵活、使用方便、设 备简单的众多优点是分不开的。更难得的是，焊条电弧焊在许多特殊焊接领域 也有不凡的表现。就我国目前来看，焊接技术有了长足的发展和进步，但与世 界工业发达的先进国家相比还存在着差距。在世界范围内焊条电弧焊所占的比 重越来越小，但在许多领域仍作为最主要的焊接手段来使用。从焊条电弧焊的 优点及发展趋势来看，焊条电弧焊在很长的历史时期仍有重要的使用价值。因 此，这种虽已有百余年历史的焊接方法仍有很大的发展空间，焊接工作者给予 更多关注是十分必要的。 在焊接生产中，如何提高生产率、降低成本，一直是迫切需要解决的问题， 解决这个问题可以通过推广高效焊接工艺，如m i g m a g 焊、埋弧自动焊等工艺。 但是就目前的现状而言，在我国手弧焊仍占有绝对的地位，不可能被其他高效 的焊接方法所完全取代，这可以从我国焊接材料的发展现状看出。目前，我国 获生产许可证的焊接材料厂有5 0 0 多家，其中属机电部归口企业6 5 家。电焊条 产量归口企业占9 0 ，焊丝、焊剂非归口单位超过归口单位。全国焊接材料总产 量以2 0 0 0 年最高”1 ，约为i 1 0 万吨，其中电焊条生产约9 0 万吨，埋弧焊丝6 万吨。焊剂7 万吨，c o z 气体保护焊丝1 1 万吨，药芯焊丝0 4 万吨。可见，在我 国焊接材料的生产分配中，焊条的生产占7 9 的比例，表明我国焊条电弧焊仍然 是目前最主要的焊接方法。 为了进一步提高焊接生产率，我们就要从焊接方法本身来考虑。一般认为， 从焊接方法本身来提高焊接生产率有以下途径“。”：是提高焊接熔敷率；二是 减少接头的熔敷金属量；三是采用各种高能量密度的焊接方法，不开坡口但一 次可以焊透更厚一些的工件，节省了焊接材料，而且焊接质量较高，这些方法 闩益受到重视，并在工程应用中取得进展。 t 述这些方法从不同角度在提高焊接效率、焊接质量及节省材料方面作了 呵喜的进展，但是由于迄今为止各类电弧焊是工件作为一极接电源，焊接中工 件上存在一个活性斑点区，使熔池大，熔化母材金属多，耗电能多，熔敷系数 低，焊接变形与应力大。双电极焊条单弧焊是邹增大教授等研究人员发明的电 弧焊新技术。双电极焊条单弧焊焊接时，被焊工件不接电源，两根焊芯分别接 电源的正负两极，通过引燃电弧，使其在两根焊芯端部稳定燃烧，利用双电极 焊条两焊芯之| 、日j 形成的单电弧完成焊接。其工作原理如图卜l 所示。双电极焊 条是焊条内含有两根焊芯，焊接时两根焊芯分别接电源的两个电极，一个为正 极、另一个为负极，焊芯中间互相绝缘。双电极焊条单弧焊焊接方法经在低碳 钢焊接研究，发现该方法具有以下特点： ( 1 ) 工件上不存在活性斑点区： ( 2 ) 引燃焊条电弧可以利用工件短路两焊芯头部，也可以在远离工件的其 它空间用焊丝、碳棒或铁片短路引弧，引燃的电弧可以在离焊件不同距离的任 何空间进行燃烧； ( 3 ) 电弧在两焊芯头部形成单一电弧，焊接时焊条熔敷系数提高一倍； ( 4 ) 焊缝熔合比小： ( 5 ) 节省电能。 图1 1 双电极焊条单弧绰焊接工作原理示意图 这种焊接新技术在双电极碳钢焊条的研究中已经取得较大的进展，在小锈 钢焊接中j ! 蔓用也是很有意义的研究工作。本文对双电极奥氏体不锈钢焊条单弧 焊进行研究。 12 不锈钢的分类、性能及化学成分 不锈钢“”是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数( w 。，) 大于1 2 合金元素的钢材，它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈的特 性。这是由于在这类铡中含有一定量的铬合金元素，能使钢材表面形成一层 不溶解于某些介质的坚固的氧化薄膜( 钝化膜) ，使金属与外界介质隔离而不 发生化学作用。在这类钢中，有些除含较多的铬( c r ) 外，还匹配加入较多的 其它合金元素，如镍( n i ) ，使之在空气中、水中、蒸汽中都具有很好的化学 稳定性，而且在许多种酸、碱、盐的水溶液中也有足够的稳定性，甚至在高 温或低温环境中，仍能保持其耐腐蚀的优点。 我国不锈钢板的标准牌号有5 7 种” “。不锈钢的种类很多，分类方法也 很多。 ( 1 ) 按钢的组织结构分类：有马氏体不锈钢、铁索体不锈钢、奥氏体不 锈钢和双相不锈钢等。 ( 2 ) 按钢中的主要化学成分或钢中一些特征元素来分类：有铬不锈钢、 铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢( 高钼不锈钢) 以及超低碳不锈钢等。 ( 3 ) 按钢的性能特点和用途分类：有耐硝酸( 硝酸级) 不锈钢、耐硫酸不 锈钢、耐f l 蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、高强度不锈钢等。 ( 4 ) 按钢的功能特点分类，有低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢 等。 ( 5 ) 按使用加工方法分类，可分为压力加工用钢和切削加工用钢两大 类。 目前常用的分类方法是按钢的组织结构特点和按钢的化学成分特点 以及两者相结合的方法来分类。例p e i g b l 2 2 0 的分类方法，把目前的不锈钢 分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬 化不锈钢等五大类。 奥氏体型不锈钢，其显微组织为奥氏体。它是在高铬不锈钢中添加适当的 镍( 镍的质量分数为8 2 5 ) 而形成的，具有奥氏体组织的不锈钢。奥氏体 型不锈钢以c r l 8 n i 9 铁基合金为基础。 奥氏体型不锈钢不能利用热处理使品粒细化，也不能经过淬火来提高其 硬度。这类钢。1 的冷加工硬化程度高，通常没有磁性，经过冷作可在钢内析 出少量铁素体或马氏体的组织，会出现少量磁性。 奥氏体型不锈钢一般属于耐蚀钢，是应用最广泛的一类钢，其中以1 8 8 型不锈钢最有代表性，它具有较好的力学性能便于进行机械加工、冲压和 焊接。在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能。但对溶液 中含有氯离子( c 卜) 的介质特别敏感，易于发生应力腐蚀。如果在1 8 - 8 型不锈 钢中，适当减少些镍和铬的含量，可得到常温f 不稳定的奥氏体组织，若再 经冷加工则容易产生马氏体组织，使这种钢变得强度高、硬度大而脆；反之， 适当增加镍和铬含量，就能获得稳定的奥氏体组织，同时也可改善冷加工性 能。在这类钢中添加钍和铌时，能提高其抗晶间腐蚀能力；添加钼、锕和钛， 则能提高其在还原酸( 如稀硫酸) 中的耐腐蚀性能，同时也提高其抗晶间腐蚀 的能力；为了改善1 8 8 型不锈钢的切削性能，往往还要添加一些磷、硫及硒 等元素。1 8 8 型不锈钢按其化学成分中碳含量的不同又分为三个等级：一般 含碳量( w c 0 1 5 ) 、低碳级( w c 0 0 8 ) 和超低碳级( w c 0 0 3 ) 。例如 我国国家标准“1 中的1 c r l 8 n i 9 t i 、o c r l 8 n i 9 、o o c r l 7 n i l 4 m 0 2 三种钢板分属 上面三个等级。 不锈钢不仅具有很强的化学稳定性”o “1 ，同时也有足够的强度和塑性， 并且在一定高温或低温下具有稳定的力学性能。这类钢的某些牌号还可作为 耐热钢( 包括奥氏体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型) 使用，有的可用 做优质的低温用钢，在使用过程中其耐腐蚀性能仍然优良。 由于不锈钢具有上述独特的性能，它可作为化学工业、炼油工业、人造 纤维工业、食品、医药及日用品工业的耐酸、耐碱、耐高压的压力容器装置 和储存及运行的槽罐的材料；也可作为电力工业、汽轮机制造行业、船舶工 ： 业、航空工业的耐高温和低温的构件；在航天工业、核工业中又是制造人造 卫星、宇宙飞船、火箭和核动力装置等方面不可缺少的材料。 1 3 奥氏体不锈钢焊接存在的主要问题 奥氏体型不锈钢的耐腐蚀性能特别优良，是它获广泛应用的根本原因。 也正是这样，在评价焊接质量时特别强调焊接接头的耐各种腐蚀的能力。焊 接接头热裂纹、焊接变形和应力、焊接接头晶间腐蚀及焊条药皮发红 等也是焊接奥氏体不锈钢要研究和解决的主要问题。 1 31 焊接接头的热裂纹 焊缝金属凝固期间存在较大的拉应力“。”“3 ，这是产生凝固裂纹的必要 条件。由于奥氏体型不锈钢的热导率小，线膨胀系数大，在焊接区降温期焊 接接头必然要承受较大的拉应力，这也促成各种类型热裂纹的产生。 1 3 2 焊接变形和应力 1 8 8 型不锈钢焊后产生很大变形和应力的原因“1 ：与碳钢相比，其 电阻是碳钢的5 倍，在同样的焊接电流、电弧电压条件下的热输入要多；其 热导率低，约为碳钢的，导致热量传递速度缓慢，热变形增大；再则1 8 8 型不锈钢的线膨胀系数又比碳钢大4 0 左右，更引起加热时热膨胀量的增 加，使得高温区产生较大的压缩塑性变形，从而焊接件在冷却时，收缩变形 受阻，将在焊接件内部形成较大的焊接残余应力。 1 3 3 焊接接头的晶间腐蚀 奥氏体不锈钢焊接接头，在腐蚀介质中，工作一段时间后可能局部发生 沿着晶粒边界的腐蚀，一般称此腐蚀为晶间腐蚀“7 “”1 。它发生的部位是在 热循环峰值温度6 0 0 8 5 0 。c 的热影响区，既离焊接熔合区边沿1 5 3 o m m 的 母材金属。也有的发生在焊缝金属上，另一种晶间腐蚀发生在焊缝的熔合线 轮壳外侧很窄的范围内，像刀刃状深入发展，故称之刀状腐蚀，它是晶间腐 蚀的一种特殊形式。腐蚀总是从金属表面起始，逐步深入内部。深到一定程 度后可发展成裂纹，顺着裂纹的腐蚀扩展，使损伤更加高度局部化，最终会 导致储存腐蚀介质的容器或管道泄漏。在特殊情况下，甚至会造成金属容器 多处腐蚀穿透，这不仅大大降低了设备使用寿命，更严重的是不能保证设备 在使用过程中安全操作，造成极大的设备和人身事故。 1 3 4 焊接过程焊条药皮发红问题 ? 单电极奥氏体不锈钢焊条焊接过程中焊条熔化至整根长度的2 3 时，焊条尾 部会发红”“2 1 ，甚至药皮开裂，同时飞溅增大，焊缝凸起，焊缝成型恶化， 脱渣困难。主要是因为采用线膨胀系数和电阻高且导热性小的铬镍奥氏体不锈 钢焊芯，焊接时电阻热过高，加上单电极不锈钢焊条以大熔滴短路过渡较多， 9 短路电流对焊芯加热更大，电阻热剧升。对于双电极奥氏体不锈钢焊条，焊条 药皮发红更易。因为双电极焊条两根焊芯其电阻更高。因此双电极焊条的焊芯 应采用铬不锈钢，实验选用国产a 1 0 2 焊条配方制造双电极焊条。 1 4 课题研究的主要内容 奥氏体不锈钢焊条应用领域广，焊接奥氏体不锈钢常常要重点解决焊接热 裂纹、晶间腐蚀、焊接应力与变形及焊接过程中药皮发红的问题。双电极焊条 单弧焊技术是一种集高效优点的与节能的焊接新技术，它在不锈钢焊接中的应 用研究是很有理论和工程应用价值。 本课题重点研究双电极奥氏体不锈钢焊条及其单弧焊工艺，主要研究内容 有： ( 1 ) 双电极a 1 0 2 焊条的研制，重点研究间距对双电极焊条电弧特性、焊 接工艺稳定性影响，以确定双电极a 1 0 2 焊条的焊芯间距及选择合理的焊接工艺 规范： ( 2 ) 双电极奥氏体不锈钢焊条单弧焊焊接工艺参数确定； ( 3 ) 用单、双电极a 1 0 2 焊条焊接板厚8 哪的i c r l 8 n i 9 t i ，比较单、双电 极焊条电弧焊焊接接头的组织、硬度、晶间腐蚀等，以分析a 1 0 2 单、双电极焊 条的焊接工艺特点对焊接接头组织和性能的影响，分析对比单、双电极焊条电 弧焊的特点，确定双电极奥氏体不锈钢焊条单弧焊的焊接工艺。 2 实验材料、方法及设备 21 试验材料 实验用试板为不锈铡1 c r l s n i 9 f i ，尺寸规格2 0 0 m m x 2 0 0 m m 8 r r n n 。它是含 碳量小于0 1 2 的奥氏体不锈钢，具有良好的塑性和韧性以及耐蚀性，这种钢 表2 一l1 c r l 8 n i 9 t i 的化学成分 化学成分( w t ) c s lm nc rn i 0 1 21 02o1 7 】98 0 一1 10 的可焊性优良，是工程建设中用量最多，应用范围最广的奥氏体不锈钢。其化 学成分和机械性能。“2 ”如表2 - 1 、表2 2 所示，焊接试板尺寸如图21 所示。 本试验所采用的中4 0 m m 双电极a 1 0 2 焊条焊芯成分如表2 3 所示，双电极 奥氏体不锈钢焊条与单电极a 1 0 2 焊条的配方相同，药皮成分如表2 4 所示，。 表2 - 21 c r l 8 n i 9 t i 的机械性能 力学性能屈服强度抗拉强度伸长率布氏硬度洛氏硬度维氏硬度 oo 2 m p a o f f m p a 6 ( )h b sh r bh v 1 c r l 8 n i 9 t i2 0 55 2 04 01 8 79 02 0 0 图2 1 焊接试板 表2 - 3a 1 0 2 焊芯、国标成分( ) 成分 cs jm nspc rn i a 1 0 200 6 90 3 212 60 0 1 300 1 12 0 59 6 国标0 0 8 o 9 00 5 2 50 0 30 0 3 51 8 0 ，2 1 o9 0 1 1 0 。可iiiii0 表24 双电极m 0 2 焊条药皮成分( ) 一 人 售n i钛 二= 二金合微白大长水 “ 成造石粉白氧 属成碳泥理石玻 母 一 铬石璃 金 粉化m nd 分红 一 母铁 石铬 含 龟4 2 8141322 02 1 2 91 01 22 焊接试验方法 实验前用砂轮、砂纸将试板表面打磨干净，防止铁锈、油污影响焊接质量， 焊条经过1 5 0 l h 烘干，以减少焊接飞溅和提高焊条引弧性能。主要进行以 下实验： ( 1 ) 选择用于制作双电极a 1 0 2 焊条的单根焊条模具，并确定双电极焊条 两芯之间的间距； ( 2 ) 确定双电极a 1 0 2 焊条( 中4 0 r a m ) 焊接工艺参数； ( 3 ) 比较单、双电极a 1 0 2 焊条电弧焊焊接接头的熔合区组织： ( 4 )比较单、双电极a 1 0 2 焊条电弧焊焊接接头的焊缝组织晶间腐蚀倾向； ( 5 )比较单、双电极a 1 0 2 焊条电弧焊焊接接头的硬度分布。 2 3 焊接、试验设备 23 1 手工电弧焊设备 焊接试验设备为z x 7 4 0 0 s t ，它是i g b t 逆 变式弧焊电源，有以下特点： ( 1 ) 电源外特性为图2 2 所示的垂直下降特 性，并且可以在焊前准确的调节焊接电 流： 图2 - 2i g b t 逆变弧焊电源外特性 ( 2 ) 高效节能、重量轻、体积小、功率因素高、焊接性能好： ( 3 ) 电源可以远控和近控，有利于电源的通断； ( 4 ) 电流恒定，焊接电压值可以从焊机直接读出； ( 5 ) 推方r 电流的存在使得焊接结束时焊条端部干净，使焊缝收尾处成型良好； ( 6 ) 可以在焊前准确的调节焊接电流。 2 3 2 半自动焊设备 自制半自动双电极焊条单弧焊设备，焊接过程中焊条可沿焊接方向移动， 速度匀速可调，焊条自动送进并有人工微调相伴随。如图2 3 为半自动双电极 焊条单弧焊设备外形。 图2 - 3 双电极焊条单弧焊半自动设备示意图 2 3 3 高速摄影设备 f a s t c a i v ls u p e r 1 0 0 0 c lg 型高速摄影系统组成。5 2 ”如图2 4 所示。 图2 - 4 激光背光高速摄像系统示意圈 2 3 4 其它设备型号 d l 3 便携式电子弧焊仪； a g i l e n t 5 4 6 2 4 示波器测试仪； l 卜1 2 bx y 笔式记录仪； 显微硬度计h v1 0 0 0 ： 金相显微镜4 x 等。 24 奥氏体不锈钢金相和扫描电镜实验试样的制备方法 在焊接的研究中，对微观组织的分析是十分重要的。通过对焊接接头试样组 织的观察，对比分析双电极焊条与传统的单电极焊条焊接接头的组织相貌，确 定合理的焊接工艺规范。 在金相分析中，试样的制备是关键的一个步骤。由于奥氏体不锈钢本身物 理性能的特点，试样制备应注意以下几点： ( 1 ) 试样的截取应采用线切割，因为不锈钢再热晶粒易粗大： ( 2 ) 试样的打磨与抛光，由于不锈钢质地较软，宜于采用手工磨制。首先， 利用砂轮将磨面打磨到基本平整，注意在砂轮粗磨时，接触压力不可过大，试样 要及时冷却，防止过热引起组织变化，如引起位错、滑移等( 如图2 - 5 所示) 。 晶粒内相互平行短直线即为压力过大引起的滑移线而形成孪晶组织；另外， 试样磨面温度也影响基体组织并使表面磨痕加深，增加金属扰乱层，给后续的细 磨、抛光造成困难。 图2 - 5奥氏体不锈钢母材金相组织( 4 0 0 x ) 由于奥氏体不锈钢硬度相对较低，在磨制时特别容易产生长而深的划痕，而 且反复磨制，又因长时间用力造成干扰层增厚，使奥氏体不锈钢试样的磨制十分 困难，磨制试样时要特别注意砂纸的选择和搭配。 抛光是金相试样磨制的最后的一道工序，其目的是消除试样细磨时在磨面上 留下的细微划痕，得到平整、光亮、无痕的镜面。磨面的抛光质量取决于细磨时 1 4 所留下的划痕的粗细以及均匀程度。可采用粗抛、细抛两步进行，尽量减轻抛光 压力。如：抛光粉为三氧化二铝微粉，粒度为7 3 0 、w 1 0 两种，经多次实验发 现效果并不理想，遂加上金刚石微粉抛光，效果良好。但若金刚石微粒多且分布 不均匀时，则易嵌入金刚石颗粒。 因此，对质地较软的奥氏体不锈钢试样磨制的过程如下：1 5 0 # 砂纸粗磨 4 0 0 # 砂纸细磨一一6 0 0 # 砂纸细磨1 0 0 0 # 砂纸细磨w 1 0 三氧化二铝微粉 抛光一一会刚石微粉精抛光。 ( 3 ) 侵蚀方法的选择不锈钢试样的侵蚀较之 = 二碳钢试样难度更大，原因 是：1 ) 不锈钢的耐蚀性好，显示基体的晶界比较困难，特别是奥氏体不锈钢、 超低碳不锈钢等难以显示完整的晶界；2 ) 不锈钢的组织类型很多，还常以6 铁 素体，少量的碳、氮化合物，o 相及金属间化合物的形式出现。本处选用以下三 种方法进行侵蚀对比： 表卜1 侵蚀方法成分”1 序号成分使用方法 1 1 0 草酸6 v 阴阳极间隔2 5 m m ，5 0 s 显示晶界 2 l o 三氯化铁硝酸电吹风加热至7 0 度，侵蚀3 - 2 0 s 3 硝酸、盐酸甘油先将盐酸与甘油混和，再加入硝酸，侵蚀时间小于6 0 s 经过以上三组实验，对比发现： 通过1 0 草酸溶液电解侵蚀时，加载6 v 电压，则电流与晶间腐蚀的电流相差不大，侵 蚀时间与国标规定的时间接近，侵蚀后的微观 组织腐蚀严重，晶界里深沟状( 如图2 6 所示) ， 与稍后的晶间腐蚀极为相似，故此法不可取。 用1 0 的f e c 。、硝酸溶液侵蚀时，如不 用电吹风加热，则不能显示奥氏体不锈钢的晶 界，用电吹风加热至7 0 度左右，能较清晰的显 示焊缝及母材的晶界，但效果不佳。图2 - 6 奥氏体不锈钢焊缝组织( 5 0 0 x ) 用新配的三酸侵蚀时，滴加后在试样表面有气泡产生，反应较迅速，且 磨面颜色变暗，冲洗后，吹干观察，发现侵蚀效果最好。 由以上得出，显示奥氏体不锈钢组织选用硝酸、盐酸、甘油的混合液作为 侵蚀剂。但是由于甘油与硝酸混合后易发生爆炸，所以在配制时，一定要先将 l - 油倒入盐酸中，并混合均匀，用玻璃棒搅拌，至混合液冷再加入硝酸。 配制好的i 酸极易挥发，所以不要大量配制，尽量现用现配。 3 双电极a 1 0 2 焊条制作及其工艺性能 3 1 双电极a 1 0 2 焊条制作 3 ，1 1 模具选择 表3 - 1 为双电极焊条的单根焊条实验所用模具，根据文献。”研究的 结果，发现2 # 、3 # 、4 # 、5 # 模具制作的双电极焊条，焊条间距调节范围较窄， 且焊接工艺性较差，而l # 模具焊接工艺较好。又考虑到奥氏体不锈钢焊芯的电 阻率高、药皮合金成分多，焊条焊接时易过热，焊芯间的绝缘随焊接时间的延 k 而下降，可能导致焊条击穿。另a 1 , 9 2 焊条药皮类型为钛钙型，焊芯为铬镍不 锈钢型。焊接时，焊芯产生很大的电阻热 表3 - 1 双电极 同时这个热量又传给药皮，使药皮 焊条模具规格 序 。西窿 号 a l l q r r l b m mc r a m 1 #由66 8 6 2 41 20 86 4 6o 6 2 3 2 拌中6 6 8 5 5 01 0 7 56 5 80 6 1 7 3 拌巾6 4 6 58 21 1 4 56 3 20 6 1 8 4 捍m62 4 5 7 61 1 2 26 0 80 6 1 8 5 岸中5 8 5 21 0 7 05 9 60 6 1 6 温度升高。随着焊接过程的进行，焊芯和药皮的温度逐渐上升，造成焊条后期 ： 药皮功能散失，焊接工艺性变差如电弧减弱、熔滴变粗、焊缝成型差、焊条熔 化速度过快等。我们选择l # 模具制作双电极a 1 0 2 焊条。 3 1 2 双电极a 1 0 2 焊条制作 在双电极焊条单弧焊中，双电极焊条的制备是一个很重要的环节。就目前 来说，还处于试验阶段，研究采用焊条压涂机制作单根焊条、然后用手工粘制 的方法。即先做出单电极焊条，如图3 - 1 ( a ) 所示，焊芯位置可以调整。然后 把两根焊条粘贴一起，如图31 ( b ) 。凉干后进行低温烘干( 1 5 0 。c ) l h ，再高 温烘干( 3 5 0 ) l h 。 ( a j( b ) 图3 - 1 双电极焊条制作示意图 32 双电极a 1 0 2 焊条的间距与焊接电压 在奥氏体不锈钢双电极焊条单弧焊中，双电极焊条两芯间距直接影响焊条 的焊接工艺如电弧电压、飞溅、引弧难易、焊条击穿、焊条发红、及电弧的稳 定性、焊缝成型等。作为新型焊条应保证焊缝成型和焊条的工艺稳定性。 3 2 1 双电极焊条单弧焊对焊接电压的影响 在传统的焊条电弧焊中，焊接电压是一个 “ 很重要的规范参数，它直接影响焊缝成型及焊 接接头性能。在单电极焊条电弧焊中，电弧的 静特性m “3 2 1 是u 性曲线如图3 2 所示。单电 极焊条电弧焊的焊接电压，主要取决于弧长的 大小，即通过调节弧长来控制焊接电压的大小。 焊条电弧焊电弧静特性工作在水平段。 ( 1 ) 双电极焊条两芯间距对焊接电压的影响 图3 - 2 电孤静特性曲线示意图 选择模具1 # ( 6 6 8 6 2 4 ) 制作焊条，并选择不同间距实测焊接电压实验 数据如表3 2 所示。 由表3 2 实验数据看出电流、双电极间距对焊接电压的影响较大。随着焊 接电流的增加，焊接电压也增加，或者说双电极焊条单弧焊的电弧静特性曲线 是缓升曲线。因为焊接电流越大，焊接电场强度越大，电压越高。而双电极问 距越大，两焊芯绝缘的距离越大，使其之间的气体电离的能量越大，势必引起 lr 一一 、 出盔盔堂耍圭淦：生一 电压升高。但当双电极间距超过l - 8 i l l n 后，则无法引弧。所以双电极间距对焊 接电压影响较大。 表3 2 焊接电流、双电极间距对电压的影响 电流a 迫压v 1 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 壶心 i 13 63 894 3 94 9 14 9 6 1 54 34 54 85 05 1 1 84 04 54 85 05 l 图3 - 3 为双电极焊条单弧焊的电弧静特性曲线，变化趋势是缓升特性。 6 0 言5 0 蚓 脚 釜4 0 3 0 1 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 焊接电流 图3 - 3 电流、双电极间距与焊接电压关系曲线 ( 2 ) 电流对双极焊条引弧性的影响 由表3 - 3 看出，焊接出现断弧的双电极焊条的间距随电流增大而增大。因 为电流越大，电场强度越大，电弧燃烧越稳定，越易使两焊芯端部的气体电离。 反之电流越小，焊接时电场强度越小，焊芯端部的气体不易电离，电弧燃烧越 不稳定。为保证电弧稳定，q ) 4 o m ma 1 0 2 焊条双电极间距1 0 1 5 r m 为宜。 表3 - 3 电流、间距与断弧关系 电流，a 断弧 1 4 01 5 01 6 01 7 0 1 8 0 间溢忒 1 0 l2 13断弧 l4断弧 i5 断弧 1 6 断弧 18 断弧 星 髻 睽 3 0 1 4 01 5 0i 6 01 7 01 8 ( ) 焊接电流 图3 - 4 焊接电流、敬电极间距与断弧关系曲线 3 2 2 焊芯间距对双电极焊条的焊接工艺稳定性能影响 所谓焊条工艺稳定性f 3 3 。3 4 1 是指在焊接时，由于焊芯和焊条被加热，导致焊 条后段工艺性变化，其变化的趋势和程度，称焊条的焊接工艺稳定性。在双电 极焊条单弧焊中，前段熔滴颗粒小于后段的熔滴颗粒( 熔滴颗粒的变化率) ，前 段焊条的熔化速度明显小于后段焊条的。从焊缝成型也可看出，随着焊接的继 续，当其它工艺未变的情况下，焊缝的宽度增加。 选择l 模具制作的焊条，焊接电流为1 8 0 a ，焊材为q 2 3 5 ，2 0 0 姗2 0 0 m m 8j 1 1 t 】，实验数据如表3 4 所示。 表3 - 4 电流、双电极间距对引弧的影响 电流 引弧性 1 2 01 4 01 6 01 8 0 心3 1o较易易易易 12难易易易 1 4难较易易 易 1 6难较易 较易 i8难 表34 数据表明，当焊接电流一定时( 1 8 0 a ) ，随着双电极焊条间距的增加， 双电极焊条的引弧性下降。当焊条间距大于1 8 m m 后，焊条几乎不能引弧。 实验结果表明：随着电流的增加，焊条的引弧性能改善。双电极焊条当其 焊芯间距一定时，随着焊接电流的增加，焊条的引弧性越好，电弧燃烧越稳定。 因为电流越高，焊条热发射能力增加，引弧时双电极短路，产生较大的短路电 阻热，使热发射能力增强，加之电流大焊接电压升高电弧的场发射能力提高。 33 双电极焊条单弧焊焊接电流范围确定 在单电极电弧焊中，焊接电流是很重要的工艺参数。焊接电流过小时，生 产效率低，热输入不足，易形成未熔合，未焊透、夹杂等缺陷；焊接电流过大 时，飞溅很大，焊缝的熔深和余高增大，有可能形成指状熔深、咬边等缺陷， 更重要的是由于焊缝金属过热度大，会造成晶粒进一步粗大。在双电极焊条单 弧焊中，因为母材不接电源电极，焊接电流的大小与焊缝成型关系极大。双电 极焊条单弧焊熔池的形成主要热源是熔滴的热量和电弧的传热。因而，双电极 焊条单弧焊焊缝成型与焊接热输入有很大关系。 选用焊芯间距