（材料加工工程专业论文）环境协调型结构钢药芯焊丝的研究.pdf

摘要 摘要 本文系统地研究了常用市售结构钢药芯焊丝的烟尘成分和物相组成，其烟尘 主要成分是铁和锰的氧化物以及少量造渣物质反应后的生成物。研究了铁粉对药 芯焊丝发尘率的影响，铁粉的加入量对发尘率的影响与焊丝的渣系有关，给定的 某一渣系随着铁粉含量的减少发尘率有所下降；铁粉的生产工艺不葡其形貌也不 同，采用球形雾化铁粉的焊丝发尘率高于不规则块状还原铁粉焊丝的发尘率；铁 粉粒度在一2 1 0 + 1 3 0 岬( 8 0 1 2 0 目) 时焊丝发尘率较低，粒度低于2 l o 舯( 8 0 目) 或高于1 3 0 岬( 1 2 0 目) 都能使焊丝发尘率增加。药芯组成对药芯焊丝发尘率的影 响大致分为三类：第一类是铁、锰及其合金类，其氧化物构成烟尘的主要成分， 也是烟尘的主要来源；第二类是主要用于稳弧的物质，高温下容易分解并蒸发的 氟化物类，如氟硅酸钠、氟铝酸钠等，可以大幅度地增加焊丝发尘率；第三类是 焊丝中加入量较大但进入烟尘较少的物质，如石英，氧化铝等高熔点物质，这类 物质具有降低发尘率的作用。部分矿物粉含量对发尘率的影响是：随着氟硅酸钠 含量的增加焊丝发尘率逐渐增加；以长石为主要成分的熔渣，能降低焊丝的发尘 率，随着长石含量的增加焊丝的发尘率逐渐由8 1 2 9 降到4 4 5 9 k g 的较 低发尘率水平；钛铁矿的加入量对焊丝的发尘率影响不大；矿物粉的稳定性( 尤 其是高温稳定性) 对焊丝发尘率有较大的影响。药粉预处理对发尘率的影响不一： 熔炼型药粉可以降低焊丝发尘率，药粉造粒影响不是十分明显；合理的合金以及 金属粉匹配可以降低焊丝的发尘率。同时还研制出了一种使用性能满足国标要求 的环境协调型药芯焊丝。 在材料的环境协调性与可持续发展思想的指导下，分析了不同种类焊接材料 的环境协调性，指出药芯焊丝的环境协调性优于其它焊接材料，提出环境协调型 焊接材料的具体含义、药芯焊丝的环境评估( l c a ) 和建立焊接材料环境评价体 系并对焊接材料进行环境评估的建议。 ) ：键涮药芯焊丝；环境协调；铁粉；矿物粉；发尘率 a b s tr a c t t h ef 1 1 ： 1 1 e s c o m p o s i t i o na n dp h a s e so fn u ) ( 一c o r e d w i r ep r o d u c e d b yf o u r d i 恐r e n tp l a n t sw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i np a no ft h ef u m ea r e o x i d e so ft h ei r o na 1 1 dm a n g a i l e s e ，o t h e r sa r ee v 印o r a t i o n so ft h es l a g t h ee 恐c to f t h ei r o np o w d e ro n 也ef u m eg e n e r a t i o nr a t e ( f g r ) i sa l s os t u d i e d ，t h ef g rv a r i e s w i t hc h a n g e so fi r o nc o n t e n ta n dh a sc l o s er e l a t i o nw i t 王1t h ep r o p e r t yo f f l u x ，t h ef g r d e c l i n e d c o u p l e dw i t h 协ec o n t e n t o f 廿l ei r o np o w d e rd e c i i l l i n g ； i r o np o w d e r s p r o d u c e d b yd i 丘色r e n tp r o c e s s e sh a ed i 盘r e r l ts h a p e s ， f g ro ft h e s p h e r i c i t y a t o m i z a t i o ni r o np o w d e ri s h i g h e rm a nt h ee r o s ed e o x i d i z e di r o np o w d e r ；f g r n u c t u a t e do r d e r l yi nas m a 王ls c a l ew i mt h ec h a l l g eo ft h ei r o np o w d e r s 铲a 1 1 u l a r i t y d i s t r i b u t i o n ，t h ef g rd e c r e a s e sw h e nt 1 1 ei r o np o w d e r sg r a n u l a r i t yi si n 2 1 0 + 1 3 0 “m ( 8 0 1 2 0m e s h ) t h ec a t e g o r yo ft h em i n e r a l s 砌u e n c e so nt h ef g ri nt h e w e n d i n gm a t e r i a l sc a nb ec l a s s i f i e dm r e ek i n d s ：t h ef i r s tk i n di n c l u d ei m n 、m a n g a n e s e o rt h e i ra l l o y sa i l dt h e i ro x i d a t i o n si st h em a i nc o m p o s i t i o no ft h e e ，t h e ya r et h e s o u r c e so ft 1 1 ef h m e ；t 1 1 es e c o n dk i n di n c l u ea r cs t a b i l i z a t i o nm a t e r i a l sw h i c hc a nb e e a s i l yd e c o m p o s e db yh i g ht e m p e r a t i l r e ，s u c ha ss o d i u ms i l i c o nn u o r i d e 、s o d i u m a l u 血n u mn u o r i d ea n do t l l e rf l u o r i d e s ，m e yc a l lg r e a t l ye n h a n c et h e 、i e r e sf f r ；n l e 也i r dk i n di n c l u d eq u a n z 、a l u m i n aw b j c hh a v eh i g hm e l t i n gp o i n t sc a nl o w e rt h ef g r a i l ds e l d o me n t e ri n t ot h ef u m e t h ee 位c t so nt h ef g ro fm i n e r a lc o n t e n t sa r e i n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef g r i 1 1 c r e a s e sc o u p l e d 州m 廿1 ei n c r e a s i n go f m es o d i u ms i l i c o nn u o r i d ec o n t e n t ；t h ef l u xw h i c ht h em a i 工lc o m e n ti sf e l d s p a rc a t l 掣e a t l yl o w e rt h ef g r ，t h ef g rd e c l i n e sf r o m8 1 2 9 k gt o4 4 5 9 服gc o u p l e d w i t ht h ei n c r e a s i n go f f e l d s p a rc o n t e m ；i l m e n i t ec o m e n th a sn oo b v i o u se 矗宅c t so nt h e f g r ；t h es t a b i l i t ye s p e c i a l l yt h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft 1 1 em i n e r a lp o w d e r s h a v e 伊e a te 船c to nt h ef g r p r e p r o c e s so f 血en u x e sh a v ed i 虢r e n te f f e c t so nt h e f g r ，p r e f u s e df l u xc a l ll o w e rt h ef g ro fm en u x c o r e dw i r e ，n oo b v i o u se 丑隆c to n f g ri sf o u n dw h e n 也en u xi st r a n s f o m e di n t og r a i n s ；r e a s o n a b l em a t c ho fm e n 诅l p o 、d e r sc a nl o w e rt h ef g ro fn u x - c o r e d 、v i r e ak j b do fe n v i r o m e mc o n s c i o u s n u x c o r e dw i r ew h i c hm e e t sn a t i o n a ls t a n d a r di sd e v e l o p e d ，t t t d i 恐r e mk i n d so fw e l d i n gm a t e r i a 】s e n v i r o r 蚰e n t a lp r o p e r t ya r ea n a l y z e db a s e d o nt h e 血o u g h t s 。fe n v i r o m e n t a l l yc o n s e i o u sa n ds u s t a i n a b l ed e v e i o 口m e n t a n dt h e r e s u l to fn u x c o r e d 、v i r ei sm o r ee n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u st h a 工1 o 廿l e r1 ( i n d so f w e l d i n gm a t e r i a l s d e v e l o p e dt h ec o n c e p t so fe n v i r o n m e n tc o n s c i o u sw e l d i n 窘 m a t e r i a l sa n de n v i r o n m e mc o n s c i o u sn u x c o r e d w 话e ， s o m es u g g e s t i o n sa b o u t d e v e l o p i n ga 1 1 dc 删n go u tl c as y s t e mo fw e l d i n gm a t e r i a l sh a v eb e e np u tf o r w a r d k e yw o r d妇u x - c o r e dw i r e ；e n 、哇r o m n e n t a lc o n s c i o u s ；i r o np o w d e r ； m i n e r a l p o w d e r ；eg e n e r a t i o nr a t e ( f g r ) 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。 虢刍4 一r 期 关于论文使用授权的说明 如斑锄 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) 躲要毋翮签嚼础帅呼歹9 1 1 课题背景 第1 章绪论 如今资源匮乏、能源危机、环境恶化日益严重，全球范围内人们的资源与环 境保护意识逐渐增强，人类对可持续发展的要求越来越迫切，对工、生产提出了 更高的要求。材料行业是各种工业发展的基础，材料的生产、制备、使用和废弃 是矿产资源、能源的丰要消耗者和环境污染的主要责任者。为了使材料的发展与 环境保护相协调，实现可持续发展，在上世纪九十年代初上山本良一教授提出了 c o m a t e r i a l ( 环境利料) 的概念。我国也同步开展了环境材料的研究，并提出了 环境材料学的概念，认为材料的开发和应用必然受到生态环境的影响和制约，在 考虑材料性能的同时应考虑如何节约资源和能源，考虑其在废弃后的循环利用和 再生，考虑材料在整个生命周躬中对环境造成的压力“，最终目的是实现人类的 发展同环境友好与协调。 1 2 焊接材料的环境协调性 1 2 1 环境协调型焊接材料的提出 焊接材料的生产和使用同其它材料样，其生产过程中有资源的开采、能源 的消耗以及废物的排放，使用过程中同样有使用效率的高低、能源消耗、废物排 放的多少等问题。但是，以前人们更多的足关注焊接材料在使月过程中的排放以 及对人的危害，还未完全从焊接材料的整个生命周期中考虑其对环境和人的影 响。随着我国焊接材料使用量的逐年增加，2 0 0 3 年全国焊接材料( 仅计算焊条 和各种焊丝的产量) 已经达到2 0 0 万吨，超过美国、日本和德国相应焊材产量的 总和且占世界的4 0 ，成为世界最大的焊接材料生产和消费国“。因此，在提倡 循环经济以及材料与环境协调的背景下，提出焊接材料的环境协调性问题是及时 的也很必要的。 根据人们对环境材料概念的界定” 根据人们对环境材料概念的界定 。i 环境协调型焊接材料的内涵包括两个方 环境协谲型焊接材料的内涵包括曲个方 北京工业大学硕士学位论文 面：首先是生产过程的环境协调性；其次是使用过程的环境性。在焊接材料的生 产方面：节约资源、采用能源节约工艺、降低污染的加工技术，既能够降低污染 物( 如废气、废液、有毒副产品和废渣等) 排放以减轻对环境的压力，又不损害 生产率；在使用阶段要求材料能节约自g 源、节约资源、可循环再生，具有生物安 全性，有毒有害替代，使用的舒适性等。 1 - 2 2 焊接材料的环境协调性分析方法 根据环境材材料学的思想，对焊接材料在选材、生产过程、使用中废物的排 放等，对比和分析其对资源、能源的消耗及其有害物排放等对环境以及人的危害 情况，定性地分析和判断其环境性。具体焊接材料的环境评价( l c a ) ，即对产品、 过程或活动在整个生命周期内因资源、能源消耗和废物排放而对环境造成的潜在 影响进行评价4 。还要借鉴国内外其它材料的环境评价方法8 2 j 建立适合于焊接 材料的评价方法和评价系统。 1 2 3 药芯焊丝目前存在的环境问题 目前药芯焊丝主要在以下两个方面存在问题：一是原材料的选用。没有在环 境协调材料的指导下选材，所选的材料还有一大部分是来自生产过程复杂，环境 污染严重的中间化工和冶炼产品；另一个问题是材料的使用效率低、使用过程中 废物排放严重。即焊丝的发尘率较高、造渣物质较多，有的物质还有毒有害难以 在自然状态下分解，这些问题在国内还没有得到足够的重视。 制造药芯焊丝用的原材料也是一个资源和能源的消耗过程，同其它材料一 样，原材料的环境性是焊接材料环境协调性的一个重要环节，合理的生产方法和 生产工艺的选择也是焊接材料实现环境协调性的重要步骤。 焊接废物的排放对焊接工作者以及环境的危害是十分巨大的，排放的烟尘直 接导致焊工的尘肺病，焊工尘肺病在整个职业病领域中约占四分之一，在世界范 围内焊接从业人员在整个劳动力市场中约占1 ，统计数字表明美国有超过6 0 万 人从事焊接方面的工作1 “。最近两年美国焊接学会也开始关注这方面的问题。随 第1 苹绪诧 着制造业由发达国家向发展中国家转移，分布于发展中国家的从业人员会逐渐增 多，发展中国家卫生条件和基础设施条件较差。因此，这方面的专家呼吁在源头 ( 即焊接材料与方法) 上控制和减少焊接烟尘，并指出减少焊接引起的职业病将 是发展中国家面临的严峻挑战1 、“一。 焊接过程中排放的烟尘对人体危害巨大，其直接来自焊接材料。焊接材料和 母材在电弧的作用下，液态金属以及复杂的焊接冶金反应物经过蒸发、凝结形成 烟尘迷漫在焊接作业区，烟尘中的金属氧化物如氧化锰、六价铬、以及钾、钠的 氧化物等被人吸入体内，对呼吸道和肺黏膜产生很严重的刺激；粒径在可吸入物 范围内的烟尘对人的冠害更为严重，它们被直接吸入肺内，不溶解物质在肺泡中 沉积下来并发生积累，然后导致肺泡的纤维化进而逐渐形成尘肺，能溶解在血液 中的有毒有害物质随着血液循环到人体的各个部位，沉积在人体骨骼、毛发等部 位，同时还引发中毒、男性不育甚至癌症等1 5 ” 。有毒有害的烟尘在自然环境 中停留，有的分鼹很慢有的很难分解，弥漫在空气中的有毒细微颗粒同时对大气 以及自然环境也造成严重的危害。因此，研究发尘率低、毒性小、具有环境协调 性的焊接材料就显得意义重大。 随着药芯焊丝在焊接材料中的比重逐渐增加，药芯焊丝的电弧形态，冶金过 程与焊条和实芯丝有很大的差异，对焊条和实心丝发尘机理的研究结果已经不完 全适用于药芯焊丝。所以，要降低药芯焊丝的烟尘排放，就必须加大这一领域的 研究力度。 l 。2 4 环境协调型焊接材料的研究重点 目前国内环境协调型焊接材料的研究还刚刚开始，无论是方法的选择还是研 究内容的确定都要有一个过程。根据环境材料学的研究思想，环境协调焊接材料 在生产和制造方面应该集中在以下几个方面：首先是原材料的选择上，对焊接材 料常用的原材料按照其环境协调性好坏进行分类：来自天然的，来自其它矿产资 源开发废料再利用的，还是经过中间再加工的，中间加工工艺的复杂程度，排放、 耗能的多少等问题都要考虑在内；其次要考虑焊接材料的生产和加工的方法以及 工艺过程，考虑其生产过程中的总体能耗、废物排放对环境的污染程度，并选择 北尿工业大学硕士学位论文 较好的生产方法；第三，在理论和技术层面研究如何降低焊接材料在使用过程中 排放的有毒有害烟尘气体、弧光对环境和人的危害问题。 另外一个研究重点是如何评价不同生产方法产出的焊接材料和不同种类焊 接材料的环境协调性，需要建立一个针对焊接材料的评估方法和评估体系，采集 并建立焊接材料评价体系的原始数据库。 1 3 焊接烟尘发生机理的国内外研究现状 1 3 1 焊接烟尘的形核机制 一般认为焊接烟尘是焊接材料在电弧区蒸发出来的 焊接冶金反应物远离电弧区后凝结而成的气溶胶态物质。 蒸汽在电弧附近先凝结成一次粒子，随着温度的降低一次 粒子再结合成二次粒子，最后形成烟尘( 见图1 1 ) 。， 再按湍流扩散的方式扩散出去。 目前认为焊接烟尘的形核机制主要有两种：均质形核 与非均质形核。焊条烟尘o 0 1um 尺度的粒子主要是f e 。o 。 图l 一1 烟尘形成示意图 晶体，它由蒸汽粒子转变的均质成核方式产生，其控制反：晷1 _ 二m ：f 0 “a t ”“ 应式f e ( g ) 一f e ( l ) 。”。0 1u 丌】量级的粒子主要分为尖晶 石型和氟化物型两类，均以蒸汽一粒子转变的异质凝结机制所形成；1um 及更大 一些的粒子主要以气泡一粒子转变机制所形成：2 1 ；。在对焊接烟尘粒子谱进行分析 过程中，发现形成后的烟尘( 以气溶胶状态存在) 粒子分布还遵从定的分布规 律，有单峰分布和多峰分布的分布模型。“j ”。同时还认为不同的分布类型主要与 焊接气溶胶发生源焊接材料的组分、化学性质密切相关，国内外的文献都认 为多峰分布还预示了多种的形核机制，后来的实验也证实了这一结果。 4 1 3 2 焊接烟尘粒子的长大 焊后烟尘粒子的长大以凝并为主“! ，凝并方式主要有两种：熔合型和聚集型。 一种是熔合过程，它是由几个焊接烟尘的一次粒子( 原生粒子) 熔合成单个大粒子 的过程，一次粒子之间无明显边界，这种熔合的主要特征是熔合后的单个大粒子 的总表面积小于一次粒子的表面积之和；另一种是聚集过程，它是由几十个甚至 几百个一次粒子聚集在一起的过程，就像是一串葡萄，一次粒子靠表面粘连在一 起，并有明显边界。当小粒子熔合时，较小的粒子消失，留下的只是新的更大粒子； 而小粒子聚集在一起时小粒子保持其个体身份，但失去动力性质上的独立性，亦 即它们作为一个整体以单独的单位而运动。无论是发生粒子熔合还是聚集，都会 引起烟尘中粒子大小、形状以及数量浓度的变化，烟尘粒子谱的分布在形成过程 中具有多种模式并且随着时间呈动态变化| ：。“。 1 3 3 焊接烟尘的i 生质 焊接烟尘主包括焊接过程中发出的有害气体和产生的尘两部分。 焊接有害气体主要有臭氧、氮氧化物、一氧化碳、氟化物及氯化物等。臭氧 吸入人体内，主要是刺激呼吸系统和神经系统，引起胸闷、咳嗽、头晕、全身无 力和不想吃饭等症状，严重时可发生肺水肿与支气管炎等。氮氧化物的种类很多， 主要有n 。o ，n o ，n o 。，和n 。o 。等。n o 。为红褐色气体，比空气重，其毒性为n o 的4 5 倍。焊接中的c o 主要来自c o 。的分解，因此在c o 。保护焊中产生大量的c o 气体， 其它的电弧焊中只产生微量的c o 气体。含氟的焊接材料参与焊接时，可产生微 量的h f 气体，有很强的刺激作用能迅速使呼吸道收缩而对全身产生中毒作用。= ”1 。 低氢型焊条烟尘形貌呈碎片状，粒径1um 左右。酸性和二氧化碳保护，自保 护焊烟尘形貌呈絮状，粒径比低氢型稍大一些。酸性焊条烟尘中，无论其涂料组 成如何，氧化铁含量几乎占烟尘总量的5 0 。结4 2 2 焊条烟尘中的主要成分为氧 化铁，占5 0 左右。施雨湘等人。“j 对烟尘结构与形貌关系进行研究指出：酸 性焊条焊接烟尘中，随着烟尘粒子粒径的增大，粒子中的m n 含量逐渐增多；0 0 1 um 左右的烟尘粒子的晶体结构为f e ，o ；，而o 0 3 0 2p m ，o 3 o 5u m 的烟尘粒 北京工业大学硕士学位论文 子的晶体结构为混合相，较大粒径的粒子中含m n 的量要多一些。j 5 0 7 焊条烟尘 的主要物相是n a f ，c a f 。等氟化物以及f e 。0 。等尖晶石相，和含s i0 2 的非晶态物质。 尖晶石型粒子一般呈链、网状，非f e 元素含量随粒径增大面增多；氟化物型粒子 较大，可以孤立存在；非晶物质多包裹在晶态粒子表面上或层片状出现。焊条烟 尘粒子中存在非晶态物质，晶态物质主要由s i 0 。及它与其它氧化物、氟化物的熔 体在焊接急冷条件下形成，主要呈蜻蜒翅膀状、或呈壳层状包裹在晶态粒子周围 5 “3 ；还有资料表明e b w ，g t a w 和s m a w 发出的不同粒子呈壳状结构1 。“。 1 4 焊接烟尘的影响因素的研究现状 焊接烟尘的影响因素在国内外的研究都很活跃，主要集中在两个方面：一个 是焊接材料，关键是焊缝填充材料的成分和保护气体；一个是焊接工艺：焊接规 范、焊接方法、焊工操作水平等。 1 4 1 焊接材料因素 焊条的发尘率主取决于药皮成分，药皮中各成分含量及相互匹配对发尘率有 很大的影响，因此影响发尘率的因素较为复杂。低氢焊条( j 5 0 7 ) 药皮中增加发 尘率的主要成分是萤石和水玻璃，其反应产物产生的烟尘占总烟尘量的5 0 以 上，正好相当于低氢焊条比非低氢焊条多出来的量；一切含k 、n a 成分的物质， 如云母、长石和苏打等均增大发尘量；硅钙合金和镁粉有降尘作用。在焊条中各 种氟化物对焊接材料的发尘率影响顺序是：l i f n a f r e f 3 m g f ： c a r n a 2 s i r 无 氟( r e f 3 是金属间络合物) ；对于j 5 0 7 中萤石的加入量说法不一。陈剑虹认为是 1 4 较好，严永祥等人认为9 较好，徐天福等认为低氢焊条药皮中只要含有少 量的萤石( 2 ) 就会使发尘量增加。“。把药皮物质按其产生烟尘的情况分为三 类：物质本身产生烟尘低的其组成焊条的烟尘也低，如金红石；物质本身产生烟 尘高其组成焊条时烟尘不一定高，如菱苦土；另外一类物质就是加入后可以降低 材料的发尘挚2 二j 。也有资料；“认为碱性焊条中引用硅灰石( 一种天然偏硅酸钙矿 物c a s i 0 。，其中的c a o 和s i o ：接近1 ：1 ，具有直线膨胀系数小，结晶相变温度 第1 章绪论 窄等物理性质) ，同时尽量把熔渣调到中性，可以降低焊条烟尘和毒性。 实心丝的发尘率受含碳量影响，降低含碳量降低发尘率，m n 、s i 、a l 的含 量太低也会使发尘率增加础。小林实等“”。通过试验认为二氧化碳保护药芯焊丝的 发尘量同焊丝所用的钢带的含碳量成正比，如将钢带含炭量从通常的o 0 8 降 到o 0 4 5 以下( 最好o 0 2 ) 可以使发尘量减少3 0 左右，基本上与实心焊 丝发尘率相同，对于药芯焊丝如果降低钢皮和润滑剂里的含碳量可以大幅度的 降低发尘率。 保护气体方面，一般认为随着保护气体的氧化性增强，焊丝的发尘率会增加， 保护气体的性质还影响到焊接的工艺性能。”。 在降低焊接烟尘的毒性方面，j ld e n n i s 等人：“：在对含有l o 铬的金属芯 药芯焊丝加入活泼金属的研究中发现，加入l 的锌比对比组中加入l 的镁和 加入1 铝，六价铬含量要低，尤其是在加入1 的锌时，在1 8 v 焊接电压可以大 幅度的减少六价铬和烟尘总量。 1 4 2 工艺因素 工艺因素对焊条发尘率的影响，主要是焊接规范。不论是焊条还是焊丝，焊 接使用的极性不同发尘率不同；热输入增加发尘率也不同程度的增大。能量的输 入不但影响发尘率，而且还影响尘和发出气体的成分和结构，它们之间的关系十 分复杂。 影响焊丝发尘率的因素有：熔滴过渡方式、电弧形态、保护气体组分、焊接 飞溅等。在气体金属保护焊中，通常认为有两种熔滴过渡方式：颗粒过渡和喷射 过渡。颗粒过渡导致高的发尘率，喷射过渡可以适当的降低发尘率。保护气体的 氧化性增加，焊丝的发尘率也会增加；增加保护气体的氧化性会增加飞溅，飞溅 也可以提高焊丝发尘率。“，最近的研究表明药芯焊丝的焊接烟尘中，收集到的烟 尘中细微飞溅约占烟尘总重量的3 0 ，且属于可吸入物范围之内。”：。 在焊接烟尘发尘率的经验数学模拟方面，j 。h nh d e n n i s 等人曾经以焊接 电流、送送速度、焊丝成分等因素为基础建立了预测烟尘的检验公式。x i nh 等 。对于d c e p 和d c e n 实心焊丝和d c e p 金属芯焊丝的发尘率用单位千瓦时的发尘量 北京工业大学硕士学位论文 ( f f r = g k w h ) 表示。 1 5 低烟尘排放药芯焊丝的研究现状 目前国内很少开展低尘、低毒药芯焊丝的研究，国外的研究比较活跃。新产 品也不断有文献报道。从日本焊接材料需求的调查，要求降低烟尘的占1 8 5 ，改进后的d w 3 0 8 l 药芯焊丝由原来的6 4 0 m g m i n 减到4 4 0 m g m i n ，日本神钢 焊材还在1 9 9 5 年报道了一种低飞溅和低发尘率焊丝。，e s a b 公司在2 0 0 3 年介 绍了新研制的自保护低发尘率药芯焊丝。 1 6 研究目标和及研究任务 1 6 1 课题来源 本课题属于北京市教委科技发展项目。 名称：环境协调型焊接材料以及其环境评估。 本文承担该课题的“环境协调型药芯焊丝的研究”部分；“焊接材料的环境 评估”部分由本课题的合作者承担。 1 6 2 研究目标及研究任务 本课题从焊接材料方面进行研究，主要研究内容如下： 1 目前国内市售的常用结构钢药芯焊丝的发尘率以及烟尘的成分。研究不同 生产厂家及不同生产工艺铁粉的形态和粒度分布，以及形态和粒度分布对药芯焊 丝发尘率的影响规律；研究药芯焊丝常用的造渣物质对焊丝发尘率的影响。 2 在材料环境协调思想的指导下分析焊接材料的环境问题，提出环境协调型 焊接材料和药芯焊丝的内涵；对焊材的辅料进行初步的环境协调性分析。 3 研发出一种满足使用要求的环境协调型药芯焊丝。 3 第2 章实验方法与设备 2 1 药芯焊丝的制备 2 1 1 制备方法与设备 实验用药芯焊丝的制备采用本校f c l ；v m 5 0 多功能粉芯线材成型机，具体的制 作过程包括： 1 合金及矿物粉的配制：将粉料按配方设计的比例称出并混合均匀，然后 放入轧丝机的送粉器中。 2 丝材的轧制成型：金属带经过几道轧辊的轧制后成槽形，将合金粉送入金 属槽内，再经过几道轧辊的轧制后钢带逐步闭合成圆形。轧制过程见图2 1 。 3 拔丝：轧制成型的丝材，在拔丝机上使其分别通过直径为：2 9 5 m m 、2 7 f i 皿、 2 4 i i l i n 、2 2 m 、1 9 m m 、1 8 姗、1 5 衄、1 3 i i j i n 、1 2 m m 的拉丝模，逐道拉拔、减 径，最后直径达到1 2 姗。 裁带轧带加粉拔丝 图2 1 焊丝的制作过程 2 1 2 加粉系数的测定 药芯焊丝的加粉系数是指粉芯与整个焊丝的质量比。测试方法为：首先用天 平称出一段焊丝的质量，然后把该段焊丝内部的合金粉去掉，再称出外皮的质量， 最后根据公式2 1 ： 北京工业大学硕士学位论文 p = ( 聊。一m 1 ) 聊o ( 2 1 ) 式中p 为加粉系数；m 。为焊丝的质量；m 。为焊丝外皮的质量；即可计算出焊 丝的加粉系数。本实验药芯焊丝的加粉系数在1 6 2 1 。 2 2 发尘率的测试方法与设备 测定焊条发尘率的方法，瑞典、荷兰、比利时、捷克和美国采用半封闭抽气 捕集法，日本采用抽气与光电弥散法，英国是在特定的实验室里进行焊接，然后 采样测定烟尘。随着新技术新材料的应用，为提高测定烟尘的实时性和准确性研 究人员不断更新标准并设计了新的测试设备，国内外的设备大同小异，只是个别 的部位有些不同o ；。”n 。 本文所有实验的烟尘采集和发尘率的测试，采用我国焊条检验、包装和标 记国家国标g b l 2 2 5 7 6 中规定的半密封抽气捕集法，每种焊丝测试三个样，然 后取三个样发尘率的平均值作为该种焊丝的发尘率。发尘率测试设备为国产h y 一8 0 型焊接烟尘测定器，见图2 1 。本课题对图2 一l 捕集器放置虑网和虑膜部 分进行了改进，使密封性能更好且能保证烟尘全部经过玻璃纤维空气虑膜。选用 北京联谊兴通用设备有限公司生产的直径1o o m 玻璃纤维虑膜，过滤最小直径为 0 9 】um 。 卜试板2 一观察孔3 一集尘器简体4 一滤腹5 - 铜网 6 一真空胶管7 一流量计8 一阀门9 一真空泵 图2 1 烟尘收集装置 f i g 2 1t h ed e v i c ef o rf u m e 窖e n e r a t i o na n dc 0 1 l e c t i o n 第2 章实验方法与设备 2 2 1 发尘率测试前的准备工作 1 截取实验用焊丝每段约1 l o 克左右的三段，用1 1 0 0 工业天平称重、编 号、记录，备用。 2 将直径为1 0 0 i i j i n 的玻璃纤维虑膜和2 克脱脂棉一起装入塑料自封袋内， 用1 1 0 0 0 0 电子分析天平称重( 共三个编号：i ，2 ，3 ) ；取8 克左右脱脂棉单独 放入自封袋且不装虑膜，编为4 号，称重并记录，四个袋子为一组备用。 3 将2 0 0 c m 3 0 0c m l oc m 的试板q 2 3 5 去锈、去油各用。 4 实验用焊接工艺参数，参见表2 1 。 表2 1 烟尘测试工艺规范 t a b l e2 1p a r a 孤e t e r sf o rw e l d i n gf u m eg e n e r a t i o n s 名称 参数 焊丝直径 保护气体流量 保护气体成分 焊接电压 焊接电流 2 2 2 测试过程 测试过程采用焊条检验、包装和标记国家国标g b l 2 2 5 7 6 中规定的测试 步骤进行：将去锈和去油2 0 0 c m 3 。oe 耵1 l oe m 的试板放入清理干净的集尘筒 体中；将程量后并编号为l 号的袋子中的玻璃纤维虑膜“毛”面向下放在支撑虑 膜的位置；打开真空泵，调节流量至1 4 0 l m i n 先抽气3 5 分钟左右；打开二 氧化碳气体保护焊机和保护气，把准备好的焊丝装入焊机；在集尘简体中放好的 试板上施焊，焊丝用到不能送丝后，停止施焊，同时再继续抽气大约5 分钟左右， 待集尘筒体内空气干净后，停掉真空泵；然后称量剩余焊丝；取出虑膜，并擦拭 虑膜支撑装置。同样的方法连续换装虑膜，并把剩余的两个试样焊丝同样的方法 施焊；做完每一组最后一个试样，取出虑膜，打开腔体，用第4 号袋子中的脱脂 帆 n 胁 吖 弧 胁 僦 嬲 蚴 5 k 口 e 2 棉对集尘筒体内壁整体擦拭，把用过的脱脂棉放回原来的袋子里以备称量。把收 集烟尘后的袋子二次称重并记录。 22 3 发尘率的计算方法 发尘率的表示方法通常有两种：单位时间产生烟尘的质量g i n 和单位重量 焊材的发尘质量g k g 。本课题采用后一种方法计算发尘率。 将所有的数据记入测尘记录表中( 示例表格见表2 2 ) 备用，按照式( 2 2 ) 计算某一个焊丝试样的发尘率( 每公斤焊丝的烟尘总量) 。 f g r ：垒五。1 0 0 ( 2 2 ) q 领= 鲺+ ( 厂l - 厂。) 兄 ( 2 3 ) 粥詹一焊丝发尘率，领收集到的总尘量，q 一实际消耗的焊丝量，兀 一虑膜上收集到的烟尘重，厂1 ，一焊前4 号袋子重量，+ 。一焊后4 号袋子重量， 一该焊丝试样占三个试样总重的百分比例。 表2 2 测尘记录表 t a b l e2 2r e c o r do ft h ef u m ec o l l e c t i o n 焊丝编号 l 一1 撑1 2 #1 3 # 1 4 # 脱脂棉袋子 焊前焊丝重( g ) q 。 焊后焊丝重( g ) q t 融化焊丝重( g ) 6q 焊前虑膜、袋子重( g ) f 0 焊后虑膜、袋子重( g ) f 1 收集到尘重( g ) f o 焊丝实际发尘重量f 发尘率( g k g ) f f r( 平均发尘率) 2 3 本实验的其它分析测试方法与设备 焊接设备选用p s s 5 0 0 0 型二氧化碳气体保护保护焊机，由k e p n 公司生产： 采用万分之一高精度电子天平称量虑膜的增重；本校分析测试中心的分析测试平 台：利用x r f 一1 7 0 0 型x 射线荧光光谱仪分析烟尘所含元素的含量，利用d m a x 一3 c 全自动x 射线衍射仪分析烟尘的物相；采用f e i 公司生产的q u a n t a 一2 0 0 申子显 微镜( s e m ) 及能谱分析仪( e d a x ) 铁粉的表面形貌以及焊缝断口；用汉诺威电 弧分析仪对焊丝的电弧进行分析。 2 4 本章小结 本章就实验中涉及的焊丝的制作、药芯焊丝加粉系数测试，烟尘的采集 以及数据的处理方法进行了说明，并就烟尘的元素分析、物相分析的实验方 法和设备做了介绍。 3 1 引言 第3 章结构钢药芯焊丝的焊接烟尘 焊接烟尘直接来源于焊接材料，焊丝的发尘率受焊接方法、焊接工艺参数以 及材料本身的影响，因此，研究焊接材料的成分对发尘率的影响规律具有很重要 的意义。研究烟尘的来源以及影响焊接烟尘的囚素，应首先分析该种焊接材料烟 尘的具体成分、含量以及发尘率大小。 本章系统分析和测试了国内市场上销售的四种结构钢药芯焊丝烟刍三物相组 成和发尘率，初步研究了药芯焊丝中添加物质和烟尘成分的对应关系，并对焊丝 中烟尘的来源物质做了初步分类，同时测试和分析了实心焊丝( h 0 8 m 1 1 2 s i ) 的发 尘率和烟尘成分，为今后深入系统研究药芯焊丝的茨尘规律、降低焊丝发尘率、 开发环境协调型药芯焊丝提依据。 3 2 试验材料选用 采用市购四个厂家的药芯焊丝，焊丝的产地、规格以及熔渣的酸碱性见表 3 1 ，知道焊丝w l 、w 4 的具体成分，不了解w 2 、w 3 具体的成分，可以对比焊丝 w l 、w 4 的成分与其烟尘成分之间的关系，焊丝w 5 为实芯焊丝h 0 8 m n 2 s j 。 表3 1 试验崩药芯焊丝 t a b l e3 1f l u x c o r e dw i r e sf o re x p e r l m e n t 5 编县 w l w 2w 3w 4 w 5 一一一 产如 北京天津 上海北京一 酸碱性焊丝直径 酸性1 2 m m酸性l2 m m 碱，l2 m m 酸性1 2 m m h 0 8 m n 2 s 3 3 药芯焊丝的发尘率和烟尘成分 烟尘采集的焊接工艺参数见表2 一l 。对袁3 1 所列焊丝的烟尘进行分析 烟尘采集的焊接工艺参数见表2 1 。对袁3 1 所列焊丝的烟尘进行分析 北京工业大学硕士学位论文 其i c p 元素含量分析以及x 射线衍射分析结果见表3 2 。烟尘中铁元素的含量 以焊丝w 1 最多，焊丝w 2 和焊丝w 3 相差不大，锰元素的含量w 1 、w 2 、w 3 三种焊 丝中大致相当，焊丝中都含有少量的镁元素，但三者镁元素含量的差别比较大； 烟尘中铁、镁、锰元素的含量随着发尘率的增加而降低；焊丝的发尘率也随着厂 家的不同而有不同程度的差异。 表3 2 烟尘的x 射线衍射、i c p 测试吼及焊丝发尘率结果 t a b l e3 2x r a vd i f f r a c t i o n 、i c pt e s tr e s u l t o ft h ef u m ea n df g r x 射线物相分析以及半定量结果见图3 1 图3 5 。从x 射线衍射物相分 析结果可以看出：三种焊丝焊接烟尘的物相均以各个价态的铁、锰的氧化物，以 及它们氧化物的复合盐为主；x 衍射的半定量分析结果表明：铁的氧化物占4 0 左右，锰的氧化物占2 0 左右；含有氟化物的焊丝烟尘中氟化物的含量占2 0 左右，其余为成分比较复杂的物质；实心丝的物相种类相对较少，3 4 节详细 分析。 焊丝中加入了大量的铁粉以及部分脱氧用的金属以及金属合金，焊接冶金过 程中金属的氧化和脱氧反应十分激烈，c o 。气体保护焊的冶金反应是在氧化性气 氛下进行，对烟尘中金属的氧化物的生成，尤其是铁的氧化物的生成更为有利， 因此，烟尘中铁的氧化物含量占有绝对的优势。对于同一型号的结构钢焊丝都是 按照国家标准要求的熔覆金属成分进行设计和制造，除了造渣物质有一定的差异 外，焊缝中锰含量相差不大，因此，各种焊丝中锰的含量应该比较相近，在进行 合金过渡时损失量也可能大致相当，最后导致烟尘中锰的含量相近。 烟尘中都含有镁元素，说明焊丝中都含有一定量的镁、镁合金或氧化镁，镁 及镁合金在焊接冶金的过程中主要是起到脱氧作用，脱氧后以氧化镁或者镁与其 它的氧化物以复合盐的形势存在于熔渣和烟尘中，如图3 3 中可以见到镁以复 合盐的形式存在。由于焊丝中加入镁的量一般较少，所以烟尘中镁元素的含量不 高，再加上不同的配方含镁元素的物质加入量也不尽相同，焊丝w l 和焊丝w 2 的 烟尘的镁元素含量相近，焊丝w 3 的含量与前两个焊丝的差别较大就不难得到解 释。 1b0 0 14 日0 12 oo 亩 1o0 0 8 o o ： 6 0 0 400 2 o 0 o 18 0 16 0 14 0 12 0 o 毒 1d o 1 8 0 6 。 4 。 2 。 。 图3 1 试样w 1 的烟尘x 射线衍射结果 f i g 3 一lx r dr e s u l to fs a m p l ew 1f u m e 图3 2 试样w 2 的烟尘x 射线衍射结果 f i g 3 2x r dr e s u l to fs a m p l ew 2 f u m e 图3 3 试样w 3 的烟尘x 射线衍射结果 2 0 3040 5 口 b 07d8 口 2 t he t a sc a i e 图3 4 试样w 4 的烟尘x 射线衍射结果 f i g 3 4x r dr e s u no fs 锄p l ew 4 f u m e 一般焊丝中都含有一定量的硅和锰，实现硅锰联合脱氧，有的焊丝中还含有 一定量的石英，以及含硅的化合物。在x 射线衍射和荧光光谱分析中硅的含量极 少，甚至探测不到，这可能是因为焊接材料中的硅以及硅的化合物在焊接冶金反 应后，进入到烟尘中的量很少或者是由于仪器的分辨率有限而探测不到。但是， 如果结合i c p 分析的结果( 表3 2 ，也检测不到硅含量) 来看，烟尘中硅元素 的含量仍然较低。 焊丝中其它含量较少的物质，在烟尘中的含量也相应的较少，由于分析手段 第3 苹结构钢药芯焊丝的焊接烟尘 的原因，很难准确分析其含量。 有研究表明。“，酸性焊条烟尘中，氧化铁含量几乎占烟尘总量的5 0 结4 2 2 焊条烟尘中的主要成分为氧化铁，占5 0 左右，烟尘中的结晶相为f e 。o 。与m n f e 。o 。 及少量m g o ；对于碱性焊条，j 5 0 7 焊条的