（材料加工工程专业论文）高效不锈钢焊条工艺性能的研究.pdf

s t u d yo nt h eu s a b i l i t yo f e f f i c i e n ts t a i n l e s ss t e e l e l e c t r o d e a b s t r a c t t h eu t i l i z a t i o no fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d eh a sb e e nb e c o m i n gw i d e s p r e a dd a yb y d a ya l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo a rc o u n t r y se c o n o m y ，a n dt h eq u a n t i t yo f r e q u i r e m e n ti n c r e a s e sy e a r l y i ti sm o r ei m p o r t a n ta n dc o m p l e xt oi m p r o v et h e u s a b i l i t yo fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d et h a ns t r u c t u r es t e e le l e c t r o d e t h o u g hag r e a td e a l o fr e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h et w od e c a d e s ，t h eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e ss u c ha s a ca r cs t a b i l i t y , s l a gd e t a c h a b i l i t ya n d s p a t t e ra r en o ta sh i g ha sf a m o u sb r a n d p r o d u c t sa b r o a d i no r d e rt og e tt h eu s a b i l i t yo fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d eb e t t e r , t h e i n f l u e n c ef a c t o r s - - - c o r ew i r e sa n dc o a t i n gc o m p o n e n t sh a v eb e e ns t u d i e di n t h i s p 印e l b a s e do nw e l d i n ga r cp h y s i c sa n dm e t a lm e t a l l u r g i c a lt h e o r y ，t h eh e a t e d p h y s i c a lp r o p e r t yo fc o r eh a sb e e na n a l y z e d i no r d e rt oo v e r c o m et h eo p e r a t i o n a l p r o p e r t i e sg e t t i n gp o o rs u c ha se l e c t r o d er e a rc o a t i n gr e da n dc r a c kw h e nw e l d i n g ， t h ec o r ew i r eh o c r l 3h a sb e e na d o p t e d ，a n dt h et e c h n i c a lp l a nf o ra l l o yt r a n s f e ri s t h r o u g ht h ec o m m o na c t i o no f c o r ew i r ea n dc o a t i n gi n g r e d i e n t s i na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n te f f e c t so fc o a t i n gc o m p o n e n t s ，b a s e do nat y p i c a l f o r m u l a , t h r o u g ht h ei n i t i a le v a l u a t i o ne x p e r i m e n tf o rt h eu s a b i l i t yo fe l e c t r o d e ，t h e s u i t a b l es c o p ef o rc o a t i n gc o m p o n e n t sh a sb e e nf i x e d ， u s i n gt h em e t h o do fm e a s u r i n gt h el e n g t ho fa r cb r e a k ，t h er e l a t i o nb e t w e e na c a r cs t a b i l i t ya n dc o a t i n gc o m p o n e n t so fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d eh a sb e e ns t u d i e d t h em e c h a n i s mo fi m p r o v i n gt h ea ca r cs t a b i l i t yh a sb e e nd i s c u s s e db a s e do nt h e t h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h ed r o p l e tc a nb ef i n e d ，t h el e n g t ho fa r cb r e a k c a nb ei n c r e a s e db ya d j u s t i n gt h ep r o p o r t i o no ff l u o r i t ea n dr u f f l e ，t h ep r o p o r t i o no f f l u o r i t ea n dc a l c i t e ，a n dt h ep r o p o r t i o no f f e l d s p a r , f e r r o t i t a n i u ma n dr u f f l e t h em a c r o s c o p i cf r a c t u r eo b s e r v a t i o na n dc h e m i c a la n a l y s i sf o ro x i d e si ns l a g h a v eb e e nd o n e a l s ot h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n a l y s i sh a sb e e nd o n eu s i n gs e m a n dc h e m i c a ic o m p o s i t i o no nt h ep h a s e sh a sb e e nd e t e r m i n e db ye l e c t r o nm i c r o p r o b e t h el a w s ，i nw h i c ht h em a c r o s c o p i cf r a c t u r ea p p e a r a n c eo fs l a g ，t h ek i n d so fo x i d e s ， t h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dt h ep h u s ec o m p o s i t i o ni n f l u e n c et h es l a gd e t a c h a b i l i t y , h a v eb e e nd i s c u s s e dc a r e f u l j y t h et e s th a sb e e nd o n et os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e nc o a t i n gc o m p o n e n t sa n d s p a t t e rl o s sc o e f f i c i e n to fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d et h ee f f e c t so fc o a t i n gc o m p o n e n t s a n dt h e i rm u t u a la c t i o n so nt 1 1 es l a gd e t a c h a b i l i t yh a v eb e e na n a l y z e d t h el a w s ，i n w h i c ht h ec h a n g eo ft h et o t a ls i l i c a t e ，t h et o t a lc a c 0 3a n dm g c 0 3i n f l u e n c et h e s p a t t e rl o s sc o e m c i e n t h a v eb e e ns u m m a r i z e d k e yw o r d s s t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d e ；a r cs t a b i l i t y ；s l a gd e t a c h a b i l i t y ； s p a t t e rl o s sc o e f f i c i e n t 第1 章绪论 焊接材料是决定焊接接头质量的关键因素之一，自从采用熔化方法连接金 属材料的焊接工艺以来，焊接技术得到了迅速发展，与其配套的焊接材料，包 括焊条、焊丝、焊剂也有了很大改进。有人说焊接是七分材料三分工艺，不管 此说法正确与否，它确实表明焊接材料的重要性。 在电弧焊发展初期，是用光焊条进行焊接，不易引燃电弧，电弧不稳定燃 烧，焊接飞溅大，焊缝不连续，成形极差；囡缺乏保护作用，空气直接参与了 焊接时的冶金过程，焊缝金属吸收了大量气体( 氮和氢) ，金属的性能极脆，焊 接接头没有实用价值。而如今焊接材料的发展进入药芯焊丝时代，用药芯焊丝 进行焊接，自动化程度高，生产率高，焊缝能获得广泛的合金元素，可获得各 种优质的焊接接头，使焊接材料的发展进入崭新时代，推动了整个焊接事业的 发展。 焊接材料从光焊条到薄药皮焊条，埋弧焊丝、气体保护焊丝到今天的药芯 焊丝，经过了长期的发展，每种新材料的出现都使得焊接技术的发展产生了一 个新的飞跃。 现在焊接材料已经广泛应用于造船、桥梁、车辆、压力容器、工程机械和 原子能等工业领域，在经济建设中起着举足轻重的作用。对焊接材料无论在品 种、质量和产量方面都提出了更高的要求，受到各行各业的极大关注。在焊接 材料的产量中，焊条的产量占主要地位。如图1 1 是2 0 0 1 年中国各种焊接材料 的产量。 图卜12 0 0 1 年各种焊接材料产量 f i g 1 - 1o u t p u to f w e l d i n gm a t e r i a l si n2 0 0 1 1 眙尔滨理1 二大学1 二学硕士学位论文 另外，像海洋资源的开发和利用，近、远海石油钻井平台的建造，大型长 距离石油管道的铺设，以及极地环境中各种设施的建设等，因为施工条件受到 一定限制，所以设备简易、轻便的手工电弧焊这种焊接方法，在上述领域中得 到广泛应用。然而，由于在上述环境中服役的焊接构件的技术性能指标要求很 高，工艺流程严格，以及尽可能提高生产效率，减少浪费，降低产生费用等， 这就要求焊条本身能够进一步发展，具有优良的焊接工艺性能，以适应各种条 件下的需要。因此，一直以来国内、外焊接工作者对焊条的工艺性能进行了一 系列的研究。 1 1 电焊条的发展概况 11 1 电焊条的发展概况 焊接技术的发展基本上是焊接材料和焊接方法的发展，相辅相成，互相促 进又互相制约。 1 8 0 2 年，俄国科学家彼得洛夫发现了电弧现象，并证明了利用电弧熔化金 属的可能性：1 8 8 1 年，俄国发明家贝纳尔多斯发明了利用炭精电极进行电弧焊 接的方法。利用电弧焊焊接零件时，不需要对整个零件进行加热。任何尺寸和 任何外形的金属结构都可以用牢同而密实的焊缝结合起来。这样就出现了电弧 焊，这是玛世纪一项杰出的发明。但是当时焊接材料的研制没有跟上去，未达 到实用的程度。贝纳尔多斯多的同代人俄国工程师斯拉维扬诺夫用金属熔化电 极代替炭精电极，从而完善了贝纳尔多斯的发明，这位发明家建议用熔渣保护 焊缝，不让空气进入焊缝之中，从而使焊缝更加坚实可靠。i 8 8 8 年俄国的n g 斯拉文诺夫发明了光焊条。但光焊条有电弧不稳定等一系列缺点，还是不能达 到实用目的。 2 0 世纪科学技术的杰出成就，奠定了现代焊接方法的基础。2 0 世纪2 0 年 代，出现了薄皮焊条，即在光焊条表面涂上1 2 的稳弧剂( 粘土和石灰) ，虽 然焊接能顺利进行，但未能克服其它缺点，焊接接头质量极为低劣，终被淘汰。 2 0 世纪3 0 年代后期，出现了优质电焊条，也就是目前仍在使用的所谓厚药皮焊 条。这种厚药皮焊条是在光焊丝上涂有4 0 - - 5 0 由l o 种左右的矿石粉、化学药 品和铁合金等组成的药粉，起着造渣、造气、稳弧、稀释、合金、脱氡、粘结 增塑等作用，保证了焊接过程的稳定以及优质焊接接头的获得。由光焊条到薄 呛尔滨理工人学工学琐 学位论文 皮焊条再发展到优质厚药皮焊条，焊条的发展经过了几次飞跃”。4 1 。 电焊条是一种消耗量大的工业产品，在全部焊接材料中所占比重较大。特 别是1 9 0 4 年瑞典人奥斯卡、凯吉尔伯格建立了世界上第一个涂料焊条厂，即现 在著名的瑞典伊萨公司( e s a b 公司) ，1 9 1 7 年丌始用机械化方法压制和生产电 焊条。同期，欧、美各国对焊条药皮分别进行了大量研究。目前，在焊条的制 造和使用方面，美国主要用钛型、高钎维素型利低氢型焊条，为了提高熔敷效 率，在钛型和低氢型焊条药皮里加入一定量的铁粉。在欧洲主要是使用钛型、 钛钙型和低氢型焊条，但北欧使用低氢型焊条所占比例较高，而且和美国一样， 发展高效铁粉焊条。同本用于低碳铜的焊条药皮类型主要是钛铁矿型、钛钙型 和铁粉氧化铁型，用于高强度钢、特殊钢和表面堆焊的几乎都是低氢焊条。表 卜1 及图l 一2 是世界各国焊接材料产量的情况”。 表卜l 目前一些国家和地区的焊材构成比例( 1 9 9 7 年) t a b l e 1 - lt h ep r o p o r t i o no f w e l d i n gm a t e r i a l si ns o m ec o u n t r i e s ( 1 9 9 7 ) 焊条气体保护实芯焊丝药芯焊丝j ： f ! 弧焊焊材 总精 国家或地区 万吨 万吨 7 i 吨 万吨 万吨 中国( 大陆) 7 96 328 87 10 20 1 61 29 68 0 日本 2 07 24 l1 482 79 81 24 23 6 美国 2 9l o83 11 2 43 01 28l o4 o4 0 西欧 2 61 6 25 63 3671 421 16 66 0 1 1 2 国内电焊条的发展概况 我国是一个钢铁大国，但不是钢铁强国。我国的钢年产量1 9 9 8 年就达1 1 4 吨，这些钢材约有5 0 作为结构材料需要焊接。根据焊接自动化水平的不同，焊 接材料的消耗量占结构钢材消耗量的o 6 】6 ，所以我国自然成了焊接材料生 产大国，但同样不是焊接材料生产强国。目前世界各国焊接材料年生产量约4 0 0 多万吨，我国大约为13 0 万吨，居世界第一位。其中包含电焊条【9 】见表1 1 。 新中国成立以前，全国只有几家小作坊，采用手工方法蘸制电焊条，焊条质 量差，多用于修补工作。我国的焊条制造业始于1 9 5 0 年兴超，开始是采用半机 械气动焊条压涂机生产焊条，1 9 5 2 年上海电焊条厂研制成功了螺旋式连续压涂 机，并有了切丝机、送丝机等焊条生产的附属设备，使焊条生产进入机械化生产 阶段。焊条品种也由早期的模仿转变为独立研究丌发。焊条制造业已成为机械制 造中不可缺少的独立行业。 白1 9 8 0 年以来，我国焊条行业有2 0 多家企业和科研单位先后引进了瑞士奥 利康、瑞典伊萨、德国万沙、日本神钢等公司的焊条生产线、压涂设备、先进配 方和检测仪器等。通过技术引进、消化和企业技术改造，焊条质量、品种取得了 长足进步，有约j o 个厂家的产品取得了中国c c s 的认可，有3 0 多个厂家的产品 取得英国l r 、美国a b s 、挪威、n v 、日本、n k 等国际上权威级团社的认可。 我国还以独创的“先涂后切”工艺成批生产出了直径0 8 n u 。| n 、1 8 m m 的特细焊 条，并发明了具有良好冶金特性、优异工艺性能的高效连续涂层焊条，在焊接材 料的发展中取得了一定的成绩”。“。 但焊条在产品结构上仍然以低品位普通焊条为主，高效率和高技术含量的 焊条产品所占比例较小，重要工程的焊条，主要依靠进口。我国焊条产业与工 业发达国家之间的差距已不在产量上，而是在整体素质和科研水平上，包括人 员素质、生产装备，检测技术和产品研发等方面。 近年来，我国焊接材料产品的结构也发生着改变，总体趋势是电焊条的产量 由逐年增加而至稳定并有减少的趋势，焊丝( 包括气体保护焊丝和埋弧焊丝) 、 烧结焊剂的产量正在逐年增加，焊接材料总产量增长也由快而至缓慢，通用焊接 材料生产的集中度逐年提高，不断向大型企业集中，小型企业正在寻求特色产品 和特定市场的经营。目前我圈焊条生产企业大约有4 0 0 余家。其中，具备完善生 产条件、检测手段和合理的质保体系的约2 5 0 家，具备一定生产条件，缺乏检测 手段的近1 5 0 家，全行业的生产能力约1 5 0 万吨，远远超出市场的需求。电焊条 生产企业分布于除西减以外的各个地区。隶属于机械、冶金、能源、造船、农业 等各部门，经济类型有：国有、集体、私营、合资、独资、股分制等。我国焊条 除满足国内使用外，近年尚有部分出口，每年约4 万吨左右“。 焊条生产一方面应适应工业发展的需要，发展焊条品种，另一方面应不断 提高焊条质量。其中，主要是焊条在焊接过程中保持的工艺性能的稳定。从焊 条生产总体来看是低档次、低品质的焊条供大于求。焊条的主导产品j 4 2 2 已呈 饱和状态，库存积压严重，但市场急需的商品质特种焊条短缺。管线用纤维素 型和低氢全位置向下焊焊条、船舶行业使用的高效铁粉焊条、石油化工行业短 缺的超低碳不锈钢焊条、耐发红的不锈钢焊条、交流施焊的高塑性、高韧性的 低氢焊条等急待开发。仅1 9 9 3 年国外进口焊条达l 万吨用资金约2 4 0 0 万美元， 所以应及时调整焊条产品结构“。 在新的世纪里，科技进步将对生产效率产生更大的影响，焊接材料的研制， 一方面是在传统产品的框架内求得发展，另一方面是新一代超强钢材的出现，对 焊接材料将产生重大变革。 为了适应焊接生产向高效率、高质量、低成本方向发展，各国都在努力调 整焊接材料产品结构，从日本、美国、西欧等发达国家和地区焊接材料发展来 看，虽然手工电弧焊条不断减少，自动焊接材料将不断增加。但电焊条的总产 量将维持不变。因此，手工焊接在相当长一段时问内还会起重要作用，因为它 比自动焊接灵活，特别是对于短缝焊、形状不规则的焊缝、质量要求高的焊缝 等，往往只能采耿手工焊。所以，应继续对现有的焊条品种质量进行优化，研 制工艺性良好的焊条，结束依赖进口的局面，以适应我国各行业生产发展的需 萼。 1 2 不锈钢焊条的发展概况 随着我国经济的迅速发展，具有优良的耐腐性，抗氧化性、耐热性及良好 的机械性能和加工性能的不锈钢，被广泛地应用于石油化工、医疗器械、食品 机械和原子能等工业。从1 9 9 0 年占世界不锈钢消费量的3 上升为2 0 0 0 年的l o - - 1 5 。经统计，1 9 9 8 年我国不锈钢的表观消费量达到1 3 0 万吨，1 9 9 9 年表观消 费量达到了1 5 0 万吨；2 0 0 0 年表观消费量达到了1 6 5 万吨以上。根据过去两年 不锈钢消费的增长速度及发展趋势，参考国民经济增长的速度，预测2 0 0 5 年中 国大陆不锈钢消费总量将达到2 3 0 万吨，成为世界第一。 焊接材料消耗量与钢材用量成正比，随着不锈钢用量的增加，不锈钢焊材 将同步增长。根据统计结果和一些未统计的企业情况加上进口的焊材，2 0 0 0 年 我国共消耗不锈钢焊材约11 0 0 0 吨，2 0 0 1 年共消耗不锈钢焊材约1 2 0 0 0 吨。加 上未统计进去的焊丝量，2 0 0 1 年我国消耗的不锈钢焊材量约为1 5 0 0 0 吨。预计 至2 0 0 5 年消耗不锈钢焊材量将达到2 1 万吨，2 0 1 0 年将达到3 5 力吨”。1 。所以 说我国已是名副其实的焊材生产和使用大国，如图1 2 所示。不锈钢焊条作为主 要的焊接材料需求量将越来越大。 图卜2 焊材消耗量( 2 0 0 0 年2 0 1 0 年) f i g 1 - 2 t h ep r o p o r t i o no f w e l d i n g m a t e r i a l s ( 2 0 0 0 年2 0 1 0 年) 不锈钢焊条的应用日益广泛，需求量逐年上涨。不锈钢焊条的研究与生产 也一直占有重要地位。但是，目前国产的不锈钢焊条的工艺质量，并不是在所 有的情况下都能满足实际应用的。虽然我国焊接界二十多年来做了大量的研究 工作，市售的不锈钢焊条大部分是采用国内技术生产的，其工艺质量比以前有 了较大提高，但与国外同类名牌焊条相比，仍存在一些像电弧不稳定、脱渣性 差、飞溅大、药皮发红、开裂等问题需要进一步解决。使不锈钢焊条的产品质 量再上一个台阶，对于节约不锈钢焊接材料，减少浪费，降低焊工劳动强度， 提高我国不锈钢材料结构的焊接应用技术水平与结构安全性，开发新一代赶超 世界先进水平的国产不锈钢焊条，具有重要的技术意义和经济价值。 与结构钢焊条相比，不锈钢焊条的工艺性能显得更重要，问题也更复杂。焊 条的工艺性能主要包括：交流稳弧性、脱渣性、飞溅、成形等。 1 2 1 交流稳弧性 交流稳弧性直接影响焊缝的形成和质量。结构钢焊条交流稳弧性的研究有 过报道，可是有关酸性药皮的不锈钢焊条交流稳弧性的报道很少。一般认为不 锈钢焊条交流稳弧性的好坏，与很多因素有关，其中就有与加入药皮中的有反 电离作用的c a f 2 、有造渣作用的t i o 。等药皮的组成物有关。对使用量较大的国 产a 1 0 2 、a 1 3 2 等焊条来说，交流稳弧性水平不一，有的在较低空载电压( 低于 7 0 v ) 时发生喘息和断弧现象i 有的交流稳弧性虽然很好，但又有脱渣、飞溅等 工艺性能指标差的倾向“”。 1 2 2 脱渣性 影响不锈钢焊条脱渣性的因素主要有： ( i ) 熔渣的氧化物成分：钛钙型不锈钢焊条熔渣的化学成分比较复杂，多 达十几种。渣中的a l 。o 。、c r ：o 。这类尖晶石型氧化物对粘渣起一定作用。熔渣中 各类氧化物在冶金过程中的交互作用比较复杂，对脱渣性有很大的影响。熔渣 的碱度在一定程度上可以反映各类氧化物的交互作用。 ( 2 ) 熔渣的显微组织：焊接熔渣的显微组织特点是具有明显的不均匀性 钛钙型不锈钢焊条的熔渣大体由三种相组成，即暗色基体、白色第- - k - 目及白色球 状相。每种相的数量、形状的不同，均影响着焊条的脱渣性。熔渣与焊缝金属 之问的线膨胀系数差值大，容易脱渣。渣中f e o 含量的多少影响粘渣的程度”1 。 1 2 3 飞溅 8 0 年代初对不锈钢焊条的研究发现，焊条的熔滴过渡形态对工艺性能有重 要影响。只有在渣壁过渡时，焊条的飞溅最小“1 。而渣壁过渡形成条件，一是 细化熔滴，它与药皮组分中细化熔滴物质即焊条的配方有关；二是形成较深的 套筒，深套筒是渣壁过渡的形成条件和必然结果；三是一定的药皮厚度，药皮 厚度的增加可使套筒增长，熔滴变细：四是适合的焊接规范。 1 2 4 焊条的其他工艺性能 药皮温升开裂的影响因素主要有三个：一是焊条的金属过渡特性，二是药 皮的性能，三是焊接工艺。尽量采用较低电阻系数的钢丝作焊芯，增加药皮厚 度，利用药皮过渡较多的合金元素。调整药皮组成物的种类和含量，实现熔滴 的渣壁过渡形态，改善药皮塑性变形能力是控制焊条药皮温升开裂的途径。 不锈钢焊条的气孔大都属于氢气孔。首先是由于药皮中硅铝酸盐含量较多， 焊接过程中药皮组成物结晶水的分解，使电弧气氛中氢的分压增大；其次是药 皮中碳酸盐含量较少，电弧气氛中氧化势低，对氢的抑制作用小；另外，焊接 冶金过程中s i o ：中的硅被还原进入熔池，硅是表面活性元素，能阻止氢从熔池 中逸出。解决的方法有：( 1 ) 控制药皮的含水量。( 2 ) 增强熔渣氧化性，可使 冶金过程中硅的还原弱化，同时增大氢的逸出速度，对防止气孔有利。熔渣碱 度的增加，使焊缝的含氧量减少，导致硅还原过程被减慢，从而减小气孔的倾 向。( 3 ) 目前用的粘结剂是水玻璃，其中含有大量的s i o 。，它的模数、浓度及 加入量不同时，对硅的还原有不同影响，都会对气孑l 的产生起作用1 2 i i a 以钛钙型焊条为例，在正常规范下施焊时，一根焊条前段和后段的工艺性 能往往发生很大变化：焊条前段工艺性能较好，但随着焊接的进行，焊条后段 逐渐被加热，温度升高，甚至焊条尾部发红、药皮温升开裂、飞溅增大、脱渣 性差、焊缝堆高增加、波纹变粗变长、焊缝出现气孔，严重影响焊接质量。 1 3 课题的提出 长期以来，国产不锈钢焊条一直存在着上述质量方面的问题，在对结构件 进行焊接的过程中，一旦出现上述问题，就会造成：( 1 ) 焊接材料的浪费；( 2 ) 耗时费力的返修；( 3 ) 如多次返修或返修不当，还会给结构留下不安全隐患。 国内焊接界为解决此问题从未间断过努力，寻找改进不锈钢焊条性能的途径。如 采用较低电阻系数的钢丝作焊芯，对降低药皮发红有一定作用；合理调整药皮 配方，充分发挥组分间的有利交互作用；控制熔滴过渡形式，实现细熔滴渣壁 过渡的形态对交流稳弧性、药皮的抗温升开裂、减少飞溅、改善脱渣性等有利。 另外，注意选用适当的焊条药皮厚度及烘干温度来提高焊条的工艺性能。 不锈钢焊条的工艺质量虽然比以前有了很大提高，但与进口不锈钢焊条相 比还一定的差距，不是所有的情况都能满足实际应用的要求，达到理想的工艺 性能。因此，继续开展改进不锈钢焊条的工艺性能的研究是非常必要的。 1 3 1 课题来源 本课题来源于2 0 0 2 年哈尔滨市科技攻关计划项目“高效不锈钢焊条的研制” ( 编号2 0 0 2 a a s c g 0 5 0 ) 。 目前国产不锈钢焊条与进口不锈钢焊条相比较，差距主要体现在焊接 ：艺 性能方面，这些都与药皮配方、焊芯的选择有关。要想获得综合工艺性能较高 的不锈钢焊条就要不断的调整药皮配方。 本文是“高效不锈钢焊条的研制”课题研究的一部分，为最终研制高效不 锈钢焊条提供必要的试验数据和理论分析。 1 3 2 本文的研究内容 本文的主要目标是提高不锈钢焊条的工艺性能，包括电弧稳定性、焊道脱 渣性、飞溅等。通过理论分析，从焊芯和药皮配方的角度考虑，首先选取了低 电阻率、低线膨胀系数的钢丝作焊芯。在国内现有不锈钢焊条药皮配方的基础 上，经过大量的药皮配方试验，研究焊条药皮中常见组分对电弧稳定性、焊道 脱渣性、飞溅等工艺性能的影响，主要工作内容如下： 1 基于焊接电弧物理与金属熔焊原理的理论，对焊芯的热物理性能及药皮 组分的交互作用机理进行了分析和阐述。采用h o c r l 3 作焊芯和通过焊芯及药皮 相结合过渡合金的技术方案并确定了药皮组分的范围。 2 采用测量断弧长度等试验方法，研究了不锈钢焊条药皮组分与交流稳弧 性的关系。根据理论和试验结果论述了，适当调整药皮中萤石和金红石、萤石 和大理石，长石、钛铁和金红石的比值有利于细化熔滴，增加断弧长度，改善 不锈钢焊条的交流稳弧性的机理。 3 通过对熔渣断面的宏观观察及利用扫描电镜对熔渣断面微观结构的观 察，用电子探针测量熔渣中物相的各种成分。分析了不锈钢焊条熔渣宏观断口 形貌、微观结构及氧化物成分对脱渣性的影响。 4 通过对药皮组分与不锈钢焊条飞溅率之问关系的测量试验，分析了焊条 药皮组分的交互作用对飞溅的影响，预测了硅铝酸盐的总量及c a c 0 3 和m g c 0 3 总量的变化对飞溅率的影响规律。 根据以上的理论分析和试验结果为基础，研制出的具有优良工艺性能的高 效不锈钢焊条的配方，根据实际生产应用的检验，达到了预期效果，具有明显 的经济价值。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论义 第2 章焊条的焊芯选择与药皮配方试验设计 焊条是由焊芯和附着在其上的药皮两部分组成。焊芯的化学成分和性能直 接影响焊缝金属的性能和质量，焊芯有碳素钢、不锈钢、以及特殊选用的焊丝， 一般焊芯是专门炼制的不同于普通建筑用的钢丝，主要是对碳、硫和磷等杂质 方面有比较严格的限制。多元合金元素使钢材难于拉拔成丝，所以寻找一种合 适的焊丝，是研究高效不锈钢焊条首先要解决的问题。 药皮是粘结在焊芯上各种粉料和粘结剂的混合物。粉料的种类与加入量的 不同影响着焊条的工艺性能。在一定程度上对焊条的工艺性能起决定性作用。 焊条在焊接时由于焊条本身通过很大的焊接电流，焊芯产生很大的电阻热， 同时又将这个热量传递给药皮，使药皮温度升高。对于电阻率较大的不锈钢焊 条来说，这个问题尤为突出。随着焊接过程的进行，焊芯和药皮的温度逐渐上 升，以至于使焊条末端的药皮逐渐失去部分正常功能，焊接工艺性逐渐变差， 如电弧吹力减弱、电弧摇摆激烈、粘渣、焊缝成型变差等，严重时甚至于发生 药皮的开裂和脱落。为了改变这一状况，国内一些厂家曾引进国外配方”“，但 由于没有实现国产化导致焊条质量不稳定而无法投入市场。 在研究了大量的国内外资料和进行了部分试验的基础上，本章着重论述影 响不锈钢焊条工艺性的两个因素一焊芯的分析选择和焊条药皮配方的试验研 究。 2 1 焊芯对不锈钢焊条工艺质量的影响 2 1 1 焊芯材料对焊条工艺性能的影响 焊接时焊条前、后段工艺性能发生变化，是由焊接电流对焊芯和药皮加热 引起的。在焊接电流和施焊时削一定的条件下，焊芯被加热程度决定于焊芯热 物理性能。由图2 - 1 “23 可以看出： ( 1 ) 焊芯电阻率随温度升高而增大。 ( 2 ) 焊芯电阻率随化学成分而变化， 图2 - 1 焊芯电阻率与成分及温度的关系 f i g 2 - 1r e l a t i o n sb e t w e e nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to f c o r e & c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e 电流流过焊芯时产生热量的公式”为： q = k 1 2 r t = k 1 2 p l s t ( 2 一1 ) 式中p 焊芯发热量( j ) i k 热功当量； ，焊接电流( a ) ； r 焊条阻值( q ) ； f 焊条燃烧时间( s ) ； p 焊芯电阻率( q c m ) ； 三焊芯长度( c m ) ； s 焊芯横截面积( m m 2 ) 当不锈钢焊条的焊芯产生的热量q 过大时，焊条发红。从上式可以看出， 不变时， q 与p 年1 t 有关，p 大则q 大，而q 大引起焊条的温升增高，焊条的 温升增高又导致p 的进一步增大，如此恶性循环，焊接时，p 、l 都变化，而p 、 的积越小，焊条温升就越小。因此，尽量采用电阻率小的焊芯制造焊条。 另外，不锈钢焊芯的线膨胀系数的大小也影响不锈钢焊条的药皮和焊芯的 结合。如焊芯的线膨胀系数大的话，在焊条过热程度较大时，往往容易导致药 皮的脱落。 2 1 2 焊芯的分析选择 不锈钢焊条在焊接过程中保持工艺稳定的性能，是衡量焊条工艺质量的重 要内容，是焊条工艺设计中应该考虑的重要问题之一。 不锈钢焊条如按合金化方式来分，目前主要有两种。第一种方式是采用同 质的h o c r 2 1 n i l 0 型不锈钢焊芯，配合含有少量合金粉的药皮构成。显然，焊缝 金属的合金化大部分是通过焊芯中铬、镍等元素的过渡来完成的。第二种方式 的不锈纲焊条，则采用普通低碳钢h 0 8 a 焊芯制造，熔敷金属的合金化完全是 通过在药皮中加入大量的铬、镍金属粉的过渡来实现的。 前一种不锈钢焊条与第二种不锈钢焊条相比的优点是，焊缝合金成分比较 稳定、均匀，药皮厚度小，可全位置焊接。它的主要缺点是，由于铬镍不锈钢 焊芯电阻大，焊接时焊条末段过热、变红，恶化了工艺性，严重时药皮丌裂， 术段焊条废弃。由于大部分焊条是采用这种合金化方式，因此这一缺点成为不 锈钢焊条的主要问题。 第二种不锈钢焊条与第一种不锈钢焊条相比由于采用低碳钢焊芯制造，所 以与前者相比最突出的优点是，焊芯电阻小不存在焊条末段过热、变红问题。 同时焊条熔敷效率高，电弧稳定性好，飞溅小。但是，由于该焊条重量系数大， 不适合全位置焊接。另外，熔敷金属含合金成分均匀性较差，限制了此种焊条 的广泛使用。 本文综合地吸取上述两种焊条的各自优点，采用h o c r l 3 作为焊芯，配合含 有适量铬、镍金属粉的药皮，通过焊芯与药皮共同过度合金的新技术方案，因 此，既可以较大程度地提高了焊条的熔敷效率，又可以解决不锈钢焊条长期存 在的工艺质量问题。其物理原理如下： h o c r l 3 焊芯的电阻率p 为5 7 xl o 。6 q c m 。而h o c r 2 1 n i l 0 焊芯的电阻率p 为7 2 1 0 。6 n c m ，前者比后者低了近2 0 。就是说在相同焊接参数下，h o c r l 3 焊 芯产生的电阻热要比h o c r 2 1 n i l 0 焊芯产生的电阻热少了近2 0 。利用这一物理 原理，就可以有效地控制焊条发红而影响焊接工艺性的弊端。 h o c r l 3 焊芯的线膨胀系数为1 0 1 0 。l c ，而h o c r 2 l n i l 0 焊芯的线膨胀系 数为1 7 8 l o “1 c 前者比后者低了近4 3 。所以用h o c r l 3 焊芯，焊接过程中 就会减少发生因焊芯膨胀量大而导致的药皮与焊芯脱离和药皮开裂现象。 此外，在药皮中增加合金剂，药皮重量也加大，还有两个优点：一是可以 提高焊条的熔敷效率，二是增大热容，减小焊条被加热变红的倾向。 2 2 不锈钢焊条配方的设计与分析 2 2 1 药皮配方中各组分的主要作用分析 粘结在焊芯上的各种粉料和粘结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合 物称为涂料，按其在焊接过程中所起的作用，可以分为以下几种： 1 稳弧剂便于引弧和提高电弧燃烧的稳定性，主要是。一些易电离的碱及 碱土金属化合物和金属矿物，前者如碳酸钾、碳酸镁、白垩土、大理石、长石、 云母、纯碱、金红石等，后者如钛铁矿、赤铁矿等。 2 造渣剂用以造成一定数量和具有一定物理化学性能的熔渣，覆盖着熔 化金属，保护熔池，隔离大气的不良影响，使焊缝冷却速度缓慢，改善焊缝的 成型，并对改善焊条的工艺性能、焊接冶金效果均有重大的作用。最常用的是 某些金属矿物、岩石、氟化物，如金红石、白泥、赤铁矿、钛铁矿、大理石、 石英砂、长石、萤石、云母等。 3 造气剂作用是以造成一定量气体对焊接区形成封闭的气体保护层，用 以排除大气，防止外界气体的侵入，保护熔化金属，且有助于熔滴的过渡。常 见的是有机物和碳酸盐，如木粉、竹粉、淀粉、大理石、菱苦土等。有机物所 造成的气体主要是c o 和h 。，碳酸盐析出的气体为c o 。，在高温时进一步分解 为c o 。 4 脱氧剂作用是减少焊缝金属的含氧量。用以降低药皮和熔渣的氧化性， 并脱除金属中的氧。低碳及低合金钢焊接时常用锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等。 5 合金剂 作用是增补焊缝金属所需的合金成分，用以添加焊芯和母材中 的合金或补充在焊接过程中合金的烧损。低碳钢焊条主要添加的元素是锰。合 金钢焊条则应按其相应成分予以添加，如硅、钼等。 6 粘结剂 用以调和药粉并牢固地粘结在焊芯上，一般说来酸性焊条常用 钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃，由于水玻璃中含有钾、钠等低电离 电位元素，所以除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用。 7 增塑剂用以改善焊条的压制性能，以便于用机器压制焊条，如钛白粉、 白泥、云母、糊精等，可以增加药粉的塑性、弹性和滑性，使焊条表面光滑而 不开裂。 8 稀释剂作用是稀释熔渣粘度，增强熔渣流动性。 一般的涂料焊条中都需考虑加入l o 种左右的组成物起到以上作用，但可以 看出某些组成物能起多种作用，如大理石可以稳弧、造气和造渣。 2 2 2 不锈钢焊条药皮组分的配比设计 2 2 2 1 基础配方的选择 不锈钢焊条在普通不锈钢结构焊接中应用广泛。国内 此类焊条产量占焊条总产量8 0 左右，国外也有5 0 左右的比例。我国从5 0 年 代初开始生产电焊条以来，逐步发展并形成了酸性不锈钢焊条系列，基本满足 国内市场的需要。但与国外焊接材料生产大型企业的各种产品相比，尚有一定 差距。特别是与出口到东南亚地区的国外产品相比差距尤为明显。主要表现在 电弧稳定性、脱渣性等工艺性能不够好。目前，国内市场上销售的不锈钢焊条 的配方体系大致有这样几种：一是采用钛酸型的思路生产的焊条。这种焊条耐 发红，焊接工艺性能优良，飞溅小，成形美观，焊条熔敷金属不易增碳，容易 保证焊道金属的耐腐蚀性能。其缺点是由于焊缝金属含氧量比钛钙型的稍高， 其抗裂性一般。在拘束度较大的结构焊接时，容易出现裂纹。同时因药皮中含 较多的硅铝酸盐，溶渣碱度小，故渗硅严重，易出现气孔。二是采用钛钙型焊 条，该种焊条药皮中含碳酸盐较多，硅铝酸盐较少。使得焊缝既保留了钛型焊 条的一些工艺特点，在交流施焊时获得良好的电弧稳定性。同时又提高了渣的 碱度，改善了焊缝金属的塑性、韧性和抗热裂性。在酸性焊条中钛型和钛钙型 焊条的渣都是以t i o 。为主的组成，其物理性质对焊缝成形比较理想，因为t i o ： 在液态时能降低表面张力，而在冷却过程中又能使表面张力迅速增大，但短路 过渡形式偏多、电弧吹力偏小、套筒成喇叭状，不易形成渣壁过渡：其余几种 如，钛铁矿型渣含t i o ：不多，全位置焊接性能较差；氧化铁型焊条中，s i o ：和 f e o 虽能降低熔渣的表面张力，但却增大了渣的凝固温度范围( 形成长渣) ，所 以只宜进行平焊和平角焊，不宜全位置焊接。在低氢焊条中，s i o 。虽能降低熔 渣表面张力，但却可使渣提高熔点，易使焊缝增氧增硅”“】。 为改善不锈钢焊条的工艺性能，本文将兼顾钛酸型与钛钙型焊条的优点， 以a 1 3 2 等配方为基础加以改进，进行高效不锈钢焊条的研究。使其具有较好的 焊接工艺性能和机械性能，比较适合现状，尤其是在一些不能按规范进行焊接 的场合也能使用。典型配方2 “如表2 一】。 表2 - 1 典型配方( ) 金红石钛白粉萤石大理石睫石金属铬金属锰云母钛铁其它 4 5441 831 l6261 2 2 2 2 配方组分配 e 分析( 1 ) 二氧化钛( r i o ：) 主要以金红石和钛白粉 形式加入。二氧化钛有稳弧、降低熔渣粘度( 主要在高温时) 、造成短渣、增加 导电性、改善脱渣等性能。 药皮中的t i o ：通常由钛白粉和金红石两者搭配使用。因为钛白粉能使药皮 具有良好的塑性，改善焊条压涂工艺性能，但用量不能过多，否则不仅成本高 而且容易使焊条发红。 另一方面，在药皮中的t i o 。也不可能完全以金红石形式加入，这不仅是因为 金红石不像钛自粉那样可以改善焊条的压涂工艺性能，更重要的是由于我国金 红石资源较少，在药皮里常以钛白粉代替一部分金红石，这是减少金红石用量 的途径之。 金红石与钛白粉之比保持在5 ：l 左右时，基本上可以取长补短，同时，以 部分钛白粉代替金红石，还可以增加涂镀性”“。 钛钙型焊条中t i o ：总含量通常在2 8 鼽： 8 范围内，对直径不大于3 2 的焊 条来说，为了提高它的稳弧性和工艺性能，可以适当提高一些t i o ：的总含量， t i o ：的总量可以达到3 0 5 0 。以增加钛白粉为好。但增加的不能太多，否则虽 使焊接工艺性能得到改善，并使强度有所增加，但由于提高了酸度，反而使冷 弯性能降低“。 ( 2 ) 碳酸盐通常采用大理石、菱苦土和白云石。在钛钙型焊条中，有增 加熔渣流动性，降低气孔和白点的倾向，并对脱硫、脱磷、抗裂纹有利。但用 量不能太高，否则会使熔渣冷却过程中表面张力的增长速度减少。亦即削弱了 短渣性能，使得熔渣过于流动，影响焊缝成型，不利于操作。同时还会使药皮 熔点升高，以致采用空载电压较低的交流电焊机焊接时容易断弧。因此，有的 配方中碳酸盐总量在2 0 左右”。 碳酸盐中以大理石和菱苦土配合使用较好。镁盐对提高焊缝的塑性和韧性 比钙盐更有利，同时镁盐还可以改善渣的透气性，使抗气孔能力有所提高。但 是，镁盐如果过多，会使焊接工艺性能变差。所以，碳酸镁和碳酸钙要有适当 的比例，而采用大理石和菱苦土配合比白云石容易灵活的调整比例。 ( 3 ) 硅酸盐为了焊条压涂时具有良好的塑性和弹性，采用云母、长石和 白泥使药皮增加塑性和弹性。这三种物质都是造渣剂，加入总量通常为2 7 3 2 ， 硅酸盐的选择应以a l 。o ，含量低为宜，否则熔渣的熔点和粘度会增高，并可能增 多焊缝金属的夹杂物l3 0 1 。 长石还有稳弧作用，可以适当多一些，特别是为了配合空载电压低的交流 电焊机避免断弧，可以增加长石比例。当长石含量大于1 2 时，焊条端部容易出 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 现局部熔蚀现象，并成圆珠状和四处飞溅，焊条发红严重，熔渣粘度显著下降， 促使焊缝成形变坏以及脱渣困难等。云母除了能改善焊条压涂性能以外，还有 防止焊条烘干时开裂的作用。但是，云母过多则容易造成断弧，并易引起飞溅， 因此力求少用，比