（材料加工工程专业论文）结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究.pdf

_ 一 蕴藏曼魏。 、， 步 ， w e l d i n g f 0 rs t e e lc o n s t r u c t i o n s a1 1 1 e s i sm m a t e r i a l ss c i e n c ea 1 1 de n g i n e e r i n g b y w uj i a n a d v i s e db y p r o l i ur e n p e i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h ei 沁q u i r e m e n t s f o r t l l ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 l o 承诺书 本人声明所呈交硕士学位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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：兰盟 日 期：垫纽。五至弓 却，据 r 一 京航空航天大学硕士学位论文 摘要 自保护药芯焊丝是近年来发展较快、工业中运用广泛的新型焊接材料。为改善和提高自保 护药芯焊丝的焊接工艺性能，本文以c a f 2 a 1 2 0 3 m g o c a o 渣系自保护药芯焊丝为研究对象， 围绕药芯组分对焊缝气孔敏感性、熔滴过渡行为、焊接电弧稳定性、熔渣覆盖性及脱渣性等方 面的影响进行了系统的研究和探讨。 通过气孔敏感性试验研究了药芯组分、焊接工艺参数对焊缝气孔敏感性的影响。结果表明： 药芯中氟化物( c a f 2 ，n a 2 s 氓) 的含量范围在4 2 5 4 、铝镁合金( a l - m g ) 含量大于1 6 ；焊接电 流在2 2 0 2 8 0 a ，电弧电压在2 0 2 6 v 时，焊缝气孔敏感性较低。 通过高速摄影观察熔滴过渡过程、水中收集熔滴和焊接飞溅测试等方法，研究了药芯组分 对焊丝熔滴过渡行为以及焊接飞溅的影响。结果表明：当a 1 m g 含量低于1 8 时，熔滴颗粒相 对细小，沿着焊丝轴向平稳过渡，焊接飞溅较小。药芯中用一部分n a 2 s 氓代替c a f 2 时，可以 细化熔滴，降低飞溅。但是n a 2 s i f 6 含量超过5 以上时，又会使得焊接飞溅增大。 通过d e 、e t i 认n s 测试焊接过程的电压、电流数据，生成电弧电压、焊接电流波形图： 同时结合高速摄影观察电弧的形态，研究了药芯组分对焊接电弧稳定性的影响。结果表明：当 c a f 2 含量范围为4 5 4 7 、n a 2 s i f 6 为3 5 ， a l - m g 低于1 8 时焊接电弧稳定性较好。 通过熔渣覆盖性评定及落球脱渣性试验研究了药芯组分对熔渣覆盖的影响，结果表明：熔 渣覆盖性与熔渣的熔点以及表面张力的变化有关，当药芯中c a f 2 含量范围为4 2 嗡o ，a i m g 含量范围为1 4 - 1 8 时，熔渣能够均匀的覆盖焊缝。此外，当熔渣致密度高，线膨胀系数小， 焊缝脱氧彻底的情况下，脱渣性较好。反之，脱渣性较差。 最后，本文得出了具有较好焊接工艺性能的自保护药芯焊丝主要成分配比为： c a f 2 ( 4 5 q 7 ) - n a 2 s i f 6 ( 3 一5 ) - a l - m 敷1 6 一18 ) 。 关键词：自保护药芯焊丝，焊接工艺性能，气孔敏感性，熔滴过渡，电弧稳定性，脱渣性 - 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 a b s t r a c t s e l f s h i e l d e dn 1 1 ) 【c o r e dw i r e sa 他t l l em o s ta t n a c t i v en c w 、c l d i n gm 纳喇a l sw i t l lt h ef ，a s t e s t d e v e l o p i n gs p e e di i l 他c e n ty e 粥1 i lo r d e rt oi i i l p r o v et l l ew e l d i n go p e r a t i o np e 响r n l 锄c eo f s e l b s h i e l d e dn u xc o i e dw i r e ，t h ep a p e rh a sm o d i f i e dt h ep i e s e n tf l u x - c o r es y s t e ma n dd e v e l o p e da 舱wn u x _ c o 他s y s t e mf o rs e l o s h i e l df l u ) 【c o 他dw i r e ，i e c a f 2 - a 1 2 0 3 - m g o c a os l a gs y s t e m n e p a p e rh 翘c a 仃i e d 伽s y s t e m a t i c 陀s e a r c h 粕dd i s c u s s i o na r o u n df l u o r i d e 柚da l 啪i n i 啪m a 印e s i u m a l l o y si n n u 锄c e s0 np 0 佗s s i t i v 时d r o p l t r a r i s f e rf o m a t i o n s ，w e l d i n ga r cg 油i l i 劬s l a gc o v e r i n g a b i l 时锄dd e t a c h 曲i l n yo ft h es e l f s h i e l df l u ) 【c o r e dw i 陀s t h ee 行e c t so fc o 他c o m p o n e n t so fd r u g s 觚d 、 ，e l d i l l gp a r a m e t e r st os e n s i t i v i 够o fw e l dp o r o s i t y w e r ei i e s t i g a t e db ys t o m a t a ls e n s i t i v i 锣t e s t t h er e s u l ts h o w e dt l l a tw h e nt h en u o r i d e ( c a f 2 ，n a 2 s i f 6 ) i nt 量l ef l l l ) 【c o 川i sa b o u t4 2 。5 4 ，a l - m gi sm o 他t 1 1 锄l 6 ；w e l d i n gc u 盯e n t i sb e t 、】i r e 钮 2 2 0 a 2 8 0 a ，a r cv 0 1 t a g ei sb e t w e e n2 0 v 2 6 v ，m es e n s i t i v i t y0 fw c l dp o r o s 埘i s1 0 w c r 1 1 1 ee 仃e c t so fn l j 黼o r es y s t e mc o m p o s i t i o no n ( 1 r o p l e t 仃矾s f e rf 0 姗a t i o 璐o fn 1 1 ) 【c o 陀dw i r e s 勰dw e l d i r 培s p a t t 盱w e i n v e s t i g a t e db yh i g h s p e e dp h o t q ；m p h y b yc o l l e c t i n gd r o p l e t si i law a 衙 m r o u g l la n d t e s to fs p a 钍e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h ec o n t e n to fa l m ga l l o yi sl e s st l l 锄l8 ， t h ed r o p l e t 咖s f e rw 雒s t e a d yw i 廿lr e l a t i v e l ys m a l lm o l t e nd r o p l e t s 觚dw e l d i n gs p a l t e rw 舔s m a l l e r t 0 0 r e p l a c i n gap a no fc a f 2w 弛n a 2 s 氓c o u l dr e d u c ew e l d i n gs p a 仕e rw i t hm i 加i n gm o l t e nd r o p s b u tw h e nt h en a 2 s i f 6 郴m o r et h a l l5 i tw o u l di n c 他部et l 忙w e l d i n gs p a 仕e r t h ea r cv o l t a g e 锄d 、v e l d i n gc u 玳n t 、v e 陀r e c o r d c ds y i l c h r o n o u sw 孙d e w e t r a n s ，锄dt h e n n l ea r cv o l t a g e 趾dw e l d i n ge l e c t r i cc u r r e n to s c i l l o g 姗w e r cp r o d u c e da c c o r d i n gm e d a _ t a a tt h e s 锄et i m e ，t i l ee l e c 仃i ca r cs h a p ec o u l db eo b s e r v e dt i l r o u 曲t h eh i g h - s p e e dp h o t o g 阳p h y t h ee 丘e c 协 o ff l u x - c o 陀s y s t e mc o m p o s i t i o no n 、e l d i n ga r cs t a b i l i t yo ft h ef l u xc o r e dw i r ew e r et h e r e f o r es n j d i e d t h e 陀s u l t ss h o w e dt h a tw h c a f 2w 勰a _ b o u t4 0 q 5 ，n a 2 s i f 6w 弱3 一5 ，a l m ga l l o yw 雒l 懿s m 觚1 8 ，恤w e l d i n g a r cs 诎i l 时w 舔w e l l t h ep a p e r h a di n v e s t i g a t e dt h en u x c o r es y s t e mc o m p o s i t i o ni n n u e n c e s0 ns l a gc o v e r i n ga b i l n y b ys l a gc o v e r i n ga b i l i t ye v a l u a t i n g 锄ds l a gd e t a c h a b i l i t yt e s t i n g n l er e s u l t ss h o w e dt 1 1 a tt h em e l t i n g p o i n to fm o l t e ns l a g 柚dc h a n g e si l ls u r f 缸et e n s i o ni n n u e n c et h es l a gc o v e r i n ga b i l i 够w h e nc 也 w 舔a b o u t5 0 a l m ga 1 1 0 yw 舔l4 严18 t h es l a gw 雒c o v e 陀dw e l l i na d d i t i o i l i tw 嬲b e n e f i tf o r s l a gd e t a c h a b i l 时，h e nt l l es 咖c t u 坨o fs l a gw 舔d 印，h i g l ld e i l s i 劬s m a i lc o e 伍c i e n to fl i n e 盯 e x p a 舾i o n 锄d 廿l ew e l dw 罄m o r o u g hd e o ) 【i d a t i o na n dc o n 删w i s e ，廿l es i a gd e t a c h a b i l i t yb e c 锄e k e yw o r d s ：s e l f s h i e l d e df l u x c o i i e dw i 他，w e l d i n go p e m t i o np e r f 0 册觚c e ，s t o m a ：t a ls e n s i t i v i 坝 d r o p l e t 劬m s f e r a r cs 切b i l i 坝s l a gd e t a c h a b i l i t y 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 目录 第一章绪论l 1 1 弓i 言1 1 2 自保护药芯焊丝的发展概况3 1 2 1 国外自保护药芯焊丝的发展概况。3 1 2 2 国内自保护药芯焊丝的发展概况4 1 3 自保护药芯焊丝的研究现状4 1 3 1 自保护药芯焊丝研制的技术难点。4 1 3 2 自保护药芯焊丝保护机理的研究5 1 3 3 自保护药芯焊丝工艺性能的研究7 1 3 4 自保护药芯焊丝渣系与焊接性能的研究1 0 1 4 本课题研究的内容与意义1 3 第二章试验材料的制备及试验方法1 4 2 1 自保护药芯焊丝自保护机制的确定1 4 2 1 1 自保护药芯焊丝渣系的确定。1 4 2 1 2 自保护药芯焊丝合金系的确定1 5 2 1 3 试验焊丝的成分设计。1 7 2 2 试验用自保护药芯焊丝的生产1 7 2 2 1 试验原材料17 2 2 2 药粉的处理。1 8 2 2 3 焊丝的生产18 2 3 试验设备及工艺性能试验方法1 9 2 3 1 焊接设备及焊接工艺参数。1 9 2 3 2 熔滴过度动态行为测试试验2 0 2 3 3 熔滴收集试验2 0 2 3 4 飞溅收集试验。2 1 2 3 5 焊接电弧稳定性测试试验2 2 2 3 5 熔渣覆盖及脱渣性测试试验2 3 2 3 6 焊缝气孔敏感性试验2 4 第三章自保护药芯焊丝气孔敏感性试验结果与分析2 5 蠢 r 一 卜 鲁 论文 3 4 本章小结3 3 第四章自保护药芯焊丝熔滴过度行为试验结果与分析3 4 - 4 1 熔滴过度研究的重要性3 4 。 4 2 试验结果与分析3 4 4 2 1 氟化物对熔滴过渡形态的影响3 4 4 2 2 氟化物对焊接飞溅的影响3 6 4 2 3 铝镁合金对熔滴过渡形态的影响3 8 4 2 4 铝镁合金对焊接飞溅的影响：4 0 4 3 本章小结4 3 第五章自保护药芯焊丝电弧稳定性试验结果与分析4 4 5 1 电弧稳定性的研究重要性4 4 5 2 试验结果与分析4 4 5 2 1 氟化物对自保护药芯焊丝电弧稳定性的影响毒4 4 5 2 2 铝镁合金对自保护药芯焊丝电弧稳定性的影响4 6 5 2 3 自保护药芯焊丝电弧稳定性的讨论4 7 5 3 本章小结5 2 第六章自保护药芯焊丝熔渣覆盖及脱渣性试验结果与分析5 3 6 1 熔渣覆盖及脱渣性研究的重要性5 3 6 2 试验结果与分析5 3 6 2 1 氟化物对熔渣覆盖性的影响5 3 6 2 2 铝镁合金对熔渣覆盖性的影响5 5 6 2 3 熔渣脱渣性试验结果与分析5 7 6 3 本章小结6l 第七章结论：6 2 参考文献6 4 至i 谢6 9 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 攻读硕士学位期间发表或已完成的学术论文7 0 、 r r j 卜 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图表清单 图1 1 药芯焊丝的截面形状l 图1 2 自保护药芯焊丝电弧焊原理2 图1 3 自保护药芯焊丝在管线工程中的应用2 图2 1c a f 2 a 1 2 0 3 二元相图15 图2 2 药芯焊丝的生产工艺流程。1 9 图2 3 药芯焊丝的生产设备。1 9 图2 4f r o i l i 邯数字焊机2 0 图2 5 高速摄影装置及示意图2 0 图2 6 高速摄影试验所用设备。2 0 图2 7 熔滴收集试验示意图。2l 图2 8 飞溅收集试验示意图2l 图2 9 电弧电压、电流波形测试装置示意图2 2 图2 1 0 渣覆盖试验示意图2 3 图2 1 1 脱渣性试验设备示意图2 3 图2 12 气孔敏感性试验设备示意图2 4 图3 1 不同c a f 2 含量自保护药芯焊丝焊缝表面2 6 图3 2a 1 m g 对焊缝气孔敏感性的影响2 7 图3 3 不同a 1 m g 含量自保护药芯焊丝焊缝表面2 8 图3 4 焊接电流和电弧电压对气孔敏感性的影响2 9 图3 5 残滴法收集焊丝端部熔滴：3 2 图4 1 不同c a f 2 含量时的熔滴颗粒3 5 图4 2 不同c a f 2 含量时的熔滴过渡形态3 5 图4 3 氟化物含量不同时试板上残留飞溅的实物照片3 7 图4 4 不同a 1 m g 含量时的熔滴颗粒3 9 图4 5 不同a l 含量时的熔滴过渡形态4 0 图4 6a 1 m g 含量对飞溅率的影响4 l 图4 7 不同a 1 m g 含量时焊接飞溅实物图4 l 图4 8 飞溅形成过程高速摄影4 3 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能的研究 图5 1 不同氟化物含量的电流、电压波形图4 4 图5 2 不同a 1 m g 含量的电流、电压波形图。4 7 图5 3 不同氟化物含量焊丝的电弧形态。5l 图6 1 不同氟化物含量的渣覆盖情况5 4 图6 2 5 焊丝熔渣x l d 分析结果5 4 图6 3 不同a 1 m g 含量的渣覆盖情况5 6 图6 4j h1 4 焊丝熔渣x r d 分析结果5 8 图6 5 焊缝脱渣情况；。5 8 表清单 表1 1 早期自保护药芯焊丝焊缝化学成分3 表1 2 渣系和截面形状对自保护药芯焊丝熔滴尺寸的影响8 表2 1 研究氟化物对工艺性能影响的焊丝成分设计。1 7 表2 2 研究铝镁合金对工艺性能影响的焊丝成分设计。1 7 表2 3 钢带的化学成分。l8 表2 4 药芯主要原料l8 表2 5 焊接工艺参数1 9 表3 1 药芯氟化物含量对气孔的影响。2 5 表3 2 气孔敏感性试验工艺参数变化范围2 9 表4 1 氟化钙对熔滴质量比的影响。3 4 表4 2 氟化物对焊接飞溅的影响。3 8 表4 3a 1 m g 对熔滴质量比的影响3 9 表4 4a 1 m g 对焊接飞溅的影响4 0 表5 1 一些元素的电离电位4 8 表5 2 常见元素的电负性4 9 表6 1 氟化物对熔渣覆盖性的影响5 3 表6 2 不同氟化物含量焊丝熔渣软化温度五5 4 表6 3 熔渣中各物相熔点5 5 表6 4a 1 m g 对熔渣覆盖性的影响5 5 表6 5 不同氟化物含量焊丝脱渣率：5 7 表6 6 不同a 1 m g 含量焊丝脱渣率。5 7 表6 7 部分氧化物的呜。5 7 表7 1 各项工艺性能较好时药芯成分区间5 9 学硕士学位论文 绪论 1 1 引言 药芯焊丝也称为管状焊丝或粉芯焊丝，它由外皮金属( 钢带或钢管) 里面裹着药粉而构成， 是2 0 世纪5 0 年代发展起来的高效焊接材料。图1 1 列出了典型药芯焊丝的截面形状，它具有生产 效率高、焊接工艺性能好、以及焊缝形状好、外观平坦、熔深大等优点，代表了当今焊接材料 的发展方向【。 o 型 t 型五型双层 图1 1 药芯焊丝的截面形状 药芯焊丝的焊接热是由药芯焊丝和工件之间的电弧热产生的，通过药粉燃烧和分解产生的 气体对电弧以及焊接区域进行保护，或者通过药粉产生的气体与外加气体共同进行保护。因此， 主要存在两类药芯焊丝：有外加保护气体( 主要是a r 、c 0 2 ) 的气保护药芯焊丝和依赖药粉燃 烧分解的气体进行保护的自保护药芯焊丝【2 l 。 气保护药芯焊丝最早由气体保护焊用实心焊丝发展而来，这种焊丝经过多年的发展，已经 能够获得高强、高韧性、成形美观的焊缝。近几年国内一些药芯焊丝生产厂家如：北京安泰科 技股份有限公司、天津三英焊业有限责任公司，在药芯焊丝行业中发展较快，已能够生产质量 较高的气保护药芯焊丝，在各行各业有着较为广泛的应用。然而，由于气保护药芯焊丝需要复 杂的送气装置，且焊枪结构较为复杂、气瓶沉重、焊工操作较为繁琐，不利于在一些交通不便 的山区、野外、高层建筑等场合施工【3 1 。针对气保护药芯焊丝在上述领域应用的不足，从上世 纪6 0 年代起，焊接工作者开始大力开发和研究自保护药芯焊丝。 自保护药芯焊丝( s e i f s h i e l d e df l u ) 【c o 川w n ) 是一种跨世纪的新型焊接材料，它的设计思 想是在药芯成分中添加造气剂、造渣剂、脱氮剂、脱氧剂、稳弧剂、合金等物质，可以在没有 保护气体的条件下形成质量良好的焊接接头。图1 2 所示为自保护药芯焊丝焊接原理【2 】，由于该 种药芯焊丝在焊接过程中能够形成“自保护”的能力，使其具备较强抗风能力；与气保护药芯 焊丝相比，焊接时无需气瓶等辅助设备，所使用的焊枪结构较为简单，焊工操作方便，焊接生 产效率更高，能在交通运输不便的地区实现现场焊接与焊接自动化生产，被广泛地应用于冶金 建设、管线、桥梁、造船、钢建筑、水利工程等必须在野外施焊，施工条件恶劣，不方便使用 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 气保护药芯焊丝的工程上，特别是在油气管线现场安装领域有较大的市场需求。 图1 2 自保护药芯焊丝电弧焊原理 我国建设的“西气东输”等管线工程现场安装大量使用自保护药芯焊丝。未来1 0 年我国将 建设一系列石油天然气管线工程，管线总长度将超过2 0 0 0 0 公里，管线将普遍采用a p 6 0 8 0 高级管线钢，预计需要管线钢重量将超过2 0 0 0 万吨。如果按照o 1 的自保护药芯焊丝消耗保 守估算我国天然气管线安装需要各项性能优良的自保护焊丝将超过2 万吨【4 l 。图1 3 展示自保护 药芯焊丝在天然气管线工程中的应用。 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 在实际工况下使用的自保护焊药芯焊丝不仅要求具有较强的环境适应能力、良好的使用工 艺性能，而且其焊缝金属还应具有优良的力学性能，以确保各类焊接结构的使用安全，技术含 量较高。我国的一些高校和科研单位在近年来曾组织过攻关，但由于自保护药芯焊丝配方设计 及制备技术比较复杂，目前我国尚未从根本上掌握其制造技术关键，国产的自保护药芯焊丝无 论从使用工艺性上还是焊缝金属力学性能上都满足不了工程需求。目前在管道安装等行业中大 量使用的自保护焊药芯焊丝基本上全部依赖进口。由于该项技术仅有美国h o b a 刚和 l i n c o l n 等少数公司独有，进口该系列焊丝价格昂贵，国家每年都要为此花费大量外汇，此 外由于焊接材料进口渠道复杂，运输时间较长，供货时间难以保证。因此研制开发质量优良的 系列自保护焊药芯焊丝，满足国内市场的使用需求已是当务之急1 5 1 。 1 2 自保护药芯焊丝的发展概况 1 2 1 国外自保护药芯焊丝的发展概况 上世纪5 0 年代末的美国，汽车工业的高速发展带动了自保护药芯焊丝电弧焊的发展，就焊 接生产而言，其主要目的是为了提高薄板的焊接速度与生产率，早期自保护药芯焊丝配方中主 要用钛来形成氮化物而脱氮，并且用硅来脱氧1 6 】。所设计的仍0 、鲥0 的焊丝主要用于5 0 蚴 以下薄板的平或横位置的高速单道焊。但由于钛的加入对焊缝造成的硬化效应，故对母材板厚 有限制，另外该类焊丝通过调整渣系的物理特性，可以在高速焊条件下得到可接受的焊缝成形。 这一时期典型的自保护药芯焊丝焊缝化学成分列于表1 1 。 表1 1 早期自保护药芯焊丝焊缝化学成分( 质最分数，) 在意识到上述e 7 0 t - 3 系列药芯焊丝的局限性后，人们便着手研制适合于厚板多道焊所用的 自保护药芯焊丝。在2 0 世纪6 0 年代中期，中等强度与韧性的该类焊丝研制成功。在研制过程 中，关键点为采用铝作脱氧与脱氮剂。为了获得足够的韧性，焊缝中碳与铝含量之间的平衡尤 为关键i _ 7 1 。值得关注的是该时段自保护药芯焊丝的研制更多是关注强度与韧性，而不是生产率。 这一系列产品的代表是由美国l i n c o l n 公司开发的n s 3 m 、n r - 3 l l 、n r - 2 0 2 、n r 2 l lm p 系列药芯焊丝，目前仍在广泛使用中。其中，n r 3 l l 、n r 2 0 2 主要用于钢结构建筑的高效焊 接。其熔敷速率远远超过手工焊的效率，而n r 2 1 1 m p ，主要用于只要求强度与韧性的轻钢结 构的全位置焊，它具有良好的操作性和低飞溅性能，并且对于装配不佳的工况亦可得到均匀的 焊缝成形i o j 。 由7 0 年代中期进入8 0 年代以后，随着气保护焊药芯焊丝的飞速发展，自保护药芯焊丝的制 3 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 备技术也得到了显著的提高。通过优化芯料配方、严格控制脱氧剂和脱氮剂的含量等措施，使 自保护药芯焊丝的工艺性能和焊缝金属的冲击性能得到了明显的改善，高性能自保护药芯焊丝 开始广泛应用于石油天然气管线等重要的焊接结构中。在该领域美国的独占鳌头，其自保护药 芯焊丝制造技术世界领先，l n c o l n 和h o i m a t r 两大焊接公司在这一时期开发出一系列产品， 如l i n c o l n 公司开发的n 1 0 2 0 7 、n r - 2 0 7 + 、n r - 2 0 8 h 药芯焊丝，不仅具有良好的使用工艺性， 可以实现全位置功能，而且焊缝金属还具有优良的低温韧性，2 0 夏比吸收功可以达到1 0 0 j 以 上，该类型焊丝在我国宝钢、武钢、攀钢等冶金工程建设及油气管线建设中得到了应用；而由 h o l m a l 限公司开发f a b s h i e l d8 l n l 、f a b s h i e l d3 n i l 等产品也具备较高的性能。其中 f a b s h i e l d8 1 n l 焊丝被指定为“西气东输”工程现场安装用焊接材料。此外，乌克兰巴顿电 焊研究所在自保护药芯焊丝开发方面也开展了不少工作，该所开发的p ：a p n 3 3 、p p a n 4 6 两种自 保护药芯焊丝可以实现全位置焊接功能，该系列焊丝在前苏联及东欧国家有着一定的应用l 帅】。 1 2 2 国内自保护药芯焊丝的发展概况 我国的自保护药芯焊丝研究开发工作开始于上世纪8 0 年代，天津三英集团、天津大学、北 京钢铁研究总院、北京工业大学及天津金桥集团等单位先后开展了自保护药芯焊丝的研究开发 工作，取得了一些的成果，如天津大学试制的氟钙钛( c a f 2 t i 0 2 - m g o ) 渣系焊丝【珀l ，该系列药芯 焊丝熔敷金属力学性能尚可，但该焊丝的全位置焊接能力存在不足。由天津金桥集团开发的 j c 2 9 n l i 自保护药芯焊丝可以进行管线工程的全位置焊接生产，但也存在较为突出的问题，如 飞溅较大、焊缝低温韧性不稳定等问题。 纵观自保护药芯焊丝的发展，它在技术上的每一个突破，都使其应用范围得以扩大。在焊 接材料的实际应用中，自保护药芯焊丝所占的比例还不高，各国的发展也很不平衡，但可以肯 定，自保护药芯焊丝仍处在进一步的发展中。从7 0 年代末宝钢首次引进数百吨自保护药芯焊丝 以来，自保护药芯焊丝在我国冶金、建筑、造船、海上平台、机车车辆等各个部门正在逐步推 广。根据国外的发展经验，自保护药芯焊丝消耗量应占到焊材总量的3 5 嘣】，而国内自保护 药芯焊丝远低于这一指标：另外，与国外l i n c o 【，n 和h o r b a r t 公司的产品相比，国产焊丝 无论是工艺性能还是熔敷金属的力学性能都存在较大的差距，目前我国的自保护药芯焊丝基本 全部从国外进口，为了节约外汇，尽快研制我国工程建设所急需的自保护药芯焊丝已迫在眉睫。 1 3 自保护药芯焊丝的研究现状 1 3 1 自保护药芯焊丝研制的技术难点 虽然欧美、日本、前苏联等国家的焊接材料公司能够生产出不同系列、各种级别的1 0 余种 自保护药芯焊丝，使自保护药芯焊丝的应用日益广泛，但对其理论的研究则很少，即便是一些 4 南京航空航天大学硕士学位论文 术秘密没有公开，因此研制国产白保护药芯焊丝技术难度较大。 涂料焊条相似，自保护药芯焊丝在焊接时，由于无外加气体或焊 剂的保护，加之自保护药芯焊丝填充率一般在1 5 3 0 ，与焊条的药皮重量系数相比要小，这 样造气量、造渣量较少，保护过程和冶金反应受到影响，液态金属容易受到空气的污染，焊缝 中的n 、h 、o 浓度较高使得获得优质焊缝的难度大大增加。另外，自保护焊丝焊缝焊接工艺 性能相对于气体保护药芯焊丝较差，具体表现为：气孔敏感性高、焊接过程飞溅较大、焊接烟 尘较多、部分渣系全位置焊接能力不足、熔渣脱渣较为困难。为提高焊缝金属的质量，把自保 护药芯焊丝电弧焊方法用于重要结构，就必须寻找到合理的保护方法，改善焊丝焊接工艺性能， 尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失，使得焊缝金属得到合适的化学成 分【1 2 j 。目前国内外有关研究机构的焊接材料学者在上述领域做了一系列的工作，研究主要集中 在以下几个方面： ( 1 ) 自保护药芯焊丝的气、渣、合金元素保护机理； ( 2 ) 不同渣系、不同焊丝截面的药芯焊丝熔滴过渡规律及对焊接工艺性能的影响； ( 3 ) 熔渣的高温物化性质、结构对脱渣性能的影响； ( 4 ) 采用何种保护方式更有益于工艺性能得改善；另外，关于自保护药芯焊丝熔滴过渡的研 究：究竟如何控制和改善自保护药芯焊丝熔滴过渡、熔滴过渡行为和焊丝工艺性及保护效果的 关系等许多问题还尚需深入，这也就成了未来自保护药芯焊丝的研究领域的方向和热点。 1 3 2 自保护药芯焊丝保护机理的研究 对自保护药芯焊丝保护机理的研究是最终提高其焊接工艺性能的关键。从目前的研究来看， 它的保护机理可分为气保护、渣保护及合金元素保护三种【b 】。 1 3 2 1 造气保护 早期的自保护药芯焊丝均加入了一定的造气剂如碳酸盐，纤维素、木粉等物质，以在高温分 解形成c 0 2 、h 2 、0 2 和h 2 0 ( g ) ，这些气体从焊丝钢皮内以一定流速向熔池中射出，形成气罩， 降低了焊接区域的氮、氧分压，阻止空气中n 2 、h 2 、0 2 的侵入。 采取这种保护形式对熔池的保护非常有效的，除上述物质之外，一些低沸点的物质如m 甙沸 点为1 1 0 0 ) 、m n ( 沸点为2 0 6 l ) ，在电弧中易形成金属蒸汽，并与电弧中气体杂质结合，保 护了熔滴，需要指出的是，这些低沸点的金属蒸汽也可产生大量的烟尘，使熔池的清晰度下降， 卫生指标降低。另外，氟化钙的沸点为2 5 0 0 ，因为熔滴表面的温度高于2 5 0 0 ，所以环绕着 焊丝尖端会形成一个c a f 2 蒸气囊，阻止空气侵入钢液的表面，也可以作为电弧保护气氛得一部 分。但是，c a f 2 能破坏电弧和熔滴过渡的稳定性，并产生有害气体，因此，其在药芯中的含量 受到限制。在加入c a f 2 和c a c 0 3 的自保护药芯焊丝中，根据美国学者s i s 提出的理论【1 4 】，存 s 结构钢用自保护药芯焊丝工艺性能研究 在下述反应： 2 c a f 2 + 0 2 2 c a o 2 f z l ( 1 1 ) c a f z + h 2 0 - c a o + 2 h fl ( 1 - 2 ) 由于f 2 和h f 的产生，减少了氮的溶解度，也可形成气保护的一部分。因此s i s 认为，在 碱性药芯焊丝配方中，只要c a f 2 和c a c 0 3 的比例适当。就可配出一种不需外加气保护和合金 元素保护的药芯焊丝。但至今他的预言尚未实现。 1 3 2 2 造渣保护 就目前来看在多数的自保护药芯焊丝中，造渣保护的比例比造气保护要大，而且渣保护也 是一种副作用较小的保护机制，值得大力研究和应用。在自保护药芯焊丝中加入一定的造渣剂， 当焊丝熔化形成熔滴时，渣能迅速覆盖熔滴，同时和熔滴进行冶金反应。一来防止氮、氧侵入， 二来进行脱氮、脱氧。随后和熔滴一起进入熔池，均匀覆盖熔池并进行冶金反应。所以采用渣 一 保护，对渣的物理化学性质如熔点、表面张力、碱度等要求较严。 从提高渣保护的效果来看：熔渣应具有适中的熔点、粘度和表面张力，能够保证渣与金属 间具有较好的浸润能力，以取得良好的渣保护效果。但造渣保护带来的一个问题是由于药芯的 导电、导热性较钢皮差，而电弧是在钢皮上燃烧的，所以有可能造成钢皮熔化速率较快而药芯 熔化滞后，形成滞熔渣柱的现象1 5 1 ，削弱了渣对熔滴的保护效果。另外，渣可能成块落入熔池， 对焊接工艺性造成不利影响。 1 3 2 3 合金元素保护 因目前自保护药芯焊丝绝大多数用于室外施工，所以必须考虑到风力对自保护药芯焊丝固 有的保护气氛的干扰。一般在自保护药芯焊丝中均加入了一些和n 、o 亲合力大的元素如a l 、 m g 、z r 、n 、s i 等，以在焊接过程中和n 、o 形成稳定的化合物，进行脱氮、脱氧。另外，根 据文献1 1 6 1 ，l i f 也是一种行之有效的物质，因为： c a 2 乙i f - c a f z 2 l i ( 1 3 ) 4 l l n 2 _ 2 l i 2 n ( 1 - 4 ) 0 综合上述分析，可见自保护药芯焊丝的保护机理和涂料焊条相似，不外乎渣、气、合金元 素3 种，也由此发展为偏重于气、渣、合金元素保护的3 类自保护药芯焊丝。从自保护药芯焊 r 丝配方设计发展历程来看【1 7 】：早期的配方主要采用了金属渣保护机制，这类焊丝强调采用大量 强脱氧、脱氮的合金元素对焊接过程进行保护，能够有效地降低焊缝气孔敏感性，但大量合金 元素的加入并不利于焊缝力学性能的提高，尤其是低温韧性值。良好的保护效果与较高的力学 性能难以统一是成为这类焊丝的通病，限制了其在一些重要焊接结构上的使用；随后发展的一 些配方是在气保护药芯焊丝渣系的基础之上发展起来了渣金属型，这类配方中增大了造渣剂的 6 南京航空航天大学硕士学位论文 比例，利用高温物化性能较好的熔渣隔绝空气， 的保护效果，同时又减少了合金元素的加入量， 防止其侵害液态金属。这类配方能够获得较好 有利于焊缝金属的力学性能的提高，因此得到 了一定的发展；进年来，随着人们对自保护药芯焊丝焊接生产质量的要求越来越高，采用渣 金属气联合保护的自保护药芯焊丝发展起来，这类焊丝采用了大量的氟化物、碳酸盐等能够产 生渣气联合保护的物质，同时辅助一定的合金元素，获得了较好的保护效果。需要指出的是： 这类焊丝由于增强了气保护的强度以及其采用了强碱性渣系设计，熔渣高温物化性能较难调节， 所以其焊接工艺性能上尚需要提高，这也成为本课题工作的重点。 1 3 3 自保护药芯焊丝工艺性能的研究 通常对焊接工艺性能的评定主要包括以下方面：焊接电弧稳定性、熔滴过渡行为、焊接飞 溅大小、熔渣的覆盖性及脱渣性、焊缝成形情况等。焊接过程中，这些方面又是相互关联和相 互影响的。如熔滴过渡行为对焊接电弧稳定性以及焊接飞溅有着重要的影响，熔渣覆盖的好坏 对焊缝脱渣及焊缝成型有影响。 1 3 3 1 自保护药芯焊丝的熔化特性和熔滴过渡 自保护药芯焊丝电弧焊焊接时，o 型截面的药芯焊丝的熔滴首先在金属外皮的个别部位形 成、长大和过渡。然后在金属外皮的其它部位重复上述过程。结果是熔滴沿外皮的圆周周期性 地改变其位置，不断向熔池中过渡。由于电弧在焊丝外侧燃烧，导致药芯的熔化滞后于