（材料科学与工程专业论文）e90ck3金属芯焊丝及其焊接烟尘的研究.pdf

f 、 。 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_ 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：日期： 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：期： q ，；，囊j ，? 一0 、+ ；k 1 j ，1 j - 摘要 摘要 金属芯焊丝具有成本低、飞溅少、焊接接头质量好等优点，与实芯焊丝及普 通药芯焊丝相比，它的熔敷速率更高，同时减小了渣壳清理费用，提高了焊接效 率，进一步降低了焊接成本，因此近年来成为国际上焊材发展的新趋势。目前， 高强钢应用越来越多，国内众多钢结构工程中都广泛使用了高强钢，因此开发高 强钢焊接用金属芯焊丝具有重要的工程意义。 本论文从以下几个方面对e 9 0 c k 3 金属芯焊丝做了研究。 第一，研发了一种6 0 公斤级m n s i m o - n i 合金系e 9 0 c k 3 金属芯焊丝，在 焊接参数为3 0 0 a ，3 4 v 下对所研制焊丝进行测试，结果如下：在1 0 0 c 0 2 气体 保护下，抗拉强度：6 2 7 m p a ；屈服强度：5 7 0 m a ；延伸率：2 1 6 ；一5 0 下冲 击韧性：4 6 j ；飞溅率：1 5 1 ；熔敷效率：9 2 o ；熔敷速度：5 0 4 k g h ；发尘量： 5 7 4 9 k g 。在8 0 a r + 2 0 c 0 2 气体保护下，抗拉强度：6 3 8 m p a ；屈服强度：5 8 1m p a ； 延伸率：2 2 5 ；5 0 下冲击韧性：4 8 j ；飞溅率：o 9 7 ；熔敷效率：9 3 2 ； 熔敷速度：5 7 6 k g h ；发尘量：4 5 1 9 k g ，焊缝成型及焊接工艺性能良好，力学性 能及化学成分均满足a w sa 5 2 8 m 的相关标准。将所研制的e 9 0 c k 3 金属芯焊 丝与同类焊丝进行对比，结果表明，综合性能达到同类焊丝水平。 第二，研究了合金元素铝对金属芯焊丝焊缝表面脱氧产物分布、焊接飞溅及 电弧稳定性的影响，确定了配方中最佳的铝含量范围，解决了含硅金属芯焊丝焊 后在焊缝焊趾处易产生难以清除的“硅岛”的问题。 第三，研究了金属芯焊丝焊接烟尘的主要成分以及药粉粒度对所研制焊丝发 尘量、烟尘粒度分布及电弧稳定性的影响规律；实验结果说明：所研制e 9 0 c k 3 金属芯焊丝的焊接烟尘中主要为各种金属及金属的氧化物，其中铁和锰的氧化物 达到9 0 以上；当药粉粒度在1 0 0 1 2 0 目时，电弧稳定性最好，发尘量最少。 关键词金属芯焊丝；焊接烟尘；电弧稳定性；药粉粒度；e 9 0 c k 3 北京t 业大学工学硕上学位论文 i i a b s t r a c t a bs t r a c t m e t a lc o r e dw i r eh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，l i t t l es p a t t e ra n dg o o d w e l d i n gq u a l i t y c o m p a r ew i t hs o l i dw i r ea n dn o r m a lf l u xc o r e dw i r e ，m e t a lc o r e d w i r eh a sh i g hd e p o s i t i o nr a t e ，l o w e rc o s to fr e m o v i n gt h es l a g ，h i g h e rw e l d i n g e f f i c i e n c y , w h i c hf u r t h e rd e c r e a s e st h ec o s to fw e l d i n gp r o c e s s ，s oi th a sb e e nan e w t r e n do fd e v e l o p m e n to fw e l d i n gc o n s u m a b l ei nt h ew o r l d c u r r e n t l y , h i g hs t r e n g t h s t e e li su s e dm o r ea n dm o r ei ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n i no u rc o u n t r y , h i 曲s t r e n g t h s t e e lh a sb e e nu s e di nm a n yf a m o u ss t e e le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ss u c ha sn a t i o n a l g y m n a s i u m ，n a t i o n a ls w i m m i n gc e n t e r , a n dw e s t e a s tg a sp i p e l i n ep r o j e c t s ot h e d e v e l o p m e n to fm e t a lc o r e dw i r ef o rh i g hs t r e n g t hs t e e lw e l d i n gh a sa ni m p o r t a n t e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e m e t a lc o r e dw i r ee 9 0 c - k 3h a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w i n g ： f i r s t , m e t a lc o r e dw i r e e 9 0 c - k 3w h o s ea l l o ys y s t e mi sm n s i m o - n ih a sb e e n s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d i th a sb e e nt e s t e du n d e r3 0 0 a ，3 3 v t h er e s u l t s a r e f o l l o w i n g s ：w h e nt h es h i e l dg a si s 10 0 c 0 2 ，t e n s i l es t r e s s ：6 2 7 m p a ；y i e l ds t r e s s ： 5 7 0 m p a ；e l o n g a t i o n ：2 1 6 ；i m p a c tt o u g h n e s sa t 一5 0 ：4 6 j ；s p a t t e rr a t e ：1 5 1 ； d e p o s i t i o nr a t e ：9 2 o ：d e p o s i t i o ns p e e d ：5 7 4 k g h a r ；w e l d i n gf u m ef o r m a t i o nr a t e ： 5 7 4 9 k g w h e ns h i e l dg a s i s8 0 a ra n d2 0 c 0 2 ，t e n s i l es t r e s s ：6 3 8 m p a ；y i e l ds t r e s s ： 5 8 1 m p a ；e l o n g a t i o n ：2 2 5 ；i m p a c tt o u g h n e s sa t - 5 0 ：4 8 j ；s p a t t e rr a t e ：0 9 7 ； d e p o s i t i o nr a t e ：9 3 2 ；d e p o s i t i o ns p e e d ：5 2 3 k g h r ；w e l d i n gf u m ef o r m a t i o nr a t e ： 4 51g k g i na d d i t i o n ，w e l df o r m i n ga n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca r eg o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dc h e m i c a le l e m e n to fd e p o s i t e dm e t a lm e e tr e l a t e ds t a n d a r do fa w s a 5 2 8 m c o m p a r ew i t ha n o t h e rs a m ek i n do fm e t a lc o r e dw i r e ，t h er e s u l ts h o w st h a t e 9 0 c k 3h a sr e a c h e dt h ea d v a n c e dl e v e li nt h ew o r l d s e c o n d ，e f f e c to fa l u m i n u mo nd i s t r i b u t i o no fd e o x i d a t i o np r o d u c t so nw e l d i n g m e t a l ss u r f a c e s p a t t e ra n da r cs t a b i l i t yh a sb e e ns t u d i e d t h ep r o b l e mo fs i l i c o n i s l a n do nt h ew e l d i n gt o eh a sb e e ns o l v e da n dc o n t e n to f a lh a sb e e nm a d e t h i r d ，e f f e c to fp o w d e r sp a r t i c l es i z eo nq u a n t i t yo fw e l d i n gf u m e ，w e l d i n g f u m ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n da r cs t a b i l i t yh a sb e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t ss h o w n t h a t ：m o s tc o m p o n e n t si nw e l d i n gf u m ew e r em e t a l ，n o n m e t a la n dt h e i ro x i d e s ，i n w h i c ho x i d eo fi r o na n dm a n g a n e s ew a sa b o v e9 0 q u a n t i t yo fw e l d i n gf u m ew a s l e a s ta n da r cs t a b i l i t yw a sb e s tw h e np o w d e rp a r t i c l es i z ew a sb e t w e e n10 0a n d12 0 m e s h e s k e yw o r d s m e t a lc o r e dw i r e ， w e l d i n gf u m e ， a r cs t a b i l i t y ，e 9 0 c k 3 ， p a r t i c l es i z eo fp o w d e r i 北京工业人学_ t 学硕卜学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 金属芯焊丝的研究进展1 1 1 1 金属芯焊丝简介1 1 1 2 金属芯焊丝的国内外发展及应用现状3 1 2 高强钢焊接的研究进展5 1 2 1 合金元素对高强钢焊接接头性能的影响5 1 2 2 高强钢焊接抗冷裂性能的研究进展7 1 3 焊接烟尘的研究进展8 1 3 1 焊接烟尘发生机理8 1 3 2 焊接烟尘的影响因素8 1 3 3 焊接烟尘的性质及危害9 1 4 本论文的研究目标和内容1 0 第2 章e 9 0 c k 3 金属芯焊丝的研制13 2 1 金属芯焊丝的制造及配方设计1 3 2 1 1 制造方法13 2 1 2 钢带的选取1 4 2 1 3 焊丝的拉拔1 4 2 1 4 金属芯焊丝基础配方设计1 4 2 2 铝对焊缝表面脱氧产物形态影响的研究15 2 2 1 试样制备及试验方法16 2 2 2 试验结果及分析16 2 3 铝对焊接飞溅及电弧稳定性的影响2 0 2 3 1 试样制备及试验方法2 0 2 3 2 试验结果及分析2 l 2 4e 9 0 c k 3 熔敷金属化学成分、微观组织、力学性能及工艺性能2 3 v 北京工业大学工学硕卜学位论文 2 4 1 试样制备及试验方法2 3 2 4 2 试验结果及分析2 4 2 5 本章小结2 8 第3 章药粉粒度对e 9 0 c k 3 金属芯焊丝焊接烟尘及其电弧稳定性的影响2 9 3 1 试样制备与试验方法2 9 3 1 1 试验材料及设备：2 9 3 1 2 试验方法3 0 3 2 试验结果3 1 3 2 1 焊接烟尘成分3 1 3 2 2 药粉粒度对焊接烟尘粒度分布的影响3 2 3 2 3 药粉粒度对发尘量的影响3 4 3 2 4 药粉粒度对电弧稳定性的影响3 4 3 3 试验分析与讨论3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章e 9 0 c k 3 金属芯焊丝与同类焊丝工艺性能对比3 9 4 1 焊丝焊缝成形的对比3 9 4 2 焊丝焊接烟尘发尘量对比。4 0 4 3 焊丝电弧稳定性对比4 1 4 4 焊接飞溅率对比4 3 4 5 熔敷率和熔敷速率对比4 3 4 6 本章小结4 4 结论4 5 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 1 致谢5 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 金属芯焊丝的研究进展 1 1 1 金属芯焊丝简介 金属芯焊丝是药芯焊丝的一个重要发展方向，它在a w sa 5 1 8 9 3 ，a w s a 5 2 8 9 8 ，a w sa 5 9 9 3 ( 中碳钢，低合金钢，不锈钢气体电弧焊焊丝) 均有规 定。与其它气体电弧焊焊丝具有相同的化学成分和力学性能要求，但是用字母“c ” 来表示的。例如与实芯焊丝e 7 0 s 6 化学成分和力学性能相似的金属芯焊丝编号 则为e 7 0 c 6 。本研究课题e 9 0 c k 3 金属芯焊丝中，“e ”代表焊材，“9 0 ”代表 抗拉强度为9 0 p s i = 6 2 0 m p a 以上，“c ”表示金属芯焊丝。“k 3 ”表示化学成分范 围。金属芯焊丝与药芯焊丝在结构上相似，在工艺上与实芯焊丝相似。一般说来， 金属芯焊丝具有以下几个优点。 金属芯焊丝内部的金属粉一般为锰，硅，某些情况下还会含有部分镍，铬， 钼等，还含有一些稳弧剂像钠，钾等盐类，其余为铁粉。其中没有或者只有一点 造渣成分，和实芯焊丝相似，在焊缝表面只有很少的一些脱氧产物，这就使金属 芯焊丝可以多道焊而不用清渣，焊后焊缝表面形态如图1 1 所示。 7 础 陵鬻篱蕊矮爨糍缵獭磁爨嘛窘瑟黟瑟鬻缀黝髟譬黔，乏； 。 。一 。尹 ： o “ t ”， 图1 1 金属芯焊丝焊后焊缝形态 f i g 1 - 1w e l da p p e a r a n c eo f m e t a lc o r e dw i r e 焊接过程中，焊接材料除转化为焊缝金属外，其他都以飞溅，烟尘，焊渣三 种形式损失掉了。熔敷效率越高，焊接材料转化为熔敷金属的部分越多。由于药 芯焊丝有一部分转化为覆盖在熔敷金属上的渣壳，所以，它的熔敷效率在8 4 8 9 之间，这取决于焊丝的直径及焊丝设计的熔渣量。实芯焊丝因为其中没有造渣成 分，所以熔敷效率高达9 5 9 8 ，这与熔敷金属的过渡形式有关。在高氩气的混 合气体保护焊中，熔敷效率更高。金属芯焊丝由于具有低飞溅及类似于实芯焊丝 少渣的特点，所以熔敷效率在9 2 9 8 之间，大小取决于保护气体中的氩气的含 量及熔敷金属过渡形式。当实芯焊丝用短路过渡及高c 0 2 混合气体焊接时，飞 溅增大，熔敷效率降低。熔敷金属的过渡形式及保护气体的成分对熔敷效率影响 北京工业大学t 学硕七学位论文 很大。相对于实芯焊丝高速焊来说，金属芯焊丝的飞溅更少。熔敷速率是指单位 时间内焊接材料转化为熔敷金属的质量。同熔敷效率相同，熔敷速率也是决定焊 接材料成本的主要因素。一般说来，在所有的焊接材料中，金属芯焊丝和药芯焊 丝都具有最高的熔敷速率。对于1 2 m m 直径的金属芯焊丝和药芯焊丝，熔敷速 率可以达到5 4 6 4 k g h ，而实芯焊丝只有3 6 4 5 k g , h 。高的熔敷速率和熔敷效率 使得金属芯焊丝更适合运用于高速焊接中。一般说来，当用金属芯焊丝焊接熔敷 速率达到4 k g h 或者更高时，金属芯焊丝的成本将低于实芯焊丝【l 】。 焊接工艺或焊接材料的改变带来的回报在于成本的变化。如表1 1 所示，焊 接材料在焊接过程的成本仅仅占1 5 ，其他的因素像劳动力，设备，电力，熔敷 效率，熔敷速度对焊接成本影响很大。对于焊接材料来说，不是计算每磅焊接材 料花了多少钱，而是计算用了每磅焊接材料的花费。如图1 2 所示，虽然单位质 量的金属芯焊丝的成本要比实芯焊丝的成本高，但是金属芯焊丝由于提高了生产 率从而降低了成本【2 j 。 消 耗 时 间 、 分 钟 r 譬? 订y 弩。弩一。_ 磊甚莲r _ ”刑。秀 睁 ；j l陲匡习实芯焊丝 孽。爿 秘- d 誊o 釜：竭 薏 争：鲥 匪盱 。 、， 蓬 瓣一 囊 k 飘 露霭 黟 ，翅 圈i ； 墓 e 美!霪j 鲤 耋醯；乙矗， 整 匿i 蘸蘸 一。越、。 避 蕊蔷 ；t f i 盏芷 瓠石x 纪 一 _ ij u _| | 第1 章绪论 经测试，使用氩气或者氩气和二氧化碳混合保护气体的金属芯焊丝，发尘量 大小类似于实芯焊丝，约4 6 9 k g ，而二氧化碳气体保护的药芯焊丝约为8 1 3 9 k g 。 由于金属芯焊丝焊接烟尘发尘量小，飞溅少，出色的电弧特性，使得焊接过 程更为清楚的观察熔池，更容易对焊接过程进行操作，从而得到理想的焊缝。金 属芯焊丝与其他各类焊丝性能比较如表1 2 。 表1 2 金属芯焊丝与其他各类焊丝工艺性能特点”】 t a b l e 1 2f e a t u r eo fc h a i a c t e r i s t i co f m e t a lc o r e dw i r ea n do t h e rw i r e s 3 - 5 1 1 1 2 金属芯焊丝的国内外发展及应用现状 金属芯药芯焊丝是近年来国际发展的新趋势，目前，日本和美国己把少渣型 金属芯焊丝作为研究和开发的重点之一【6 】。日本研究和应用金属芯焊丝的时间较 早，1 9 8 6 年就开始了初步应用。近年来已开发出多种类型的金属芯焊丝，如厚 板专用、薄板专用以及角焊专用的焊丝。低碳钢和5 0 0 m p a 级高强钢用金属芯焊 丝中，角焊用焊丝对船舶、桥梁等行业中涂漆钢板焊接而防止压痕及气孔起了很 大作用；在车辆、电子机械等薄板焊接领域中，己开发出具有电弧稳定性好，抗 熔滴流淌性好，焊接操作性好的薄板用焊丝；在机械制造、钢梁架、桥梁等领域 中，开发出具有低飞溅，焊缝成形好等优点，有望代替实芯焊丝的中厚板焊丝。 这些焊丝都是使用方便，质量上乘，焊接效率高的焊丝。近年来日本桥梁制造中 所用焊材的4 3 是药芯焊丝，药芯焊丝中金属芯焊丝占2 0 左右【3 】；造桥多采用 角焊，为谋求高效化，将更多地采用金属芯焊丝。 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 美国霍伯特和某公司电气两大公司开发出了多种系列的金属芯焊丝。某公司 的一系列金属芯焊丝中，新研制的m c p 7 1 0 x l 属于低烟尘型，其主要特性是焊 渣和飞溅少，电弧稳定性良好，熔敷率高，焊丝直径规格有巾1 2 m m 、中1 4 m m 、 d p l 6 m m 三种。 纵观美国及日本金属芯焊丝，既有相同之处，也有不同之处。日本开发的金 属芯焊丝，偏重于提高熔敷速度和效率，大都只能进行平焊及平角焊，少数品种 可用于横焊，但基本不能适用于全位置焊接。美国的金属芯焊丝注重提高焊缝内 在的质量的同时，还注重改善焊接工艺性能，提高熔敷效率，一些品种可适用于 全位置焊接【7 】。 韩国现代焊接有限公司的金属芯焊丝s u p e r - c o r e d7 0 n s ，可应用于造船、机 器和桥梁建设的自动焊接或机器人作业中。该产品集中了药芯焊丝的高熔敷速度 和实芯焊丝的高效性，其电弧平稳，飞溅少，焊缝覆盖有最小数量的渣壳。瑞典 伊萨( e s a b ) 公司新开发的一种金属芯焊丝c o r ew e l du l t r a ，与标准的e 7 0 c 6 m 相比，冲击吸收功提高4 0 ，烟尘量降低了至少3 0 ，它超出了a w sa 5 1 8 e 7 0 c 6 m 的要求( a w sa 5 1 8e 7 0 c 6 m 低碳钢金属型焊丝分类要求抗拉强度不 小于4 8 3 m p a ，在2 9 或1 8 的温度下的冲击吸收功不小于2 7 j ) ，使用的保护 气可以是7 5 8 0 的心和c 0 2 或直接用c 0 2 ，渣壳容易清理，在氩气为7 5 9 2 的混合气下呈良好的喷射过渡【s 1 。 国内在金属芯焊丝的开发也取得了一定的进展。在第十四届埃森焊接与切割 展览会上，天津三英推出了金属芯焊丝s q j 5 0 m x ，此种具有焊丝以下特点： 4 9 0 m p a 级高强钢用金属芯焊丝；高熔敷速度，比熔渣型药芯焊丝熔敷速度高出 2 0 ；良好的工艺性能；抗气孔性好，5 0 0 m m 长角焊缝第二道焊气孔数少于两 个；抗冷、热裂纹性好；焊缝力学性能良好，焊缝金属屈服强比在o 8 以下，提 高结构安全性；推出的1 4 m m 、1 6 m m 焊丝适用于机器人焊接和自动小车焊接， 可用于造船、桥梁、机械制造等平、横焊。四川大西洋焊接材料股份有限公司新 推出的c h t 7 0 c 6 金属芯焊丝，这种焊丝具有渣少，效率高，焊接速度快，飞溅 极少，熔深大，不易咬边，烟尘小，扩散氢低，而且可代替实芯焊丝的特点。天 津金桥也展出了一款正处于研发阶段的金属芯焊丝，天泰集团也已经开发了一款 应用于汽车工业焊接的金属芯焊丝，充分利用金属芯焊丝熔敷金属流动性好不用 清渣的特点。应用方面 。7 1 ，在西气东输二线x 8 0 钢焊接中，i t w 集团推出了蹦d + 金属芯焊丝的管道焊接技术，r m d 是美国m i l l e r 公司精确控制焊接电弧的专利 技术，配以h o b a r t 公司生产m e t a l l o y8 0 n 1 ( a w se 8 0 c n i l ) 金属粉芯焊丝， 成功地用于根焊，与纤维素焊条根焊相比，其焊接效率提高3 倍以上。利用r m d + 金属粉芯焊丝的管道综合焊接技术，不但可以根焊，而且配合自动焊设备，可进 行管接头全位置立向下填充及盖面焊接。 第1 章绪论 从以上几个大国际公司及国内公司的金属芯焊丝产品介绍及应用来看，金属 芯焊丝确实有其独特优势，将会成为目前国际焊材产业发展的新趋势。但是也存 在一些问题，金属芯焊丝焊接后，焊缝焊趾处往往产生一些岛状的脱氧产物，如 图1 3 所示，这种脱氧产物在焊后需要特定工序进行清除，耗时费工，成本较高， 但如不清除会对焊缝造成不利影响 9 】；目前国内外多数的金属芯焊丝只能使用 a r + c 0 2 混合气体保护，并且国内金属芯焊丝品种较少。 图1 3 金属芯焊丝焊缝表面的脱氧产物【9 】 f i g 1 - 3d e o x i d e s0 1 1t h ew e l db e a d 9 】 1 2 高强钢焊接的研究进展 1 2 1 合金元素对高强钢焊接接头性能的影响 1 ) 钛和硼元素对焊接接头性能的影响 h a t a n oh i t o s h i 等通过对7 8 0 m p a 高强钢焊缝金属研究发现，添加钛的焊缝 基体组织( 贝氏体加铁素体) 由板条状转变为针状，添加硼的焊缝基体组织( 贝 氏体加铁素体) 又由针状转变为板条状，钛的氧化物可以促进奥氏体晶粒内部的 针状贝氏体和铁素体形核，而自由的硼在钛的氧化物周围可以阻止这种现象的发 生 1 0 】。h w l e e 等人通过对硼含量分别为3 2 p p m ，6 0 p p m ，1 0 2 p p m 的焊缝组织 研究发现，随着硼含量增加，针状铁素体体积分数降低，硼含量达到1 0 2 p p m 时， 针状铁素体转为上贝氏体。焊缝的硬度随着硼含量的增加而增大。硼含量为 3 2 6 0 p p m 时，冲击吸收功随硼含量的增加而缓慢降低，硼含量为6 0 1 0 2 p p m 时， 冲击吸收功随硼含量的增加而显著降低，并且在硼含量为1 0 2 p p m 时，焊缝出现 裂纹【l l 】。w w b o s ef i l h o 等【1 2 】研究发现，高强钢焊缝中t i 含量为5 0 3 0 0 p p m 时， 焊缝微观结构不发生明显变化，钛含量较少时，焊缝中的夹杂物以锰和硅的氧化 物为主，当t i 含量达到7 0 0 p p m 时，焊缝金属中钛的氧化夹杂物占到6 0 7 0 w t 。 b b e i d o k h t i 等人研究发现，当锰含量为在1 4 1 9 2 时，钛含量为0 0 2 0 0 8 时，焊缝中针状铁素体随钛含量的增加而增爹1 3 】。文献 1 4 认为，低合金高强钢 焊缝中含t i0 0 2 4 ，b0 0 0 1 5 时，焊缝的金相组织为大量的针状铁素体，此时 焊缝的低温冲击韧性最高。余圣甫，杨可【”】等人通过试验发现在e 3 6 高强度低 北京- v 业大学t 学坝七学位论文 合金钢中加入微量的t i ，能形成直径为0 2 - 0 8 9 m 的m n o ，t i o ，s i 0 2 ，a 1 2 0 3 与m n s 组成的氧硫复合物，在大热输入焊接时诱导热影响区的晶内铁素体形核， 使热影响区粗晶区的晶粒细化，提高焊接热影响区粗晶区的强度与韧性。 2 ) 锆、铜等合金元素对焊接接头性能影响 江苏科技大学的王军，李晓泉等人在研究管线钢x 7 0 埋弧焊焊接过程中添 加元素锆发现，锆的加入增加了焊缝金属中针状铁素体的含量，改善了焊缝金属 的微观组织；夏比冲击韧性试验表明，锆含量在o 0 0 6 时焊缝金属韧性最好。 超过o 0 0 6 ，焊缝金属中虽然也保持了较高的铁素体含量，但由于出现了小岛 状的组元，导致韧性降低 16 1 。北京科技大学的a m g u o 等人通过研究发现，在 高强钢的凝固过程中加入锆，锆会转化为z r o ，在凝固的过程中，m n s 会沉淀在 z r o 上，由于两者的结构相似，降低了它们之间的界面能，m n s 由复杂的形状转 变为颗粒状，同时也促进了晶内铁素体的形成。这种机理同样也会发生在高强钢 焊接热影响区，通过在钢中加入锆，可以提高焊接热影响区的冲击韧性【1 7 】。i s h e i m d i e t e r 等人在焊接n u c u 1 4 0 钢板时发现，所得的焊接热影响区有很好的延展性， 焊后热影响区的微观组织为铁素体。由于富铜沉淀物焊后发生过度时效，热影响 区的硬度降低。此钢种在焊接时不用进行焊前预热以及焊后热处理 1 8 】。李少兵等 人在研究低合金高强钢时发现，随铜含量增加，焊缝金属的上平台冲击吸收功呈 下降趋势，铜有利于生成针状铁素体，含量为o 3 5 8 时，焊缝金属在4 0 以下 温度的低温冲击韧性最好，针状铁素体生成量最大，约占整个组织的8 0 。当铜 含量在0 3 0 - - 0 5 0 范围内时，焊缝金属能保持较高的低温韧性水平【l 们。e k e e h a n 等人运用人工神经网络模型研究发现高镍和低锰对高强钢焊缝金属的强 度有益，但是对高强钢焊缝的冲击韧性有害，他们通过试验发现焊缝中含有o 5 的锰，7 的镍和中等碳含量水平时，高强钢焊缝的冲击韧性和强度为最佳的配 合，此时的组织为上贝氏体，下贝氏体和马氏体 2 0 】。文献 2 1 认为，由于n i 是 促进铁素体化元素，可以促进铁素体的形核，当n i 在焊缝金属含量为1 时，焊 缝金属得到大量的铁素体和少量的贝氏体和珠光体，此时夏比冲击韧性最好。 h a r t m a nd e n n i sk 2 2 】等在开发一种用于焊接高强钢x 1 0 0 及其他高强钢结构件 的金属芯焊丝时发现，焊缝金属的屈服强度与焊缝中的碳，锰，镍的含量成正线 性关系；抗拉强度与碳和镍的含量成正线性关系；其中碳的影响最为突出。低碳 高镍或者低镍高碳可以获得高的夏比冲击韧性，并且通过添加适量的钛，钼，硼 可以获得较好的焊缝微观组织和力学性能。 o k a z a k iy o s h i t o m i 等人通过高强度铬钼钢试验发现，即使降低焊缝杂质含量， 焊缝也会变脆。碳化物的形态是抗回火脆性的首要因素。通过控制碳化物的形态 和氧化夹杂物大小和密度来有效的控制焊缝的回火脆性，断裂性和韧性。试验表 明可以通过合适的焊丝成分和焊接条件来控制碳化物的形态，提高抗回火脆性【2 3 1 。 文献 2 4 指出，对于低中强度焊缝金属，由于氧可以促进针状铁素体的形成，所 第1 章绪论 以氧含量为0 - 2 0 0 p p m 时，韧性随氧含量的增加而增大；对于高强度焊缝金属， 由于焊缝组织以马氏体或贝氏体为主，氧化物往往成为裂纹开始的源头，氧含量 即使低于1 4 0 p p m ，也对焊缝金属的韧性有害。但是，当氧含量在2 0 p p m 以下时， 焊缝具有良好的韧性。 m h a v a z k o n a n d e hg h a r a v o l 等的研究表明，焊缝金属中的铬含量在 o 0 5 0 9 1 w t 之间时，随铬含量的增加，铁素体含量增加，微观组织进一步细化， 抗拉强度、屈服强度j 硬度、冲击韧性增大，延展性却随铬含量的增加而降低【2 5 1 。 综上所述，合金元素对高强钢焊缝组织和力学性能影响很大，合理的调节合 金元素含量，可以得到理想的焊缝组织和性能。 1 2 2 高强钢焊接抗冷裂性能的研究进展 高强调质钢焊后容易在焊接热影响区引起氢致冷裂纹，通常用奥氏体不锈钢 焊接材料来焊接。g m a g u d e e s w a r a n 等人通过试验证明采用奥氏体不锈钢药芯焊 丝焊接高强调质钢，其抗氢能力要比采用其它焊接材料的抗氢能力好。同时，他 们用低氢铁素体焊接材料与奥氏体钢焊接材料进行对比发现，用低氢铁素体材料 焊接得到的焊缝，疲劳寿命要高于价格昂贵的奥氏体焊接材料得到的焊缝。因此， 也可采用铁素体材料来焊接高强调质钢【2 6 1 。 z e n i t a n is a t o r u 等人在研究用于8 0 0 m p 级高强钢焊接材料时发现，在y 型焊 缝断裂试验中，焊缝金属中马氏体转变膨胀所引起的残余拉应力的减少可以有效 的防止冷裂的发生。在y 型和h 型断裂试验中，焊缝接头的约束度越低，断裂 发生的几率越大。他们认为有两个原因，一：在高约束度的接头中，残余拉应力 在马氏体转变膨胀中减少的更多；二：焊缝组织中单一的马氏体对冷裂非常敏感。 依据这一理论开发了一种低温转变焊接材料，形成的焊缝由马氏体和小部分残余 奥氏体组成，马氏体用来减少残余拉应力，奥氏体用来溶解扩散氢，焊接8 0 0 m p a 高强钢时不需要预热，可以形成抗冷裂舯i z r _ 厶匕i i , 1 徊1 x 好的焊缝【27 1 。 c a l e n s i n g 等人通过在焊缝金属中添加金属钇的氧化物，制造强“氢陷阱” 的方法，在适当的工艺条件下，可以将金属粉型药芯焊丝焊缝金属的扩散氢含量 控制在1 - 2 m l 1 0 0 9 的水平 2 8 1 。s t e p h e nl i u 等人则将制造氢陷阱和加入氟化物的 方法适当的结合起来，开发了一种高强钢用药芯焊丝，其所得到的焊缝金属的力 学性能优异，扩散氢含量可以控制到0 6 m l 1 0 0 9 的超低水平【2 9 1 。 j d up l e s s i s 等人通过在e 7 0 1 8 1 焊条配方中添加云母氧化铁发现，随着云 母氧化铁量的增加，电弧气氛中氢的分压减少，促使焊缝中的扩散氢含量降低， 当云母氧化铁加到1 6 3 时，焊缝中的扩散氢含量降低了近7 0 【3 0 】。 k i mh e ej i n 等人则通过改变焊接材料中n i 的含量，对6 0 0 m p a 高强钢焊接 所得到的不同的焊缝组织进行研究发现，在扩散氢含量和硬度相同的情况下，抗 北京工业大学工学硕上学位论文 冷裂性能随晶界铁素体增多而降低，而n i 可以阻碍晶界铁素体的形成，促进针 状铁素体的形成【3 1 1 。 1 3 焊接烟尘的研究进展 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术，由于焊接 结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等 优点，因此焊接结构的应用日益增多。而在焊接过程中会释放出大量的有害气体 和氧化物粉尘一焊接烟尘，造成环境污染，同时给人体带来非常严重的危掣3 2 1 。 1 3 1 焊接烟尘发生机理 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。资料表吲3 3 。3 5 】，焊接烟尘主要有三种。0 0 1 l x m 尺度焊接烟尘由蒸汽一粒子转变的均质形核方式产生；o 1 p m 尺度粒子均为蒸汽 一粒子转变的异质凝结机制所形成；l o p m 量级及更大一些的粒子主要以气泡一 粒子转变机制所形成。f e 在焊接烟尘形核过程中最易形成f e 核，0 0 1 岬粒子尺 度下形核过程为： f c ( g ) _ f e ( 1 ) ( 3 - 2 ) 2 f e ( 1 ) + 0 2 = 2 f e o ( 3 3 ) 6 f e o ( 1 ) + 0 2 = 2 f e 3 0 4 ( s ) ( 3 4 ) 0 1 l x m 粒子尺度下的形核，则是由于f e 具有率先形核能力，而其他不具备 形核条件的元素以f e 核作为凝聚相发生异质性凝结，实现非均质形核。减少f e 形成核的多少，可以一定程度上降低非均质形核的量并减少总烟尘量。而1 0 阻 粒子尺度焊接烟尘粒子主要是由于导致飞溅的焊丝端部气泡爆炸现象，同时伴随 产生烟雾和微滴，其中微滴则是l o p m 尺度焊接烟尘粒子的来源。即该粒子尺度 烟尘粒子的来源与飞溅的大小相关联，l o l , t m 粒子尺度所形成气溶胶的多少仅与 飞溅有关系，对飞溅的有效控制可以减少该尺度下气溶胶的生成。 1 3 2 焊接烟尘的影响因素 1 ) 工艺方法 不同的工艺方法产生的烟尘量不同。采用熔化极电弧焊时，产生大量的烟尘， 而同样条件下采用非熔化极电弧焊时，女i t i g 焊，则产生的烟尘较少。采用埋弧焊 不易产生烟尘，而碳弧气刨与热切割则产生大量的烟尘，且碳弧气刨通常比热切 割产生的烟尘量要多。 第1 章绪论 2 ) 工艺参数 ( 1 ) 焊接电流与电弧电压 对m m a 与f c a w 焊来说，大电流与高电弧电压将增大烟尘排放量。对m i g 与 m a g 焊来说，由于电流、电压的改变将引起过渡方式的改变，故影响不一样，射流 过渡产生的烟尘量相对较少，但随着电流的增加而增加：熔滴过渡产生的烟尘量 相对较高。 ( 2 ) 电流类型交流焊接比直流焊接的烟尘多。 ( 3 ) 焊条直径焊条直径增加，烟尘量增加。 ( 4 ) 药皮类型碱性药皮比酸性药皮产生的烟尘多：金红石药皮焊条具有最 低的烟尘产生率，而纤维素药皮焊条的烟尘产生率是最高的【3 6 1 。 ( 5 ) 焊条倾斜角度施焊时较小的焊条倾角产生的烟尘量较低。 3 ) 保护气体及焊接材料的制作工艺 在气体保护焊中，烟尘排放量随着保护气体中氧气与二氧化碳气体量的增加 而增加。以氦气代替氩气时，产生的烟尘要相对多些，这是电弧电压增加的结果【37 1 。 在焊接材料尤其是药芯焊丝的制作工艺过程中，药粉粒度的大小会影响到合 金成分的烧损3 8 , 3 9 1 ，进而影响焊接烟尘的成分及发尘量的大小。 4 ) 其他影响因素 4 0 】 ( 1 ) 施焊位置施焊位置直接影响烟尘区与焊工呼吸区间的距离。 ( 2 ) 焊接空间焊接时，在没有通风设施或密闭空间中作业时，烟尘会集中， 增加了工作现场烟尘浓度值。工作区域较大时，可自然通风，降低工作现场的烟尘 浓度值。 ( 3 ) 工作循环( 空闲比) 较低的工作循环可产生较少的烟尘，不致产生超过 允许浓度的烟尘含量。 1 3 3 焊接烟尘的性质及危害 焊接烟尘作为一种大气颗粒物，是以气溶胶状物质的形式存在于焊接环境中 的，是成分复杂、性质多样、有较大危害性的污染物。焊接烟尘包括焊接过程中 发出的有害气体和产生的粉尘两部分，其中焊接有害气体主要包括臭氧、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、全身无力和厌食等症状，严重时可发生肺水肿 与支气管炎等。氮氧化物的种类很多，主要含有n 2 0 ，n o ，n 0 2 和n 2 0 5 等，其 中n 0 2 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 来自于c 0 2 的分解，在c 0 2 气体保护焊中会产生大量的c o 气体，而其他的电 弧焊中也会产生微量的c o 气体。当焊接材料中包括含氟物质时，在焊接过程中 可产生微量的h f 气体，h f 气体具有很强的刺激作用，能迅速使呼吸道收缩而 北京1 二业大学t 学硕二t 学位论文 对全身产生中毒作用。在焊接过程中产生的粉尘中，低氢型焊条的烟尘呈碎片状 形貌特征，粒径1 岬左右。酸性和二氧化碳保护、自保护焊烟尘形貌呈絮状， 粒径相比低氢型焊条烟尘粒径稍大一些。酸性焊条烟尘中，氧化铁的含量几乎占 烟尘总量的5 0 。研究表明 4 1 4 2 ：酸性焊条焊接烟尘中，随着烟尘粒子粒径的增 大，粒子中m n 的含量逐渐增多；0 0 1 p m 粒子尺度下的烟尘粒子的晶体结构为 f e 3 0 4 ，而o 0 3 一o 2 岬、0 3 0 5 t t m 的烟尘粒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