（材料加工工程专业论文）ycj601niql低合金高强度钢药芯焊丝的研制.pdf

摘要 药芯焊丝具有其它焊接材料无法比拟的技术及经济优势，在国际上被认为 是发展最快、最有前途的第四代焊接材料。药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接具有 电弧稳定，飞溅小，易于操作，易于实现自动焊接，易于向焊缝中添加合金元 素等优点。国外药芯焊丝起步较早，已广泛应用于各个行业；我国药芯焊丝起 步较晚，但是发展很快，现已具有较强研发和生产能力，在质量上与发达国家 相比还有一定的差距。 本文从实际出发，研制适合q 5 0 0 q e 新型低合金高强度桥梁钢焊接的c 0 2 气体保护焊用药芯焊丝，将对这一新型桥梁钢的实际应用产生推动作用。 本文简述了药芯焊丝的发展过程，国内外研究的现状和药芯焊丝在桥梁钢 焊接中的应用情况。同时还介绍了药芯焊丝的生产工艺，分析了各种药芯成分 对焊丝工艺性能和力学性能的影响及机理。c 0 2 气体保护焊药芯焊丝的熔滴过渡 行为和冶金过程也在本文中作了介绍。 在明确了y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的设计原则和技术指标的情况下，对药芯 焊丝用到的造渣剂、合金剂、脱氧剂作了充分的分析。研制过程中采用正交试 验的方法对y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的配方进行了设计。设计试验共分三组，第 一组试验主要调节焊丝的工艺性能，第二组试验在第一组的基础上调节焊丝的 力学性能，第三试验在前两组的基础上对焊丝性能进行优化。通过三组试验， 得到了基本符合焊丝技术指标的配方。 本文采用汉诺威弧焊质量分析仪测试了y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的电参数， 结果表明该药芯焊丝熔滴过渡行为是细小颗粒过渡，具有较好焊接工艺性能。 通过工艺试验验证了y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的工艺性能和力学性能是满足其技 术指标的。焊接工艺评定结果认为：焊缝经外观检验、超声波探伤检验、宏观 断面检验及接头力学性能试验等检验，焊接接头各项指标均满足t b l 0 2 1 2 9 8 及 技术要求。该焊丝适用于板厚2 4 , - - ，6 4 m m 的q s 0 0 q e 钢板立位药芯焊丝c 0 2 气 体保护焊对接。 关键词：药芯焊丝；正交试验；药芯配方设计；焊接工艺性能；熔敷金属力学 性能 a b s t r a c t f l u x - c o r e dw i r ew e l d i n gm a t e r i a lh a st h et e c h n i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s t h a no t h e rw e l d i n gm a t e r i a l sa n di ti sr e c o g n i z e da st h ef o u r t hg e n e r a t i o no fw e l d i n g m a t e r i a lw h i c hi sf a s t e s tg r o w i n ga n dm o s tp r o m i s i n g c 0 2g a ss h i e l d e df l u x c o r e d w i r ew e l d i n gm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fs t a b l ea r c ，s m a l ls p a t t e r ，e a s yt oo p e r a t e ， e a s yt oi m p l e m e n ta u t o m a t i cw e l d i n g ，e a s yt oa d da l l o y i n ge l e m e n t st ot h ew e l d b e a d a n d8 0o n f l u x - c o r e dw i r eh a sa p p l i e di nm a n yf i e l d si nf o r e i 盟d e v e l o p e dc o u n t r i e s a f t e ri t se a r l ys t a r t i ti sg r o w i n gf a s ti nr e c e n ty e a r si no u rc o u n t r ya n dw eh a v ea s t r o n gc a p a c i t yo fr &da n d p r o d u c t i o n 1 1 地t a s kp r o c e e df r o mt h er e a l i t yt od e v e l o pan e wc 0 2g a ss h i e l d e df l u x - c o r e d w i r ew h i c hi ss u i t a b l e f o rq 5 0 0 q e - an e wk i n do fh i g h - s t r e n g t hl o w - a l l o yb r i d g e s t e e l ，a n dt h ef l u x - c o r e dw i r ew i l lp l a ya ni m p r o v i n gr o l ei nt h ea p p l i c a t i o no ft h i s n e w b r i d g es t e e l t k sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ff l u x - c o r e dw i r e ，t h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u sa n dt h ea p p l i c a t i o no ff l u x - c o r e dw i r ei nb r i d g es t e e l i t a l s od e s c r i b e dt h ef l u x c o r e dw i r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n a l y s i s e dt h em e c h a n i s m i n f l u e n c eo ft h ew e l d i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff l u xc o r e c o m p o n e n t s 。砀em e t a lt r a n s f e rb e h a v i o ra n dm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s e so fc 0 2g a s s h i e l d e df l u x c o r e dw i r ea r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e a f t e r m a k i n g c l e a ro ft h e d e s i g np r i n c i p l e s a n dt e c h n i c a l t a r g e t o f y c j 6 0 1 n i - q lf l u x - c o r e dw i r e ，t h es l a gf o r m i n gc o n s t i t u e n t 、t h ea l l o y i n gc o n s t i t u e n t a n dt h ed e o x i d i z i n ga g e n tw h i c hw i l lb eu s e di nt h ew i r ea r es u f f i c i e n t l ya n a l y z e d t h e o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o di su s e di nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ef o r m u l a t i o no f y c j 6 0 1 n i - q lf l u x c o r e dw o r e t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sc a nb ed i v i d e di n t ot h e r e g r o u p s ：t h ep u r p o s eo f t h ef i r s tg r o u pi sr e g u l a t i n gt h ew e l d i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c e ， t h es e c o n dg r o u pw i l lr e g u l a t et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew i r eo nt h eb a s i so f t h ef i r s tg r o u p ，t h et h i r dg r o u pi st oo p t i m i z et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h e f l u x c o r e dw i r eo nt h eb a s i so ft h ef i r s ta n dt h es e c o n dg r o u p a f t e rt h et h r e eg r o u po f e x p e r i m e n t s ，t h ef o r m u l a t i o no f t h ef l u x c o r e dw i r ei sf o u n d i nt h i sp a p e r ，h a n o v e ra r ew e l d i n gq u a l i t ya n a l y z e rw a su s e dt ot e s tt h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fy c j 6 0 1 n i - q lf l u x - c o r e dw i r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d r o p l e tt r a n s f e rb e h a v i o ro f t h i sf l u x c o r e dw i r ei sas m a l lp a r t i c l et r a n s i t i o nw i ma g o o dw d d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t y t h ew d d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fy c j 6 0 1 n i - q lf l u x c o r e dw i r ew e r ev e r i f i e da c c o r d i n gt o t h ew d d i n ge x p e r i m e n tt e s t a l lt e c h n i c a lt a r g e t so ft h ew e l dj o i n tc a nm e e t t b10 212 - 9 8t h r o u g ht h ew e l da p p e a r a n c et e s t 、d t r a s o m cf l a wd e t e c t i o nt e s t 、 m a c r o s e c t i o nt e s ta n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t y c j 6 0 1 n i q lc a l lb eu s e di n t h ec 0 2g a ss h i e l d e df l u x c o r e dw i r eu p r i g l l tw e l d i n gf o rq 5 0 0 q eh i g h - s t r e n g t h l o w a l l o yb r i d g es t e e la tt h et h i c k n e s so f2 4 m m t o6 4 m m k e y w o r d s ：f l u x c o r e dw i r e ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n ；f l u xc o r ef o r m u l a t i o n d e s i g n ；w e l d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd m d i n g m e t a l m 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 武汉理工大学或其他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。 签名： 互凰 日期：圣丝z ：里莎 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：王尥导师( 签名) ： 日强砷p l 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 药芯焊丝及其发展过程 焊接是一种重要的材料加工工艺，它广泛应用于船舶、桥梁、石油化工、 电力、海洋工程、微电子技术、以及各种金属结构制造等领域【。据统计，全世 界年产量4 5 的钢材和大量的有色金属以及部分非金属都是通过焊接加工进而 付诸使用的。焊接材料包括焊条、焊丝、焊带、焊剂、焊料等，焊接技术的发 展过程就是现代工业进步的缩影，而焊接材料的发展过程更是焊接技术进步的 象征。药芯焊丝同时具备埋弧焊与c 0 2 焊接( 指实芯) 的优点，自从2 0 世纪5 0 年代药芯焊丝便已开始开发问市，因其焊接过程中产生柔和、稳定的电弧以及 低飞溅等特点，它被很快地应用于各个行业并取得了很大的发展。 药芯焊丝是现有焊接材料中技术含量最高的产品，也被称作焊接材料的第 四代产品。1 9 1 2 年e s a b 公司的创始人奥斯卡尔克杰尔伯格在他的专利中就 对药芯焊丝进行了描述，但随后的4 0 年间由于当时冶金和机械制造水平的限制， 药芯焊丝发展十分缓慢，2 0 世纪5 0 年代中期药芯焊丝在欧洲和美国开始正式应 用于生产，同期美国和前苏联成功研制出自保护药芯焊丝。从图1 1 日本近十年 各种焊接材料的发展趋势可以看出药芯焊丝处于一直上升的趋势【2 】o2 0 世纪6 0 年代初郑州机械研究所、上海亚洲焊条厂等单位开始研制药芯焊丝。我国经过 几十年的探索，积累了研发经验，掌握了药芯焊丝的生产规律，目前我国药芯 焊丝生产企业3 0 余家，年生产能力超过3 0 万吨【3 】。 我国药芯焊丝的发展大致经过以下三个阶段： 第一阶段是从2 0 世纪6 0 年代初期到8 0 年代中期，这一时期主要是研究探 索和基础实验，属于学习的阶段。 第二阶段是从8 0 年代中期到2 0 0 0 年，属于引进、吸收、消化的阶段。这 一时期我国药芯焊丝生产和使用稳步发展，产品数量和质量都有较大的进步， 但进口药芯焊丝仍占我国药芯焊丝使用量的半数以上，如1 9 9 9 年全国药芯焊丝 消费量近8 0 0 0 吨，但国产药芯焊丝仅占2 5 0 0 吨，进口超过5 0 0 0 吨。这一时期 我国的药芯焊丝无论是质量还是品种的齐全程度上都与日、美、欧有较大的差 武汉理工大学硕士学位论文 距。 第三阶段是2 0 0 0 年以后，是我国药芯焊丝进入了大发展的时期，形成了以 武汉铁锚、天津三英、北京安泰、昆山天泰、大西洋等企业为代表的中国品牌 药芯焊丝生产和研发企业。药芯焊丝的产量和质量进步很快，部分产品质量已 达到或优于日、美、欧同类产品，且形成了较为齐全的药芯焊丝生产和研发体 系，中国在药芯焊丝领域已占有一席之地。 印0 0 0 7 0 0 0 0 p6 0 0 0 0 棚5 0 0 0 0 钆 葵4 0 0 0 0 餐 辎3 0 0 0 0 驶 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o 1 9 8 51 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 年份 图1 1日本近十年各种焊接材料产量 1 1 2 药芯焊丝的研究进展 药芯焊丝是由薄钢带卷成圆形或异形钢管的同时，填满一定成分的药粉后 经拉制而成的一种焊丝。药芯焊丝按其外形结构可分为由冷轧薄钢带制成的有 缝药芯焊丝和焊接成钢管形状的无缝药芯焊丝，目前市场上占主导地位的是有 缝药芯焊丝，但无缝药芯焊丝由于其更好的焊接性能也得到了一定的发展。按 内部填充材料可分为有造渣剂的造渣型药芯焊丝和无造渣剂的金属型药芯焊 丝，按照渣的碱度药芯焊丝可分为钛型( 酸性渣) 、钛钙型( 中性或碱性渣) 、 钙型( 碱性渣) 药芯焊丝，按照保护类型药芯焊丝又可分为自保护药芯焊丝和 气保护药芯焊丝。 药芯焊丝具有焊缝成形美观、焊接飞溅小、熔敷速度高于实芯焊丝及可采 用大电流进行全位置焊接等优点，焊接工艺性能优良【4 】。钛型( 又称金红石型) 药芯焊丝的焊缝成形美观，全位置焊接工艺性能优良，但焊缝金属的韧性和抗 2 武汉理工大学硕士学位论文 裂性能稍差；钙型药芯焊丝的焊缝金属韧性和抗裂性能较好，但焊接工艺性能 和焊缝成形稍差，尤其是它的全位置焊接受到限制；钛钙型药芯焊丝的性能则 介于二者之间。所以各类药芯焊丝的研究主要集中在了对钛型药芯焊丝焊缝金 属的韧性和抗裂性能的提高以及对钙型药芯焊丝焊接工艺性能和焊缝成形的改 进上。本课题研制的钛型药芯焊丝近年来的研究主要集中在以下两个方面： 一是焊丝的低温韧性进一步提高。钛型药芯焊丝酸性氧化物多，碱性物质 少，熔渣的碱度很低。对于5 0 0 - 6 0 0 m p a 强度级别的药芯焊丝，只采用s i m n 合金系就可以满足一2 0 o 的韧性指标。通过药芯焊丝配方对焊缝金属进行微 合金处理是获得焊缝金属的低温韧性和提高焊缝金属的抗裂性的有效途径【5 】。在 焊缝金属中添加微量的t i 、b 、r e 等元素可以显著提高焊缝的低温韧性。国产 某两种型号的5 0 0 m p a 级钛型药芯焊丝熔敷金属的低温韧性已达到a “- - 2 0 c ) 1 2 0 1 8 0 j 和a “- - 4 0 。c ) 1 2 0 - - 一1 6 0 j ，日本神钢d w - 1 0 0 型药芯焊丝的低温韧 性为a r , , ( - - 2 0 c ) 1 0 0 - 一1 6 0 j 。 二是焊丝的强度级别越来越高。强度级别较低的低合金高强钢，由于钢中 合金元素含量少，其焊接性良好。随着合金元素的增加，钢材强度级别提高， 其焊接性也逐渐变差，会出现热影响区的淬硬倾向、冷裂纹、热裂纹、粗晶区 脆化等问题。针对这些问题，国内外焊接工作者进行了广泛而深入的研究并取 得了很好的效果。采用j q y j 5 0 1 1 对瑞典e s a b 公司生产的w e l d o x 7 0 0 与 w e l d o x 9 0 0 低合金高强钢焊接已成功应用于大型风机叶轮网。德国 d r a h t z u gs t e i n 公司生产的1 21 1 1 1 1 1m e g a f i l l10 0 m 无缝药芯焊丝已成功 应用于试验用上海三钢有限责任公司生产的高强钢板s h t 9 0 0 d 采煤机械高端液 压支架焊接。 1 1 3 桥梁钢用药芯焊丝 近年来我国铁路和公路交通发展迅猛，铁路钢桥和公路钢桥日益向大跨度、 大节段、结构新颖美观等方向上发展。在钢桥设计上，由于构件荷载越来越大， 如采用传统的1 6 m n q 钢等屈服强度级别为3 4 5 m p a 级的钢材，就会大大增加钢 材用量，因此在大跨度钢桥结构上就需要强度级别高的钢材以满足设计要求。 近年来我一些大型钢桥采用的钢材有q 3 7 0 q d ，q 3 9 0 e ，q 4 2 0 e ，q 4 2 0 q e ，其板 厚可达6 0 m m 一- 8 0 m m 7 1 。 目前我国桥梁钢焊接中多采用埋弧焊和c 0 2 气体保护焊药芯焊丝。由于良 3 武汉理工大学硕士学位论文 好的焊接工艺性能，药芯焊丝的用量正处于上升的趋势，这也是我国桥梁钢焊 接材料的一个突出变化。宜昌大桥焊接中广泛采用c 0 2 气体保护焊药芯焊丝， 占该桥用钢量的1 9 ，军山大桥的药芯焊丝占其用钢量的1 8 。 1 2 药芯焊丝概述 1 2 1 药芯焊丝制造工艺 全世界各国用于制造药芯焊丝的工艺方法有很多种，其分类如图1 2 所示。 f 无缝型 罂萋糕 药芯焊丝1 有缝型 兰星竺篓兰f 连轧法 坌簟篱耄萎 。钢带成型法1r 霾高曩叫”、 l 轧拔法 分体传动式 l 集中传动式 4 武汉理工大学硕士学位论文 药粉原料检验 烘粉 筛粉一配粉 混粉 钢带原料检验 钢带纵剪 钢带清洗重绕，畸l 丝_ 叫立丝一精密层绕寸咆装入库 图1 3 钢带轧拔法生产药芯焊丝流程示意图 原材料检验包括药粉的成分、颗粒度、显微形状和钢带的化学成分、力学 性能、几何尺寸等。由于药粉易吸潮，用吸潮的药粉生产出的药芯焊丝易使焊 缝产生气孔、压坑、裂纹等缺陷，所以筛粉之前应当对药粉进行烘干处理。金 属粉通常用1 0 0 - 1 5 0 的温度烘干，矿物粉通常用4 0 0 - - 6 0 0 的温度烘干。配 粉、混粉在管理不善的情况下极易出现质量问题，因此应加强对配粉、混粉的 管理力度，药粉混好后应立即使用，存放时间长会影响药粉的流动性。制造药 芯焊丝的冷轧薄钢带尺寸一般可以由供货方根据要求提供，因此一般不需要钢 带纵剪。轧丝工序是钢带由平面状态到u 形，再到o 形的过程，这个过程中的 关键是填充率的控制及半成品丝的成型质量。半成品丝再经过拉丝工序即可精 密层绕包装。药芯焊丝的包装形式同实芯焊丝一样，也分为塑料卷盘、纸板卷 盘、笼形卷盘、简装等。 1 2 2 钛型药芯焊丝配方成分对焊丝性能的影响 有渣型药芯焊丝分为钛型( 酸性) 、钛钙型( 中性) 和钙型( 碱性) 。目前，以金 红石型渣系的焊丝产量最大，应用最广【8 】。焊丝药粉主要包括：造渣剂、脱氧剂、 稳弧剂、合金剂，本课题拟研制的y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝也将采用金红石型渣 系。表1 1 综合说明了钛型药芯焊丝配方成分对焊接飞溅、脱渣性、电弧稳定性、 焊缝成形、全位置焊接性及焊缝低温韧性的影响。从表中可以看出，当所列药 芯组成物单独变化时，除氟化物外其余组成物对电弧稳定性都无不利影响，但 都对压坑、气孔倾向敏感。当多组分变化时，药芯成分的交互作用比较复杂， 最终通过焊接冶金反应对焊丝的工艺性能和力学性能产生影响【9 】。 ( 1 ) 金红石的主要成分是t i 0 2 ，其含量一般选用w 面0 2 9 8 的金红石。 在配方中金红石的添加量就控制在3 2 - 4 5 之间。金红石是钛型药芯焊丝配方 中的主要造渣剂和稳弧剂，在药芯配方中的比例最大，对电弧的稳定性、渣的 覆盖性、焊缝的表面质量影响最大。金红石型二氧化钛的熔点为1 8 5 0 ，随着 金红石在配方中比例的增加，熔渣的凝固速度会提高，这有利于焊丝的全位置 焊接工艺，所以合理选择金红石的配比是十分重要的。 5 武汉理工大学硕士学位论文 药芯中t i 0 2 在熔滴阶段进行如下反应【1 0 】： 3 ( t 1 0 2 ) + 4 j a i l 7 ( a 1 2 0 ，) + 3 【t i 】 ( t i 0 2 ) + s i ( s i 0 2 ) + 【t i 】 t i 0 2 通过以上反应向焊缝中过渡t i ，不适量的t i 将聚集于晶界并与c 、n 形成化合物而削弱晶界致脆。因为t i 含量只在一个极窄的范围内才有益于焊缝。 钛型焊丝还不宜过量脱氧，否则不利于对扩散氢的控制，这就增加了在钛系基 础上进一步提高焊缝机械性能的难度。 表1 1 药芯成分对焊丝性能的影响 ( 2 ) 锆英石的主要成分是z r 0 2 ，在配方中应控制在4 以下，其理论组成 为：z r 0 2 ：6 7 1 和s i 0 2 ：3 2 9 ，熔化区间为2 3 4 0 - - 2 5 5 0 。它对焊缝的脱渣 性和全位置焊接工艺性能有一定帮助。随着z r 0 2 含量的增加，熔渣变得酥脆， 熔渣的强度降低，熔渣中的黄颜色逐渐增加，焊缝成形较好。z r 0 2 对焊缝金属 的低温韧性影响不大。 ( 3 ) 石英和长石的主要成分是s i 0 2 ，在配方中应控制在4 以下，s i 0 2 的 熔点为1 7 5 0 1 3 。随着s i 0 2 含量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，对焊 缝的脱渣有利，但同时焊缝的低温韧性逐渐下降。s i 0 2 还容易和a 1 2 0 3 、m g o 、 n a 2 0 、k 2 0 等成分在高温条件下形成玻璃物质，从而降低熔渣的透气性，容易 6 武汉理工大学硕士学位论文 使焊缝产生压痕缺陷。 ( 4 ) 镁砂的主要成分是m g o ，在配方中应控制在5 以下，m g o 为高熔点氧 化物，可提高熔渣的熔点和粘度，改善熔渣的物理化学性能，改善脱渣性与覆 盖性，提高焊丝的全位置焊接性。随着m g o 含量的增加，熔渣的碱度升高，焊 缝的低温韧性逐渐提高。 ( 5 ) 钛型药芯焊丝氟化物可选用n a f 、n a 2 s i f 6 、k 2 s i f 6 、l i f 等。氟化物的 熔点较低，可降低熔渣的共熔点，降低熔渣的粘度和表面张力，有利于改善焊 缝脱渣性和焊缝表面成形。氟化物在高温下分解产生i - i f 气体，起到焊缝去氢和 提高抗压痕的作用，这对提高焊缝的低温韧性十分重要。但随着氟化物在配方 中比例增加，焊接飞溅增大，熔渣变稀，使焊丝的全位置焊接工艺变差；同时 焊接烟尘的毒性也会增强，所以适当控制氟化物在配方中的配比。 ( 6 ) m g 粉和m g - a i 合金是药芯焊丝配方中的强脱氧剂。在配方中加入 m g 粉，容易实现电弧的喷射，高温下反应产生的m g o 进人熔渣，有利于提高 熔渣的碱度，有利于提高焊缝金属的低温韧性。随着m g 含量的增加，配方中 s i 、m n 元素烧损降低，焊缝金属中的s i 、含量增加，焊缝表面更加光亮。 但m g 粉在使用过程中安全性差，极容易燃烧产生爆炸，在配方中加人m g 粉， 电弧吹力较大，焊接角焊缝时容易产生咬边现象。 所以配方中一般采用m g - a i 合金作为强脱氧剂。随着m g - a l 合金的增加， 药芯焊丝电弧喷射状态明显改善，对焊接飞溅、焊缝成形有较好的作用。m g - a i 合金是钛型药芯焊丝实现全位置焊接不可缺少的原材料，配方中应控制在 1 5 4 之间。 ( 7 ) 药芯焊丝配方中的金属及合金粉包括f e 粉、t i f e 粉、s i f e 粉等，添 加适当比例合金粉，可通过焊接冶金反应得到所需的焊缝金属化学成分与力学 性能，进而满足工程实际的需求。t i f e 的主要作用是提高焊缝金属的韧性，并 有脱氧、稳弧、促使熔滴以雾状过渡和实现焊缝成型细而光亮的作用。但t i f e 只在很窄的含量范围内才对韧性有利，含量过多反而会降低韧性，因此对t i f e 的含量应加以控制【l 列。 ( 8 ) 砧2 0 3 在配方中应控制在3 以下，其熔点为2 0 5 0 c 。a 1 2 0 3 与钢的高 温线膨胀系数相差较大，可改善脱渣性。随着灿2 0 3 含量的增加，熔滴尺寸变小， 熔渣的熔点和熔渣的粘度会提高，有利于全位置焊接工艺性能。但2 0 3 也容易 和s i 0 2 、m g o 、n a 2 0 、k 2 0 等成分在高温条件下生成玻璃物质，从而降低熔渣 7 武汉理工大学硕士学位论文 的透气性，容易使焊缝产生压痕缺陷。灿2 0 3 对焊缝金属的低温韧性影响不大， 但对焊缝金属的伸长率影响较大。 1 2 3c 0 2 气体保护焊药芯焊丝的熔滴过渡行为 熔滴过渡是影响钛型药芯焊丝焊接工艺性能的根本因素。目前关于c 0 2 气 体保护药芯焊丝熔滴过渡行为主要有三种观点；一是把c 0 2 气体保护药芯焊丝 的熔滴过渡形式分为：短路过渡、大颗粒过渡和细颗粒过渡。这种观点侧重于 考虑熔滴过渡颗粒的大小以及是否存在短路现象。二是把c 0 2 气体保护药芯焊 丝熔滴过渡形式分为：排斥过渡，细颗粒短路过渡和滴状过渡，其中排斥过渡 又可分为小角度排斥过渡和大角度排斥过渡两种。这种观点考虑了熔滴颗粒的 大小以及是否存在短路现象和熔滴过渡时的非轴向特征。三是把药芯焊丝熔滴 过渡形式分为：大滴排斥过渡，细颗粒过渡，射滴过渡，射流过渡和短路过渡 等形态。这种观点考虑了熔滴颗粒的大小、是否存在短路、熔滴过渡的非轴向 特征、熔滴过渡的频率等因素。药芯焊丝熔滴过渡特性可归纳为：熔滴的周向 旋转特性、熔滴的非轴向过渡特性、药芯滞熔特性、熔滴与熔渣分离过渡特性。 熔滴过渡机理的研究一般基于两种理论：缩颈力不稳定理论和静态平衡力 理论。 缩颈力不稳定理论认为，同相电流通过熔融的金属液柱时会产生电磁收缩 力，该力是使金属液柱破碎成熔滴的主导力。随着焊接电流的增加，电磁收缩 力增大，熔滴颗粒减小。可见，缩颈力不平衡理论解释了随焊接电流的增大， 熔滴尺寸减小的原因。 静态平衡理论认为，当熔滴所受的静态剥离力大于静态保持力时，熔滴从 焊丝端头剥离。通常焊丝端头熔滴受到六种力的作用，它们是重力、气体吹力、 斑点压力、电磁力、等离子流力和表面张力。在平焊过程中，重力、气体吹力、 电磁力、等离子流力是剥离力，表面张力是维持力。焊接过程中，作用于熔滴 上的这些力的大小受多种因素的影响，这些力对熔滴过渡行为所起到的作用也 会因为焊接位置的不同而不同。焊接电流较小时，重力、等离子流力是促进熔 滴过渡的主导力，在该焊接条件下，熔滴较大，以大颗粒过渡或排斥形态过渡； 焊接电流较大时，作用于熔滴上的电磁力及等离子流力逐渐增大，成为促使熔 滴过渡的主导力，在这种焊接条件下，熔滴颗粒相对细小。上述解释与实际焊 接过程相符。 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 - 4 所示，药芯焊丝熔滴一共受到六种力的作用。f e 是表面张力，是在 焊丝端部保持熔滴的主要作用力。f q 是气体吹力，它会使电弧电场强度提高， 作用在熔滴上的电极斑点压力增大，导致熔滴非轴向过渡，严重时影响电弧稳 定性或增大飞溅。f b 是斑点压力，直流反接时阴极斑点压力比阳极斑点压力大， 所以熔滴过渡比较顺利。重力f 窖在平焊时是促使熔滴过渡的主导力，而立焊和 仰焊时，它将阻碍熔滴过渡。等离子流力f d 是高速等离子流对熔滴产生的作用 力，该力有利于熔滴的轴向运动并与焊接电流大小有密切关系。电磁力f c 的轴 向分力f 睨对熔滴过渡的影响取决于电弧的斑点面积：如果斑点尺寸大于焊丝直 径，则促使熔滴过渡；反之则阻碍熔滴过渡。钛型渣系药芯焊丝焊接时，电弧 的斑点面积大，电磁力促进熔滴过渡。 1 堇a 岛l ll 嚣 aj 2 局 f 一 3 殇 4 r 甏 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 状截面药芯焊丝的熔滴冶金反应较为充分，焊缝中合金元素分布均匀，组织晶 粒变细，熔敷金属力学性能优良，尤其是冲击韧性值远高于简单截面焊丝。二 是在药芯中加入有利于细化熔滴，减小熔滴表面张力的成分，如硅铝酸盐矿石 粉、镁铝合金等。增大金红石的含量对降低熔滴的表面张力和细化熔滴的作用 并不明显。三是选择合理焊接工艺参数，平焊焊接电流为2 4 0 - 2 6 0 a 时，焊丝 工艺性能较好；焊接电流为1 6 0 , - 一2 0 0 a 时，焊丝的立向上焊接工艺性能较好。 1 2 4c 0 2 气体保护焊药芯焊丝的冶金过程 药芯焊丝的焊接化学冶金过程与实芯焊丝c 0 2 气体保护焊和焊条电弧焊不 同，其冶金特点是：一、焊丝直径细，药芯部分电阻大，电流通路主要限定在外 皮金属，承受的电流密度大，熔化速度快；二、电弧中的c 0 2 在高温时具有强 烈的氧化性，电弧中同时存在c 0 2 、c o 、o ；三、熔滴较细，过渡频率高，化 学冶金反应更加复杂【1 3 】。钛型渣系气保护药芯焊丝的焊接冶金反应可分为三个 反应区连续进行。 ( 1 ) 药芯反应区它是指从导电嘴到电弧区的焊丝干伸长部分受到电阻热的 作用，药粉发生的一些物理化学反应，如水分的蒸发、铁合金的氧化、某些物 质的分解。 ( 2 ) 熔滴反应区它是指从熔滴形成、过渡至焊缝熔池这一区间可能发生的化 学冶金反应。 熔滴、药芯柱与电弧中c 0 2 的反应过程为： c 0 2 + 【f e 】= ( f e o ) + c o c 0 2 + 【f e 】- 【f e o + c o 2 c 0 2 + s i 】= ( s i 0 2 ) + 2 c o c 0 2 + m n 】= ( m n o ) + c o 3 c 0 2 + 2 灿】= ( a 1 2 0 3 ) + 3 c o c 0 2 + 【m g 】= ( m g o ) + c o 药芯柱中的s i 0 2 与熔滴中【f e 】的反应过程为： ( s i 0 2 ) + 2 f e 】= s i + 2 f e o 药芯柱中的脱氧元素与熔滴中【f e o 】的反应过程为： 【m n + f e o 】- f e 】+ ( m 1 1 0 ) 【s i 】+ 2 【f e o 】= 2 f e + ( s i 0 2 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 m n o + s i o ，= m h 0 s i o ， 药芯中的a i 、m g 等强脱氧元素在药芯反应区和熔滴反应区与c 0 2 反应中， 绝大部分己被烧损，不再与熔滴中的 f e o 发生反应。如果药芯中有较多的锰铁 时，则会发生如下反应： 2 m n + ( s i 0 2 ) = 【s i 】+ 2 ( m 1 1 0 ) 该反应会导致渗硅现象，即熔滴( 焊缝) 中s i 含量增高。 ( 3 ) 熔池反应区将继续进行熔滴反应区的化学反应，只是反应剧烈程度和 反应速度与熔滴反应区不尽相同。 钛型药芯焊丝中s i 0 2 和t i 0 2 含量较高，在熔滴阶反应区通过还原反应，向 熔池中过渡的s i 会阻碍熔池中氢的逸出，不利于氢的控制。药芯中a 1 、m g 、 s i 、m n 等强脱氧元素会降低电弧中c 0 2 的氧化性，也会减弱对氢的抑制作用。 1 2 5 焊缝金属成分控制和韧性改善 研制低合金高强度钢药芯焊丝要解决的主要问题就是在保证焊缝金属强度 的基础上，提高焊缝金属的韧性。改善焊缝力学性能的有效方法之一就是向焊 缝中添加某些合金元素，起到固溶强化和变质处理的作用。通过向焊缝金属中 加入微量的细化晶粒合金元素，如t i 、b 、z r 、a i 、n b 、稀土等，可以使焊缝金 属的晶粒细化，既可提高焊缝金属的强度和韧性，又可改善其抗裂性能。其中 m n 、s i 等起到固溶强化的作用，t i 、b 、z r 、稀土等起到变质处理的作用，而v 、 n b 、m o 等则兼有两种作用。 根据设计思路，欲将n i 作为主要的合金元素加入到药芯中，n i 是奥氏体形 成元素，能够降低因灿导致铁素体晶粒变粗大的影响，并且n i 具有固溶强化 的作用，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性，但是n i 加入量过大会使焊缝 强度增大而韧性下降【1 5 1 ，所以应控制n i 的添加量。 s i 、m n 是低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素，它们可以起到脱 氧和提高焊缝抗拉强度的作用，但是对韧性影响比较复杂。文献4 认为：当焊 缝中m n o 2 5 时组织为侧板条铁素体，这两种组织韧性都比较低；而当m n = o 8 1 0 ，s i = o 1 0 - 0 2 5 时才可得到细晶铁素体和针状铁素体，具有较好的韧性。 仅采用s i 、m n 提高焊缝的韧性是很有限的，必须向焊缝中加入其它细化晶粒的 合金元素才能进一步改善组织，提高韧性。 武汉理工大学硕士学位论文 t i 、b 可以大幅度提高焊缝的韧性，对焊缝金属有很复杂的细化作用，它们 与o 、n 有密切的关系。t i 与。的亲合力较大，焊缝中的t i 是以微小颗粒氧化 物的形式( t i o ) 弥散分布于焊缝中，可以促进焊缝金属组织细化。在冷却过程 中，t i o 作为“钉子 位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大，细化了晶粒。这 些小颗粒状的t i o 还可作为针状铁素体( a f ) 的形核质点，在丫一仅转变阶段促 进a f 的形成。t i 与n 也有上述类似的作用。砸在焊缝中保护b 不被氧化，b 可作为原子状态偏聚于晶界。这些聚集在丫晶界的b 原子，抑制了先共析铁素 体的形核与生长，从而促使针状铁素体的生成，达到了改善焊缝组织韧性的目 的。o h 等人【1 6 】在研究低碳钢气体保护焊时发现，焊缝中含有0 0 4 - - 0 0 5 t i 元素和0 0 0 4 - 0 0 0 5 b 元素时，针状铁素体的含量能达到9 5 左右，但是如 果焊缝中含有过量的t i 、b 时，则会导致低温冲击韧性恶化。e v a n s r 7 】在含1 5 m n 的手工电弧焊中发现，t i 为0 0 4 、b 为0 0 0 4 时，冲击韧性最佳。刘磊【1 8 】通 过研究得出，手工电弧焊中含有0 0 2 0 0 3 的t i 和0 0 0 2 9 - 0 0 0 6 0 的b 时，焊缝金属低温冲击韧性最佳。霍光瑞【1 9 】等采用均匀设计方法，研究了面b 对熔敷金属冲击韧性的影响，认为t i 与b 之间存在正交互作用，当焊缝金属中 含有0 0 2 5 - - 0 0 3 5 t i ，0 0 0 2 5 - - 一0 0 0 4 5 b 时，- 4 0 a h 值可达1 4 0 j 以上。 稀土元素是在元素周期表中与碱金属相邻的过渡族元素，按性质可分为重 稀土和轻稀土。稀土是化学活性很强的元素，在钢中的作用十分复杂，它可以 与o 、n 、p 发生激烈作用，从而减轻和消除这些微量元素的有害作用；它也可 以和钢中的合金元素发生作用，改善焊缝组织，提高焊缝韧性。 采用微合金元素改善焊缝金属的组织和强韧性是一项十分复杂的问题，对 于不同合金体系最佳的微量元素添加量也是不同的。低合金钢焊缝的韧化机制 就是增加焊缝组织中的针状铁素体( a f ) 的含量，抑制先共析铁素体( p f ) 的 形核与长大。尤其是对于高强钢焊缝( o 。= 5 0 0 - - 8 0 0 m p a ) ，其韧性的提高应当通 过增大a f 的数量或细化a f 来实现，具体来说就是，应使加入焊缝合金元素的 种类和数量所带来的细化a f 的作用大于它们对韧性的有害作用。 1 3 本课题研究内容及意义 当前市场上6 0 0 m p a 级c 0 2 气体保护焊用药芯焊丝较少，适合q 5 0 0 q e 桥梁 钢c 0 2 气体保护焊用药芯焊丝尚属空白，为此，本课题利用c 0 2 气体保护焊焊 接工艺，研制出适合q 5 0 0 q e 桥梁钢的c 0 2 气体保护焊用药芯焊丝。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 本课题的主要研究内容如下： 1 ) y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的配方设计及优化。通过药芯配方的优化设计， 研制出适合q 5 0 0 q e 钢的c 0 2 气体保护焊用药芯焊丝。 2 ) y c j 6 0 1 n i q l 药芯焊丝的焊接工艺性能研究。通过焊接工艺试验来验证 药芯焊丝配方的合理性及可行性并分析焊接规范和工艺因素对焊缝成形的影响 规律。 3 ) 药芯焊丝配方中各成分对焊接性能的影响规律研究。通过对不同配方药 芯焊丝熔敷金属的力学性能、组织和成分的测试以及对焊接工艺性能的评价， 找出药芯焊丝配方中各成分对熔敷金属力学性能和药芯焊丝焊接工艺性能的影 响规律。 本课题为鞍钢高性能桥梁钢q s 0 0 q e 研制适合c 0 2 气体保护焊全位置焊接 的6 0 0 m p a 级药芯焊丝，将会对我国桥梁钢用药芯焊丝的发展产生积极意义，促 进我国高性能桥梁钢在公路和铁路桥梁建设中的应用。 1 4 本章小结 。 本章详细论述了药芯焊丝的发展过程及国内外药芯焊丝发展的现状。我国 药芯焊丝的研制和应用起步较晚，但近十年来发展十分迅速，已占据一定的国 际市场，同时我国药芯焊丝的种类和质量与欧、美、日等发达国家还存在很大 的差距，缩小这种差距是我们焊接工作者的责任和义务。本章还综述了药芯焊 丝的生产方法，钛型药芯焊丝配方成分及其对焊丝性能的影响，钛型药芯焊丝 的熔滴过渡和冶金过程，焊缝金属成分控制和韧性改善等内容，通过这些明确 了药芯焊丝研制过程中可能遇到的各种问题以及低合金高强钢药芯焊丝应克服 的关键问题。另外，本课