低氫交流焊條焊接低鈦脫氧途徑研究畢業(yè)論文

1、 畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者： 學(xué) 號： 學(xué)院（系、部）： 材料工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料成型及控制工程（焊接方向） 題 目： 低氫交流焊條焊接低鈦脫氧途徑研究 指導(dǎo)者： 評閱者： 2008 年 6 月 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要目前，低氫交流焊條焊接由于脫氧及交流焊接電弧不穩(wěn)定等問題，大都采用在藥皮中加入10%左右的高鈦脫氧方式進行配方設(shè)計。但高鈦含量藥皮導(dǎo)致成本過高，同時熔滴以顆粒狀形式過渡，其工藝性能有待改善。本文針對該問題開展了低氫交流焊條低鈦含量藥皮配方設(shè)計及工藝性能、力學(xué)性能試驗研究工作。研究工作表明，在低ti含量藥皮前提下，采用高堿度藥皮配合si、mn聯(lián)合脫氧設(shè)計思路研制低鈦

2、低氫交流焊條,經(jīng)實驗室配方調(diào)試試驗，可以獲得和高ti藥皮相當?shù)囊苯鹈撗跣Ч?。低ti含量藥皮焊條，可以通過另外添加低電離電壓的ca、na等物質(zhì)增加其焊接電弧的穩(wěn)定性，達到和高ti含量藥皮基本相當?shù)牡蛪航涣鞣€(wěn)弧性能。采用本設(shè)計方案研制的低氫交流焊條具有良好的工藝性能和力學(xué)性能并保持其原有的低氫特性，完全滿足產(chǎn)品的技術(shù)性能指標要求，與市售sh506、nj506現(xiàn)行產(chǎn)品性能基本相當，熔滴過渡呈現(xiàn)較好的噴射過渡，工藝操作性能優(yōu)于高ti焊條，其性價比優(yōu)勢明顯，有著很好的經(jīng)濟效益和社會效益。關(guān)鍵詞 低氫交流焊條 焊條藥皮 冶金脫氧 熔渣 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要title the study on l

3、ow-titanium desoxydation of low-hydrogen alternating current electrode abstractat present,as existing problem of desoxydation and electric arc instability ,the low-hydrogen alternating current welding adopts the way to deoxidize in adding about 10% titanium into coating to make a ingredient design.

4、however, the high content of titanium in coat causes high cost, simultaneously its droplet adopt the way of globular transfer and the operation performance should be improved. the subject make a ingredient design of low content of titanium in low-hydrogen alternating current electrode coat and start

5、 the study of operation performance and mechanical property for the problem. research shows that by debugging the ingredient design in laboratory, adopt the thinking of using high basicity coating associate with si, mn to deoxidize on the basis of adopting coating with low titanium can obtain metall

6、urgical desoxydation effect as good as adopting coating with high titanium . adding other low-ionization voltage matter such as ca、na into low titanium coating can achieve the performance of low-voltage ac electric arc stability as high titanium coating.the low hydrogen ac electrode designed has a g

7、ood operation performance and mechanical property and also maintain its original low hydrogen characteristics,fully meet the technical performance requirement of products, and its performance as good as sh506,nj506 saled in the market, and its droplet presents spray transfer so its operation perform

8、ance is better than high titanium electrode, the advantage of its cost performance is obvious, so it has a very good economic and social benefit.keywords :low-hydrogen alternating current electrode electrode coating metallurgical desoxydation slag 目 錄前 言1第一章 緒 論21.1鈦鐵在電弧焊接過程中的冶金作用21.2低氫交流焊條藥皮降鈦的可行性分

9、析31.3 課題主要工作4第二章 低鈦交流焊條配方設(shè)計及試制52.1低鈦焊條藥皮配方設(shè)計52.1.1總體設(shè)計方案52.1.2渣系的確定62.1.3原材料的選擇72.2焊條實驗室試制8第三章 試制焊條工藝評定試驗113.1焊接工藝性能評定方法113.2工藝評定試驗條件113.3工藝評定試驗結(jié)果143.4藥皮含水量測試15第四章 熔敷金屬理化性能分析測試164.1熔敷金屬化學(xué)成分分析164.2熔敷金屬力學(xué)性能試驗174.3金相顯微組織分析184.4熔敷金屬斷口形貌分析20第五章 脫氧途徑與焊條性價比的討論235.1不同ti含量脫氧對焊條工藝性能的影響比較235.2不同ti含量脫氧對力學(xué)性能的影響比

10、較245.3 不同ti含量脫氧對交流穩(wěn)弧性能的影響比較255.4 不同ti含量脫氧的經(jīng)濟成本比較25第六章 結(jié) 論27致 謝28參考文獻29前 言目前，重要的焊接結(jié)構(gòu)均采用低氫型的焊接材料進行施焊，以抑制氫致裂紋誘發(fā)的脆性破壞事故。長期以來，國內(nèi)低氫焊條發(fā)展主要以適合直流焊接用的低氫鈉型e5015焊條和適合交直流兩用的低氫鉀型e5016焊條為主。近年來，隨著國內(nèi)焊條市場產(chǎn)品性價比競爭日趨激烈，在保證性能的前提下降低產(chǎn)品的制作成本，是焊接材料制造企業(yè)急迫關(guān)注的問題。考慮到電弧熔焊過程本質(zhì)上是熔渣-氣相-液態(tài)金屬三相間交互作用的一復(fù)雜冶金過程，利用焊接冶金基本原理來有效控制有利冶金反應(yīng)的反應(yīng)方向及

11、進行的限度，降低貴重原料的氧化燒損，以達到盡可能地減少造渣材料中昂貴材料組分所占比例的目的，是提高焊條產(chǎn)品性價比的有效途徑。為此本畢業(yè)設(shè)計與南京林肯電氣有限公司（原南京市電焊條廠）開展合作，以企業(yè)為試驗研發(fā)基地，利用高校的微觀分析技術(shù)，開展低氫交流焊條低鈦脫氧途徑的研究。e5016低氫鉀型焊條適合交直流兩用，應(yīng)用中具有方便、靈活、節(jié)能等眾多的優(yōu)勢，目前是該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。藥皮配方的研制是該產(chǎn)品的核心技術(shù)，也是挖掘降低制造成本潛力的重要方面。根據(jù)公司提供的該產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟指標，公司現(xiàn)行的交直流兩用低氫鉀型e5016焊條產(chǎn)品，藥皮組成中鈦鐵含量為10%，而目前鈦鐵原料的市場售價日益高漲，已高達194

12、90元/噸。若能用技術(shù)的方法將焊條藥皮中鈦鐵含量由現(xiàn)行的10%降至4%的水平，每噸焊條將節(jié)約原料成本約200元。按每年生產(chǎn)5000噸計算，可直接節(jié)約制造成本100萬元。這對目前國內(nèi)焊條行業(yè)平均利潤率僅為5%的焊條制造企業(yè)無疑是一筆可觀的經(jīng)濟效益。同時降低藥皮鈦含量又可減少稀有貴重資源的消耗，擴大產(chǎn)品的利潤空間，增強企業(yè)的市場競爭力。為此開展本課題的研究具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。 第一章 緒 論1.1鈦鐵在電弧焊接過程中的冶金作用金屬ti是一種化學(xué)性質(zhì)極為活潑的元素，對o有很強的親合力。在al、mg、mn、si等金屬中與o的親和力最大。由于其化學(xué)活性強，自然界很少有游離態(tài)的金屬鈦，屬我國較為稀缺的

13、貴重資源。國內(nèi)焊接材料制造一般都采用含鈦量在35%-45%的鈦鐵合金天然礦石加工成粉末后作為藥皮原材料。在焊接電弧高溫條件下，鈦優(yōu)先與電弧氣氛中的氧結(jié)合成tio2從而進入熔渣被除掉。同時由于鈦與氧有極強的親和力，在焊接高溫下已被氧化的金屬鐵，在有金屬ti存在的條件下將被還原，即有如下的反應(yīng)： ti+o2=tio2 (1-1)ti+feo=fe+tio2 (1-2)此即產(chǎn)生脫氧效果。上述反應(yīng)由于受溫度影響很大，因此反應(yīng)可以向右，也可向左進行，這完全取決于反應(yīng)所處的實際溫度。而在焊接熱循環(huán)過程中未被氧化的ti才正真過渡到焊縫金屬中，使焊縫金屬組織細化以保證足夠的塑性和韌性。不過，實際焊接條件下金屬

14、ti向焊縫金屬中過渡量幾乎為零，ti在焊條電弧焊接過程中由藥皮向焊縫的過渡系數(shù)僅為3-4%左右。從這點來看，利用焊條藥皮中ti向焊縫金屬過渡來細化組織性能是很有限的，在經(jīng)濟上也是不可取的。另一方面，金屬鈦在電弧高溫下的電離電壓十分低，只有6.81v，因此電弧氣氛中的鈦對維持電弧的穩(wěn)定性又起到十分良好的作用。特別是在交流焊接條件下電源電壓過零的瞬間，電弧的穩(wěn)定燃燒只有靠熱發(fā)射電子來滿足電弧的穩(wěn)定性。這就造成交流焊條藥皮配方對金屬鈦具有較強的依賴性，才能較好地滿足交流焊接電弧的穩(wěn)定性和冶金脫氧效果。傳統(tǒng)的低氫交流焊條藥皮設(shè)計也就采用較高的鈦含量來保證交流電壓過零電弧的穩(wěn)定性和冶金脫氧效果。根據(jù)公司

15、已開展的降鈦工藝試驗，當藥皮中的鈦鐵含量低于10%時，工藝性能就呈現(xiàn)明顯的交流焊接電弧不穩(wěn)定的現(xiàn)象，尤其是低電壓焊接更為突出。同時焊縫金屬的夾雜物數(shù)量也明顯增加，表明脫氧效果不佳。由此可以看出，焊條藥皮中降低鈦鐵含量的關(guān)鍵問題是要解決低鈦條件下的脫氧及如何增加低壓交流電弧的穩(wěn)定性問題。1.2低氫交流焊條藥皮降鈦的可行性分析根據(jù)鈦在焊接過程中冶金作用，降低焊條藥皮中鈦含量，必須針對鈦在焊接過程中的主要作用，從焊接冶金作用原理角度尋找降鈦后的補償措施。根據(jù)焊接化學(xué)冶金原理，金屬鈦在電弧高溫條件下的脫氧本質(zhì)上是鈦與氧的氧化還原反應(yīng)。由于焊接過程是一非平衡的熱過程，決定氧化還原反應(yīng)的溫度隨時間和空間位

16、置又是在不斷變化的。根據(jù)美國麻省理工學(xué)院t.w.eagar教授及c.s.chai博士對焊接過程化學(xué)冶金反應(yīng)進行的限度開展的熱力學(xué)研究1-2，以及chai、eagar【3】對熔渣-金屬間化學(xué)冶金反應(yīng)前后合金元素的變化研究，合金元素在焊接過程中的氧化還原行為既可呈現(xiàn)正向向焊縫金屬過渡增加的變化，也可呈現(xiàn)負向被氧化燒損減少的變化。通過不斷改變化學(xué)冶金反應(yīng)的成分條件，發(fā)現(xiàn)對某一確定成分的熔渣，存在一化學(xué)冶金反應(yīng)前后合金元素?zé)o變化的中性點（neutral point）。這表明，焊接過程鋼渣間的化學(xué)反應(yīng)方向是在不斷變化的，既可以是氧化反應(yīng)方向，也可以是還原反應(yīng)方向，中性點即是氧化-還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)折點。分析上

17、述學(xué)者對焊接化學(xué)冶金理論的研究報道，可以作出以下一些對降低藥皮鈦含量有益的技術(shù)設(shè)想。首先，鈦在焊接冶金過程中必定存在一個化學(xué)冶金反應(yīng)前后成分無明顯變化的中性點，該中性點表明在焊條藥皮中過多地增加鈦含量實際上是以過高的成本來換取有限的性能改善。隨著藥皮中鈦含量的增加，過渡到焊縫金屬中的鈦含量并不會成正比例的增加。因此中性點對應(yīng)鈦含量可能是焊條藥皮中的最經(jīng)濟的鈦含量，超過該含量意味著用高昂的成本代價來換取過低的冶金效果，這在技術(shù)經(jīng)濟上是不取的。其次，既然單一的金屬鈦在焊接冶金過程中的冶金脫氧效果在達到某一極限后，就呈衰減的態(tài)勢，如果此時能引入其它一些冶金脫氧機制，在低鈦的基礎(chǔ)上應(yīng)該是有可能滿足冶金

18、脫氧效果的。 為了探索解決低氫交流焊條藥皮降鈦后帶來的電弧穩(wěn)定性問題，考慮到電弧的穩(wěn)定性本質(zhì)上是如何保證焊接電弧區(qū)域產(chǎn)生足夠的帶點粒子問題，金屬鈦雖然電離電壓低，但靠其電離產(chǎn)生的離子來維持電弧的穩(wěn)定性在經(jīng)濟上是不提倡的。目前已經(jīng)得到的與金屬鈦在高溫下的電離電壓大致相當?shù)脑赜衚、na、ca、fe、al、mg等元素。能否電弧氣氛中適當?shù)卦黾拥统杀镜囊纂婋x物質(zhì)以取代價格高昂的金屬鈦，這在技術(shù)上是具有可行性的。1.3 課題主要工作 根據(jù)上述分析，將焊條藥皮中的鈦鐵含量由10%降低到4%的程度，可根據(jù)焊接冶金原理，通過一系列配方調(diào)試試驗，并進行工藝性能及力學(xué)性能的綜合評定，探索低氫交流焊條低鈦脫氧經(jīng)濟

19、可行的最優(yōu)途徑，最終確定優(yōu)化的藥皮組成。為此本課題的主要工作有：1 焊條配方設(shè)計及制作；2 焊接工藝性能試驗；3 熔敷金屬化學(xué)成分分析；4 熔敷金屬力學(xué)性能試驗；5 熔敷金屬金相分析和斷口分析；6 試驗結(jié)果綜合分析討論。第二章 低鈦交流焊條配方設(shè)計及試制2.1低鈦焊條藥皮配方設(shè)計藥皮的配方設(shè)計是焊條產(chǎn)品的核心技術(shù)，藥皮配方在焊接過程中的冶金行為及形成的冶金保護效果，直接決定了焊條操作的工藝性能和形成焊縫金屬的力學(xué)性能。藥皮配方設(shè)計的任務(wù)即是綜合考慮滿足良好的工藝性能和力學(xué)性能并兼顧制造性能，在此基礎(chǔ)上還須考慮制造成本，即在滿足性能前提下，盡可能地運用低成本制造技術(shù)，使產(chǎn)品具備最佳的性價比。2.

20、1.1總體設(shè)計方案 焊條藥皮組成一般由造渣劑、造氣劑、脫氧劑、合金劑、粘結(jié)劑組成1根據(jù)焊條藥皮為低氫型的要求，藥皮組成中應(yīng)采用不含結(jié)晶水的造渣原料。通常，堿性造渣材料基本都未含有結(jié)晶水，但酸性造渣材料容易吸附水并以結(jié)晶水的形式存在。由于結(jié)晶水的去除僅靠焊條使用前的300溫度烘干是不能去除掉的，只有在溫度達到800條件下方能將其去除。而適量的酸性造渣材料又是調(diào)節(jié)熔渣酸度，確保工藝性能必不可少的組成物質(zhì)，這對焊接材料保持低氫特性具有不利的一面。為此精選不含結(jié)晶水的酸性造渣材料以保持低氫特性，是設(shè)計中需考慮的重要方面。 2 根據(jù)低氫焊條焊縫金屬需具備高韌性的要求，焊縫金屬中氧含量應(yīng)控制在較低的水平，

21、一般要求為300-400ppm含量。在焊條電弧焊條件下，熔敷金屬的保護由渣-氣聯(lián)合保護來實現(xiàn)，其中熔渣對高溫液態(tài)金屬處于直接接觸狀態(tài)。高溫氧化主要在熔渣和液態(tài)界面上進行，因此控制熔渣具備較高的堿度以弱化熔渣對金屬的擴散氧化和沉淀氧化作用顯得更為重要。增加熔渣堿度主要靠提高配方中堿性氧化物質(zhì)cao比例來實現(xiàn)，cao可通過大理石（主要成分為caco3）在電弧高溫的分解來保證?？紤]到大理石是一種極為廉價的原料，現(xiàn)行市售價格僅為35元/噸。因此增加其在藥皮中的比例有利于成本的降低。 3 為從冶金除氫的角度來進一步降低焊縫金屬的氫含量，可在藥皮中加入一定量的螢石（caf2）。根據(jù)冶金原理，螢石中f-在電

22、弧高溫下與h可結(jié)合成hf氣體而逸出熔池金屬。因此利用螢石的該作用可以達到冶金去氫的目的。本方案總體上對降氫采取一防而脫的技術(shù)控制措施。4 為實現(xiàn)低鈦降成本的目的，針對鈦在焊接過程中的冶金作用，采取控制藥皮中的鈦鐵含量在4%的水平，利用鋼焊芯中mn、si配合藥皮中少量的硅鐵、和錳鐵合金，采用si-mn聯(lián)合脫氧的方式，實現(xiàn)低鈦條件下多元脫氧技術(shù)措施。由于熔渣堿度設(shè)計較高，si、mn 、ti等有益合金元素的燒損可以被減少，氧化還原反應(yīng)的中性點可以維持在較低的水平上，進而達到與高鈦相當?shù)拿撗跣Ч?。在此條件下可最大限度地降低藥皮中價格高昂金屬元素所占的比例。同時為保持低鈦條件下交流電弧的穩(wěn)定性，焊條藥皮

23、中可適當添加含na的物質(zhì)，利用na具有極低的高溫電離電壓來補償降鈦導(dǎo)致的帶電粒子的減少問題。2.1.2渣系的確定根據(jù)總體設(shè)計方案，藥皮渣系設(shè)計為cao-caf2-sio2-tio2系，該渣系以大量的cao、caf2為堿性造渣物質(zhì)，輔以sio2、tio2酸性造渣物質(zhì)調(diào)節(jié)液態(tài)熔渣的流動性，使其具有良好的工藝性能。為解決sio2附帶的結(jié)晶水造成的焊縫增氫問題，原料選用經(jīng)900高溫煅燒的硅微粉原料，而不用常規(guī)帶有結(jié)晶水的石英作原料，這樣可以最大限度地降低焊接電弧區(qū)氫的來源。為保證熔渣具有足夠的堿度，藥皮配方中堿性造渣物質(zhì)caco3+caf2的總量控制在60%以上，而酸性造渣物質(zhì)sio2+ tio2控制

24、在10%以下，這樣可以保證熔渣的堿度控制在2左右的高堿度范圍。為確保熔渣的脫渣性能良好，可在藥皮組分中加入適量的zro2，利用形成熔渣后zro2低表面張力特性富集在鋼-渣界面，凝固后形成線膨脹系數(shù)較大的渣殼來改善脫渣性能。試驗中zro2是鋯英砂的形式加入的。為提高交流焊接效率，并進一步改善焊條的電弧噴力，可在藥皮中加入一定量的鐵粉，利用鐵粉在焊接電弧中釋放一定的熱量來增加電弧的噴力。目前市售鐵粉有水霧化鐵粉和還原鐵粉兩種供貨狀態(tài)?？紤]到還原鐵粉在制作上采用氫氣還原其中的氧，因而鐵粉中的氧含量比水霧化制作的鐵粉更低。本焊條藥皮中即選擇這種低氧含量的還原鐵粉。上述方案采用的主體原料價格較低廉、供貨

25、渠道有保障。si、mn合金元素的添加量在參考其過渡系數(shù)的前提下，采用根據(jù)試驗結(jié)果校正的方法確定出最后的添加量。為使焊條能夠制作，配方設(shè)計必須使其具有較好的壓涂性能，即用水玻璃濕拌后，混合物料具有較好粘結(jié)性能，這樣方可經(jīng)油壓擠壓成焊條半成品。對于caco3+caf2含量較高的高堿度藥粉，由于吸水性不好因而其壓制性能都較差。為了增加其壓涂性能，配方中采用羧甲基纖維素（簡稱 cmc）增塑劑來改善壓涂性能。羧甲基纖維素的化學(xué)分子式為c6h7o2(oh)2ch2coonan，為一種高分子有機物質(zhì)，吸水性極強。吸水后具有很強的粘結(jié)性能，加入高堿度的混合粉中攪拌均勻后即在顆粒物料表面形成一層粘性薄膜，該薄膜

26、在壓制時即可使物料具有很好的壓制性能。關(guān)于有機物的加入是否會增加焊縫金屬的焊氫量問題，設(shè)計中作了這樣的考慮。根據(jù)資料手冊提供的數(shù)據(jù)羧甲基纖維素的燃點只有200左右，這樣焊條壓制后還需經(jīng)350的高溫烘培，因此加入的羧甲基纖維素在焊條壓制成型后經(jīng)高溫烘培即可燃燒碳化。因而藥皮組成中的氫實際上已消失，因此焊接過程中不致造成焊縫金屬的增氫。采用這樣的增塑劑與傳統(tǒng)的用純堿作增塑劑相比焊縫金屬的擴散氫含量將會控制得更低，這是因為藥皮中過多的純堿含量會增加焊條產(chǎn)品在使用前的吸潮性，這對控制焊縫金屬氫含量是很不利的。而本設(shè)計配方中純堿的量控制在0.4%的含量，僅利用其na元素在高溫狀態(tài)的低電離電壓來達到提高交

27、流焊接穩(wěn)弧性的目的。2.1.3原材料的選擇焊條藥皮使用的原材料嚴格按相應(yīng)的國家標準規(guī)定的成分進行篩選，并嚴格控制原材料的s、p含量及微量元素的含量。本實驗中所用h08a焊芯化學(xué)成分見表2.1所示，公司提供的原材料成分滿足表2.2的成分要求。 表2.1 h08a 焊芯化學(xué)成分（wt%）csimnpsnicrmo其他0.0870.0750.420.0210.0150.170.0120.20 表2.2 藥皮原材料的化學(xué)成分要求藥 粉 名 稱化 學(xué) 成 分大理石caco397%; sio21.0%; s0.03%; p97%; sio22.0%; s0.03%; p98%; fe2o30.20%; s

28、0.02%; p92%; s0.03%; p60%; sio232%; s0.03%;p0.09%鈦鐵ti:35-45%; si4.5%; al8.0%; s0.03%; p0.05%低碳錳鐵mn:80-85%; c0.7%; si2.0%; s0.03%; p0.30%霧化硅鐵si:40-47%; mn0.7%; cr0.5%; s0.02%; p98%; mn0.4%; si0.15%; c0.05%; s0.02%; p0.02%;氫損98%; nacl1.2%; fe2o30.2%2.2焊條實驗室試制焊條藥皮的配方設(shè)計過程中，在保持熔渣堿度、鈦鐵含量在前述水平的前提下，對變動組分采用正

29、交設(shè)計方法設(shè)計出若干組的配比（見表2.3所示），然后在實驗室制作成焊條供焊接工藝及焊縫力學(xué)性能評定用。根據(jù)工藝評定的結(jié)果篩選出較為合理的配方，在此基礎(chǔ)進一步優(yōu)化配比。將設(shè)計的配方在實驗室用天平按2kg藥粉稱取各種物料按比例配制，經(jīng)10分鐘的干混均勻后加入模數(shù)為3.1，濃度為42be的鉀鈉水玻璃濕攪拌直至混合均勻并具有良好粘性物料。在實驗室用25噸焊條壓涂試驗機（圖2.1所示）壓制成4mm半成品焊條（圖2.2所示）。焊芯用成分滿足表2.1要求的h08a焊接用鋼絲，壓制前將涂料放入料缸中，調(diào)整偏心在5%以內(nèi)，待油壓穩(wěn)定后連續(xù)送進焊芯。壓制好的焊條在鐵刷砂輪上進行磨頭磨尾，然后擺放在木架上室溫自然晾

30、干。經(jīng)約10小時自然晾干后進行3501h的高溫烘焙圖2.1 焊條試制用試驗機 圖2.2 試制焊條便制得所需的焊條。將試制的焊條保存，工藝評定前考慮到焊條制作時雖經(jīng)烘焙，但經(jīng)過一定的保存期仍會有吸潮現(xiàn)象發(fā)生。為不影響評定結(jié)果，使用前應(yīng)再經(jīng)3001h的烘干。表2.3 設(shè)計試驗配方(wt%)大理石caco3螢石caf2金紅石tio2硅微粉sio2鋯英砂zro2+sio2低碳錳鐵mn+fe霧化硅鐵si+fe鈦鐵ti+fecmc純堿na2co3鐵粉fe38243625.5640.80.41040223625.5640.80.41042203625.5640.80.41044183625.5640.80.

31、41046163625.5640.80.41042201925.5640.80.41042202725.5640.80.41042203625.5640.80.41042204524.5740.80.41042204525.5640.80.41042204526.5540.80.410經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，本課題最終確定的藥皮配方如表2.4所示。表2.4 確定的焊條藥皮成分的組成（wt%） 大理石caco3螢石caf2金紅石tio2硅微粉sio2鋯英砂zro2+sio2低碳錳鐵mn+fe霧化硅鐵si+fe鈦鐵ti+fecmc純堿na2co3鐵粉fe42203625.5640.80.410第三章 試制焊

32、條工藝評定試驗3.1焊接工藝性能評定方法焊條的工藝性能主要指焊條操作使用性能，由于目前尚無法做到定量化，但在實際中又是用戶十分敏感的問題，目前市場競爭對工藝操作性能要求也十分苛刻。本試驗按照南京林肯電氣有限公司焊條研發(fā)工藝操作性能的評定規(guī)則（見附錄）采用10分制進行評定，工藝評定著重從以下幾個方面由公司經(jīng)驗豐富的焊條產(chǎn)品專業(yè)評定師進行操作評定。評定過程中以公司現(xiàn)有的e5016焊條（牌號為nj506）和上海電焊條廠市售同類e5016焊條（牌號為sh506）產(chǎn)品為參照物進行對比試驗。評定的內(nèi)容包括：1電弧推力；2 熔池的清晰度；3 熔渣的流躺性；4 焊條小電流焊接抗粘條性；5 藥皮的抗剝脫性；6

33、焊條的引弧性； 7 抗氣孔敏感性；8 電弧的穩(wěn)定性；9脫渣性；10 焊道的外觀；11 飛濺大小； 焊條工藝評定時將試制焊條、公司現(xiàn)品nj506及上海電焊條廠市售產(chǎn)品sh506在完全相同的條件下焊接，分別就上述每一方面進行比較。3.2工藝評定試驗條件采用交流焊機進行焊接，分別進行平焊和立焊兩種位置，以考察焊條的全位置焊接操作性能。工藝評定用的焊接參數(shù)見表3.1所示。圖3.1為工藝表3.1 焊接參數(shù)焊接位置焊條直徑/mm電源種類電流/a電壓/v焊縫層數(shù)平 焊4 交 流16025271立向上焊4交 角 焊4交 流16017025271圖3.1 工藝性能評定焊接現(xiàn)場圖評定的

34、現(xiàn)場照片圖。而圖3.23.4為工藝試驗試焊焊縫的部分照片圖。根據(jù)工藝評定試驗結(jié)果，總體來講，本課題所試制的焊條在工藝性能上是完全滿足市場要求的。針對產(chǎn)品操作過程中人們較為關(guān)注的脫渣性和焊縫成形問題，本次設(shè)計的焊條在這兩方面與sh506和nj506相比，存在以下一些異同點。在三種焊接位置中，sh506焊條的脫渣性能均最好，本課題試制的焊條與nj506脫渣性能相當，也很優(yōu)良。從圖3.2中可以清晰地看出，平焊時，sh506焊接試板在移動過程中就有少許熔渣脫落，可見其脫渣性十分優(yōu)良。以小錘錘擊焊道旁的母材，根據(jù)熔渣脫落的程度可以知道，本課題試制的焊條和nj506脫渣相當，均為脫渣性能良好。同樣，在立向

35、上焊位置（見圖3.3）、平角焊位置（見圖3.4）各焊條的脫渣性能與上述平焊位置時類似。nj506sh506試制焊條試制焊條sh506nj506 a b圖 3.2 平焊脫渣性及焊縫成形比較a脫渣性比較 b-焊縫成形比較nj506nj506 sh506sh506 試制焊條試制焊條 a b圖 3.3 立向上焊脫渣性及焊縫成形比較a脫渣性比較 b-焊縫成形比較nj506nj506 sh506sh506 試制焊條試制焊條 a b圖 3.4 平角焊脫渣性及焊縫成形比較a脫渣性比較 b-焊縫成形比較3.3工藝評定試驗結(jié)果三種焊條的評定結(jié)果見表3.23.4表3.2 平焊位置焊條工藝性能比較比較項目nj506s

36、h506試制焊條電弧噴力999熔池清晰度999流淌性98.59引弧性9.599抗氣孔性999電弧穩(wěn)定性9959脫渣性99.59焊縫成形8.599.5飛濺9.598.5表3.3 立向上焊位置焊條工藝性能比較比較項目nj506sh506試制焊條電弧噴力999熔池清晰度999流淌性999引弧性979抗氣孔性979電弧穩(wěn)定性999脫渣性999焊縫成形799.5飛濺979表3.4 平角焊位置焊條工藝性能比較比較項目nj506sh506試制焊條電弧噴力999熔池清晰度999流淌性999引弧性98.59抗氣孔性999電弧穩(wěn)定性999脫渣性9959焊縫成形8.5959飛濺799由以上評定結(jié)果可以看出，總體上講

37、，試制焊條各項工藝性能指標均能達到市場上現(xiàn)行的同類產(chǎn)品的水平，特別是交流焊接穩(wěn)弧性方面基本上保持了高鈦焊條相當?shù)姆€(wěn)弧性能。考慮到目前sh506是國內(nèi)低氫交流焊條中工藝性能處于領(lǐng)先的品牌產(chǎn)品，代表了國內(nèi)同類產(chǎn)品的水平，因此焊條藥皮配方設(shè)計在工藝操作方面與現(xiàn)行的同類產(chǎn)品是相當?shù)摹?.4藥皮含水量測試為了檢測試制焊條的低氫特性，對焊條藥皮的含水量進行了測試。測試時將焊條進行3801小時的高溫烘焙，然后在相對濕度為55%的大氣中停放4小時，稱得4小時藥皮的增重量即可測出藥皮吸收的水分，進而測出藥皮的含水量。試驗測得試制焊條藥皮的含水量為0.2%。根據(jù)該產(chǎn)品的技術(shù)指標要求，在相對濕度80%的環(huán)境中停放4

38、小時藥皮含水量0.6%即可滿足低氫焊條的技術(shù)要求。因此本試制的焊條的低氫特性是完全滿足的。第四章 熔敷金屬理化性能分析測試4.1熔敷金屬化學(xué)成分分析 試制焊條經(jīng)過工藝性能篩選后，需對熔敷金屬化學(xué)成分進行分析。成分分析用803020mm的鋼條，表面經(jīng)砂輪打磨清理后在平焊位置進行堆焊5層，以確保不受母材稀釋對熔敷金屬成分的影響。每道焊縫的寬度控制在10mm左右,層間用水冷卻約30秒，防止下一道焊縫由于過熱導(dǎo)致合金元素的過度燒損而影響分析結(jié)果。但焊接下一道前，必須予以干燥并清除熔渣。試樣焊接結(jié)束后用臺鉆鉆取熔敷金屬鐵屑，但所鉆深度不得超過堆焊層高度。對取出的熔敷金屬鐵屑用化學(xué)分析方法進行成分分析，確

39、定出c、mn、si、s、p幾個主要元素的含量。本試驗的分析結(jié)果見表4.1所示。表 4.1 試制焊條熔敷金屬的化學(xué)成分（wt%）化學(xué)成分元 素cmnsisp保證值0.121.60.750.0350.040實測值0.0670.900.390.0130.026從成分分析結(jié)果來看，熔敷金屬化學(xué)成分均在產(chǎn)品技術(shù)標準的合格范圍，與產(chǎn)品要求的保證值范圍相比，成分變動尚有較大的空間，熔敷金屬s、p控制在較低的水平。考慮到產(chǎn)品在實際焊接過程中熔敷金屬化學(xué)成分一般會有一定的波動，因此焊條成分設(shè)計過程中需要對此作充分的考慮，即允許成分在一定范圍內(nèi)波動但又不至于超出保證值的范圍，因此上述成分是較為理想的。成分分析結(jié)果

40、表明，熔敷金屬中mn/si比為2.3，根據(jù)國內(nèi)外一些學(xué)者對低碳鋼焊縫金屬最佳合金元素配比的研究，mn/si比值在23時即為最佳比值。本試驗結(jié)果除了完全滿足產(chǎn)品的技術(shù)指標外，mn/si比剛好在這最佳比值中間。表明所選用的熔渣堿度及合金元素的添加量是能很好地相匹配的。4.2熔敷金屬力學(xué)性能試驗力學(xué)性能是低氫焊條用于重要鋼結(jié)構(gòu)焊接的基本條件，為此必須對試制焊條熔敷金屬力學(xué)性能進行測試。試驗時用尺寸為30011022的q235鋼板加工成v型坡口，根部用鋼條作墊板，經(jīng)點焊牢固后即可進行焊接。焊接采用多層焊，嚴格控制焊接規(guī)范，層間溫度控制在200左右。焊接結(jié)束后按國家標準gb228-76的規(guī)定取拉伸試樣及

41、沖擊試樣，試樣的截取按圖4.1取拉伸及沖擊試樣。沖擊試樣應(yīng)取在焊縫中心部位，如圖4.2所示。沖擊試驗時為驗證沖擊值的穩(wěn)定性，可取5個沖擊試樣。試樣取出后經(jīng)加工制成，圖 4.1 試樣取樣位置圖4.2 沖擊試樣取樣a- 焊縫中心， b-熔合線，c-熱影響區(qū) 2mm，d-熔合線，e熱影響區(qū)沖擊試樣開v型缺口，然后在萬能拉伸試驗機及沖擊試驗機上進行力學(xué)性能測試。沖擊韌性的試驗按產(chǎn)品技術(shù)要求需進行-30低溫韌性試驗，試驗時用液氮將試樣冷至所需的溫度。表4.2為試制焊條熔敷金屬力學(xué)性能測試結(jié)果。從力學(xué)性能的試驗結(jié)果來看，屈服強度和抗拉強度均高于保證值50mpa左右，該強度值對于500mpa級的鋼來講是非常

42、合適的。目前一些研究結(jié)果表明，焊縫金屬的強度上限應(yīng)有所控制，抗拉強度過高對焊接接頭的安全運行并非是有益的，因為過高的強度帶來剛度過大及塑性過低等問題，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生及擴展。從這一點來看，本焊接熔敷金屬獲得的540mpa抗拉強度是比較合適的。這同時也說明本焊條設(shè)計中添加的合金元素對焊縫金屬的強化效果已足夠了，并不需要過多貴重合金元素過渡進入焊縫金屬來達到強化效果。反之如向焊縫金屬過渡過多的合金元素，不但會增加成本，而且對焊縫金屬的力學(xué)性能也不會帶來益處。力學(xué)性能試驗表明，熔敷金屬-30低溫沖擊韌性高達131j，高出產(chǎn)品指標保證值104j，因此熔敷金屬尚有很大的韌性儲備。表 4.1試制焊條熔敷金

43、屬力學(xué)性能力 學(xué) 性 能力學(xué)指標s/mpab/mpa/%akv/j(-30)保 證 值4104902227實 測 值44554028.51314.3金相顯微組織分析取沖擊試樣制成金相試樣觀察熔敷金屬的顯微組織，在05號金相砂紙上依次粗磨細磨后進行機械拋光（拋光粉為氧化鋁），在拋光過程中注意以量少次數(shù)多，由中心向外擴展不斷加入拋光微粉乳液以保持適當?shù)臐穸取伖夂笥?%硝酸酒精對樣品進行腐蝕。最后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。 圖4.3為用金相顯微境觀察到的熔敷金屬顯微組織照片圖。焊縫金屬的 a b 圖 4.3 焊縫金屬金相組織圖（400）a 焊縫1 b 焊縫2組織主要是鐵素體加少量珠光體。片狀與

44、條狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界分布。金相觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫金屬中的夾雜物較少，焊縫金屬較為純凈。這表明本設(shè)計焊條在焊接冶金過程中經(jīng)過了較為充分的脫氧，由于本焊條設(shè)計為低ti配合mn、si聯(lián)合多元化脫氧，可以使得脫氧后產(chǎn)物的酸性氧化物與堿性氧化物形成復(fù)合物而上浮于熔渣中，從而有效地避免了焊縫金屬中夾雜物的存在。這在一定程度上表明試制焊條的脫氧效果是較為理想的，本設(shè)計方案可以有效地控制氧對焊縫金屬的不良影響。 為了分析焊接接頭中韌性較為薄弱的熔合區(qū)的顯微組織，金相分析過程中對焊接接頭熔合區(qū)及近臨的母材金屬的顯微組織也作了比較分析。圖4.4 a b圖 4.4 熔合區(qū)金相組織圖（400）a 熔合區(qū)1 b 熔

45、合區(qū)2 a b圖 4.5 母材金相組織圖（400）a 母材1 b 母材2為力學(xué)性能試驗所取的焊接接頭熔合區(qū)的金相顯微組織照片。而圖4.5為相應(yīng)的母材金屬的金相顯微組織照片。從熔合區(qū)金相組織和母材金相組織來看，熔合區(qū)雖然由于焊接過熱呈現(xiàn)出組織長大的現(xiàn)象，但尚未表現(xiàn)出明顯的魏氏組織特征。母材由于離熱源相對較遠，因而焊接過程中組織并未發(fā)生多少改變。組織表現(xiàn)為常規(guī)的鐵素體加珠光體組織，具有良好的力學(xué)性能。熔合區(qū)雖然組織有所粗化，但與母材晶粒大小相比，粗化程度尚不明顯。因此作為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，組織的粗化對性能的損傷應(yīng)該比其它焊接獲得的焊接接頭有所緩解。這可能得益于設(shè)計焊條的電弧噴力較大，因而焊接過程

46、中電弧加熱相對更集中，母材熔化速度加快而減少了電弧的熱輸入，使得熔合區(qū)的晶粒長大得到一定的控制。4.4熔敷金屬斷口形貌分析為進一步對設(shè)計焊條熔敷金屬斷裂的微觀細節(jié)作深入分析，采用掃描電鏡對拉伸試樣的斷口形貌進行觀察。圖4.6、圖4.7分別是拉伸試樣斷口的低倍和高倍掃描電鏡照片圖。掃描電鏡觀察表明，斷口表面色澤灰暗無金屬光澤，斷口中心深陷，表明斷裂前發(fā)生了很大塑性變形量。高倍電鏡觀察進圖4.6 拉伸試樣宏觀斷口 圖4.7 拉伸試樣微觀斷口一步表明斷口內(nèi)壁表面布滿密集的微坑，微坑大小相對較均勻，呈現(xiàn)出典型的韌窩形狀。高倍電鏡觀察表明，斷裂發(fā)生前，斷裂面較均勻地發(fā)生了相當程度的塑性變形。局部微區(qū)發(fā)生

47、脆性斷裂的幾率極為少見，整個斷口幾乎找不到具有脆性斷裂特征的解理臺階、準解理形貌或冰糖狀的沿晶斷口形貌。因而可以保證熔敷金屬具有理想的塑性和韌性。同時韌窩的心部往往是金屬內(nèi)部夾雜物或第二相殘留的部位，從韌窩內(nèi)部殘留的夾雜物來看，夾雜物顆粒較為細小，沒有過大的顆粒夾雜物，在整個斷面上呈彌散的分布。對于韌性斷裂來講，裂紋一般起源于夾雜物處，粗顆粒的夾雜物將顯著降低裂紋擴展所需的能量，而細顆粒的夾雜物對裂紋的擴展將比粗顆粒夾雜物消耗的能量更多。熔敷金屬良好的塑性和韌性取決于焊接過程冶金凈化程度及冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變。焊條電弧焊焊接過程熔敷金屬的形成本質(zhì)上是在電弧氣氛條件下熔渣/液態(tài)金屬交互作用的冶金

48、凈化過程，本設(shè)計焊條藥皮采用了提高caco3+caf2總量，以保持熔渣高堿度的方法來實現(xiàn)冶金凈化過程。caco3比例的提高增加了電弧氣氛co2產(chǎn)生量，而co2又是氧化性的氣氛，這對液態(tài)金屬的氧化固然有不利的一面。然而焊條電弧焊是一種渣-氣聯(lián)合保護的焊接方法，焊條藥皮一旦熔化，因其具有較小的表面張力便均勻地覆蓋在液態(tài)金屬表面，從而阻止了co2對液態(tài)金屬的氧化作用。因此提高caco3在熔渣中的比例引起的co2產(chǎn)氣量的增加不會導(dǎo)致液態(tài)金屬氧化明顯增強。反而，電弧氣氛氧化性的增強有利于電弧氣氛氫分壓的減小，這對降低擴散氫是十分有利的。因此高堿度帶來的氧化性氣氛并不至于對熔敷金屬的氧化帶來過多的影響。但

49、高堿度熔渣對液態(tài)金屬的弱氧化性卻是很明顯的。因而本焊條設(shè)計采用的低ti配合mn、si脫氧在高堿度熔渣條件下完全可以達到傳統(tǒng)高鈦焊條同樣的脫氧效果。焊縫金屬良好的塑性和韌性另一方面還取決于組織轉(zhuǎn)變特性。通常熔池金屬的過熱是焊縫組織性能劣化的一大原因，從焊條設(shè)計的工藝性能角度如能盡可能地提高電弧的噴射力，利用較強的電弧噴射力促進熔滴金屬的快速過渡，同時增大電弧噴力又可提高熔池的熔化效率，縮短熔池金屬過熱的時間。本設(shè)計焊條藥皮充分應(yīng)用了這一特性。根據(jù)工藝試驗結(jié)果，當藥皮中caco3/caf2比值在2.1左右時，焊條熔滴的過渡將由原有的顆粒過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榧氼w粒過渡，此時電弧截面受到收縮，呈噴射狀由焊條末端

50、射向熔池內(nèi)部，但此時焊接電流并未發(fā)生變化，因此電弧電流密度顯著提高，產(chǎn)生較大的電弧噴射力。因此焊接過程中熔池金屬的過熱現(xiàn)象有所緩解。這對抑制晶界粗大的先共析鐵素體的析出是十分有利的。目前眾多的低碳鋼焊縫斷口分析研究普遍認為，焊縫二次組織中的先共析鐵素體的長大是導(dǎo)致焊縫韌性惡化的主要原因。因此本焊條在工藝性能方面設(shè)計的噴射過渡對焊縫金屬塑性和韌性的提高是有利的。 焊縫金屬x-射線探傷進一步表明焊縫金屬內(nèi)部無缺陷，焊縫質(zhì)量達射線探傷標準級要求，表明試制焊條焊接形成的焊縫完全滿足檢驗要求。第五章 脫氧途徑與焊條性價比的討論5.1不同ti含量脫氧對焊條工藝性能的影響比較由于金屬ti是目前焊接材料脫氧劑

51、中脫氧能力最強的元素，采用高鈦脫氧是較經(jīng)典的交流焊條設(shè)計方法。該方法脫氧充分、可靠性大，這是其有利的一面。然而金屬ti屬稀有金屬，其價格昂貴。本課題提出的采用低鈦配合si、mn多元脫氧方案設(shè)計的焊條與南京林肯電氣有限公司采用的含ti達10%的高鈦焊條工藝性能比較，主要的差異在熔滴過渡形態(tài)方面。試制焊條熔滴過渡呈現(xiàn)噴射過渡，而公司的焊條則表現(xiàn)出顆粒過渡。分析這一原因可能是高鈦脫氧焊條由于脫氧能力很強，熔滴在焊條端部剛一形成即與覆蓋于表面熔渣中的ti相互作用發(fā)生脫氧反應(yīng)，即發(fā)生如下系列反應(yīng)： fe+o=feo (5-1) 2fe+sio2=2feo+si (5-2) ti+2feo=tio2+2fe (5-3)因此熔滴含氧量一開始就保持在較低的水平。由于氧是一種表面活性元素，對熔滴表面張力的降低有著重要的作用。過低的氧含量必然導(dǎo)致熔滴金屬表面張力的增大，因而呈現(xiàn)體