（材料加工工程专业论文）自保护药芯焊丝的研究.pdf

武汉理i ：人学硕卜学位沦文 摘要 药芯焊丝是近几年来发展最快、最有吸引力的新型焊接材辎。本论文在 研究了现有渣系的基础上，结合我圈园情，剥已有的渣系进行了改进，研制 了一种高碱度、低氢型、5 0 0 m p a 级、c a f 2 一a i 2 0 3 一c a o 系自保护药芯焊丝， 焊丝的焊接工艺性能和熔敷金属的力学性能优良，在自保护药芯焊丝的研究 方面做了开创性的工作。在此基础上，文章围绕着自保护药：卷焊丝的焊接工 艺性能和熔敷金属的力学性能中的关键技术问题进行了系统的研究和探讨。 脱渣性是自保护药芯焊丝研制过程中的重点和难点。文章利用混料回归 设计试验方案，从熔渣物理性质、化学性质、微观形貌等方面对碱性自保护 药芯焊丝的脱渣性进行了系统的研究和探讨。利用线胀系数的估算公式，发 现在熔渣的线胀系数与自保护药芯焊丝的脱渣率之问存在着良好的对应关 系。 飞溅大小是衡量自保护药芯焊丝焊接工艺性能的重要指标之一。通过大 量的研究认为：自保护药芯焊丝飞溅形成大体有三类：大颗粒飞溅、小颗粒 飞溅和熔池引起的飞溅。通过药芯组成成份的调整可以减少飞溅，表面活性 剂的效果尤为显著。 气孔问题是自保护药芯焊丝的常见问题，通过改变自保护药芯焊丝的配 方来调整熔渣的高温物化性质，如粘度、表面张力、氧化性等是解决气孔问 题的主要方法。焊接工艺参数尤其是电压和干伸长度对气孔的影响也较大。 熔敷会属的力学性能是自保护药芯焊丝研制过程中的重要方面，其中韧 性是核心问题。文章在高铝合金系中采用控制c 、a i 、s i 含量，添加b 、稀 土r e 微量元素的韧化方法。对铝在高铝合会系中的作用进行了详细的分析 和探讨，提出了a 1 一b 系的韧化机理。取得了满意的结果，自保护药芯焊 丝熔敷金属0 冲击吸收功达到了9 7 j 。 另外文章就高温烘焙、预熔和s o l g e l 三种药粉预处理方法对自保护药 芯焊丝质量的影响进行了有益的探讨。 关键词：自保护药芯焊丝 c a f 2 - - a 1 2 0 3 一c a o 渣系脱渣性力学性能 武汉理i 人学硕士学位论文 a b s t r a c t f l u x c o r e de l e c t r o d e sa r ean e w t y p eo t c o n s u m a b e s ，w h i c hd e v e l o pm o s t r a p i d l ya n dt h em o s ta t t r a c t i v e i nr e c e n ty e a r s b a s e do nt h er e s e a c ho fs l a g s y s t e m n o wa v a i l a b l e ，t h et h e s i sm o d i f i e s c a f 2 一a 1 2 0 3 一c a os l a gs y s t e m a c c o r d i n gt oc h i n e s ec o n d i t i o na n dd e v e l o p s ，s u c c e s s f u l l yi no u rc o u n t r yf o rt h e f i r s t t i m e ，ah i g hb a s i ci n d e x ，l o w h y d r o g e n a n d 5 0 0 m p ac l a s s s e l f - s h e l d e d f l u x c o r e de l e c t r o d ( s s f c e ) 1 h e nt h e s y s t e m a t i c a li n v e s t i g a t i o n a r e a i m e da t s t u d yo f t h ek e yp r o b l e m so f o p e r a t i v ep 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 s ad i f f i c u l t p o i t o f d e v e l o p i n g s s f c ei s s l a gd e t a c h a b i l i t ys l a g d e t a c h a b i l i t y a n dm e c h a n i s mo fs t i c k s l a g o fb a s i cs s f c eh a v e b e e nf i r s t s t u d i e d ，f r o mp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em i e r o s t r u c t u r eo f m e l t i n gs l a g ，b ym e a n s o ft h et e s tp l a nd e s i g n e db ym i x i n gm a t e r i a lr e g r e s s i o n i ti sf o u n dt h a tt h e r eh a sb e e nag o o dc o r r e l a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i n e r e x p a s s i o nc o e f f i c e n ta n ds l a gd e t a c h a b i l i t y s p a t t e r i so n eo ft h ei m p o r t a n tt a g e t st oj u d g eo p e r a t i v ep e r f o r m a n c eo f s s f c e t h ee x p e r i m e n ts h o w ：t h r e et y p e so fs p a t t e re x i s ti n s s f c e ，w h i c ha r e l a r g eg r a n u l a rs p a t t e r ，s m a l lg r a n u l a rs p a t t e ra n ds p a t t e rc a u s e db ym e l t i n gp 0 0 1 s p a t t e rc a nb ed e c r e a s e db ya d j u s t i n gf l u x c o r e dc o m p o s i t i o n s ，a n dab e t t e rw a y i st oa d ds u r f a c ea c t i v ea g e n t t h em a i nm e t h e d st os l o v e p r o p e r i t y a r e c h a n g i n g f o r m u l at o a d j u s t p h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e so ss l a ga th i g ht e m p r a t u r e ，w e l d i n gp a r a m e t e r s ， e s p e c i l l yv o l t a g ea n d e x t e n s i o nl e n g t h ，h a v ea no b v i o u se f f e c t0 1 3p o r o s i t y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea n o t h e ri m p o e t a n ts i d ea n dt h e i rk e r n a li s i m p a c tt o u g h n e s s c o n t r o l l i n gc ，a i ，s ic o n t e n ta n da d d i n gm i c r o a l l l o ye l e m e n t s r e ，bi nh i g ha 1a l l o ys y s t e ma r eb e t t e rw a y st oi m p r o v et h ei m p a c tt o u g h n e s s o s d e p o s i t e d m e t a l a f t e r d i s c u s s i n g t h eb e h a v i o ro fa ia n dn o n m e t a l l i c i n c l u s i o ni ng r e a td e t a i l s ，t h et h e s i sa d v a n c e st h em e c h a n i s mo fa i - bs y s t e mt o i m p r o v ei m p a c tt o u g h n e s s as a t i s f a c t o r yr e s u l t - a k v ( o c ) r e a c h e s9 7 j ，h a sb e e n o b t a i n e d 耍堡堡! ：丛堂堕。兰堡丝苎 f i n a l l y ，v a l u a b l ee x p l o r a t i o n h a v ed o n ea b o u tt h ee f f e c to ft h r e ef l u x p r e t r e a t m e n t sp r e f u s e ，d r y i n ga th i g ht e m p r e t u r ea n ds o l g e t ，o n t h eq u a l i t yo f s s f c 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 r e de l e t r o d e ( s s f c e ) ，c a f 2 - - a 1 2 0 3 - - c a o s l a gs y s t e m ，s l a gd e t a c h a b i l i t y ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 武汉理r 人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 选题来源及意义 1 11 药芯焊丝国内外研究现状及展望 111 1 国外药芯焊丝的研究现状及展望 药芯焊丝又称粉芯焊丝或管状焊丝，外观如同普通的c o ：气体实芯焊丝， 但内部充满药芯粉。药芯粉所起作用和涂料焊条的药皮相似，如：稳定电弧、 脱氧、脱氮、脱硫、保护熔演、熔池免受空气的氧化、氮化、添加合金元素、 改善接头力学性能以及辅助焊缝成形等作用。 最早的药芯焊丝出现于本世纪2 0 年代，是由美国和德国生产的。其 使用方式不同于现代的盘状焊丝，当时的药芯焊丝是将药芯粉灌入钢管切成 鹾段，用氧乙炔焰焊接，与现代的管状焊条极为相似。由于其本身产生的保 护效果不够理想，不能获得高质量的焊缝金属。加之药芯焊丝制造工艺复杂、 生产成本高，并且由于后来在2 0 年代末期发展了涂料焊条3 0 年代又发展 了埋弧焊接技术，于是人们对药芯焊丝的兴趣减退了下来。直到1 9 4 8 年出 现了气体保护熔化极电弧焊接方法( m i g ) ，并提供了连续送丝焊接设备，才 使药芯焊丝在工业上的应用成为可能。但是1 9 5 6 年以前，药芯焊丝在商业 e 还未广泛供应，直到6 0 年代初期才在钢材焊接方面崭露头角，成为最有 发展前途的焊接材料。 国外药芯焊丝发展较早，发展最快的国家是美国。同本发展较晚，但是 发展很快。美国于5 0 年代大力发展使用药芯焊丝，至6 0 、7 0 年代已广泛地 应用这一材料，6 0 、7 0 年代在美国大量使用地是中2 o 和中2 4 m m 的粗直径 药芯焊丝，主要用于平焊和平角焊，用于焊接建筑机械、重型机械、钢架、 桥梁等。7 0 年代中期研制的e 7 1 t 一1 型细直径中1 2 巾1 6 m m 药芯焊丝至 8 0 年代在美国的用量急剧增加，该焊丝属钛型，焊接工艺性优良，从造船、 海洋结构至普通机械，从厚板至薄板，从大中型企业到小型企业厂家，广泛 应用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力制造与修复等行业。在美国药芯焊丝 占全部焊接材料的比例，从1 9 6 2 年的l 增加至1 9 8 3 年的1 5 ，1 9 8 3 年 美国药芯焊丝的总产量为4 2 力吨左右，到1 9 8 9 年药芯焊丝的产量达到7 6 武汉理1 人学硕十学位论文 万吨”3 。现在美国的药芯焊丝占焊接利利总产量的4 0 左右。药芯焊丝品种 齐全达7 5 种，其中林肯( l i n c o l n ) 公司的产品多达5 0 余种，包括通用药芯 焊丝( 牌号o ul e r s h i e l d ) 、低合金药芯焊丝( 牌号l a c ) 、自保护药芯焊丝( 牌 号n r ) 和堆焊药芯焊丝( 牌号l i n c o r e ) 等。其次是麦克凯( m c k a y ) 公司的产 i 吊，该公司主要生产碳钢和低合会钢用气体保护药芯焊丝，牌号以 “s p e e d a 1 l o y ”丌头，共2 9 种。另外，该公司还专门生产了j 0 种立焊用 的适于短路过渡形态的短弧型低合金药芯焊丝，采用的是7 5 a t + 2 5 c 0 。 目前，美国共有四个药芯焊丝电弧填充材刳规程： a w sa 5 2 2 铬及铬镍酬腐蚀药芯焊丝。”； a w sa 5 2 0 碳钢药芯焊丝。”； a w sa 5 ，2 6 碳钢和低合金高强钢电力焊药芯焊丝”3 ； a w sa 5 2 9 低合余钢药芯焊丝”； 同本药芯焊丝的飞速发展是在8 0 年代初，从直径巾1 2 m m 的高钛型细 直径药芯焊丝问世开始的。药芯焊丝占焊接材料的构成比从1 9 8 1 年的l 到1 9 9 1 年的1 7 。同本致力于开发能够以大电流进行全位置焊接的金红石 型药芯焊丝，但金红石药芯焊丝熔敷金属的含氧量高，使焊缝金属韧性下降。 随着在药芯配方资金和技术的大量投入，会红石型药芯焊丝熔敷金属的冲击 韧性得到了很大提高。只本近年推出d w 和d 系列酸性气体保护焊丝，不 仅保持了酸性焊丝优良的工艺性能，且具有良好的冲击性能。1 9 9 7 年同本 药芯焊丝占焊接材料总产量的比例已达到2 7 ，2 0 0 0 年已超过了3 0 ”。 成为增长速度摄快的一种焊接材料，大有取代涂料焊条和实芯焊丝的态势。 目前，r 本药芯焊丝除主要用于造船外，还用于桥梁、建筑机械、工程 机械、汽车及其他焊接厚板的工业上。闩本共有药：芑：焊丝8 0 余种，神钢公 司的产品达5 0 种之多，其中气体保护药芯焊丝占多数，自保护药芯焊丝占 少数，仅有6 种。其焊丝牌号一般以“d w m x o w ”开头。气体保护药芯 焊丝的品种齐全，适用于各种级别钢种、萎种板厚、各种接头形式的焊接， 可用于平焊、立焊、横焊和全位置焊接。渣系以氧化钛和会属粉型为主。晶 铁焊接公司的药芯焊丝品种也较多，共有3 0 种、牌号多以“y m ”打头。其 中气体保护结构钢药芯焊丝6 种：气体保护不锈钢、耐候钢、俐蚀钢专用药 芯焊丝13 种；气体保护堆焊用药芯焊丝5 种；自保护药芯焊丝6 种。 同本j t s 共有六种药芯焊丝填充材料标准”1 ： 2 武汉理i ，人学硕十学伉论文 j i sz 3 3 1 3 电弧焊用低碳钢、高强钢和低温钢药芯焊丝； t i sz 3 3 1 8 钼及铬钼钢m a g 焊接药芯焊丝； j i sz 3 3 1 9 气电焊用药芯焊丝： j i sz 3 3 2 0 c o 。气体保护焊用耐大气腐蚀钢药芯焊丝； j i sz 3 3 2 3 不锈钢药芯焊丝； j i sz 3 3 2 6 硬面堆焊用药芯焊丝； 欧洲和前苏联药芯焊丝发展较早，7 0 年代丌始应用，但发展较慢，前 苏联1 9 8 6 年药芯焊丝产量约1 8 万吨，占焊材总量3 。但品种齐全达7 3 种。其中自保护药芯焊丝2 3 种，气保护药芯焊丝1 3 种，自保护堆焊药芯焊 丝1 3 种，埋弧堆焊用药芯焊丝1 4 种。 瑞士共有5 7 种，其中奥利康公司的气体保护药芯焊丝有2 6 种，以碱性 渣系为主，牌号均以“f 1 u x o f i l ”丌头。其中g l u x o f i l3 l 气体保护碱性渣 系药芯焊丝具有全位置焊接的性能，适用于焊接含碳量高的钢种。另外该公 司还有埋弧焊用药芯焊丝2 9 种。 世界著名焊接材料生产商瑞典伊萨公司共有药芯焊丝1 9 种，用于结构 钢、i i j 磨钢等的焊接，牌号均以“o k ”丌头“1 。其中o k l 5 2 5 型高碱性药芯 焊丝可全位置焊接，焊缝含n i 约2 ，适用于6 0 。c 低温钢结构的焊接。 英国也于1 9 8 9 年制订出药芯焊丝填歹c ! ：材料标准”o “1 ： b s7 0 8 4 1 9 8 9 碳钢和碳锰钢用药芯焊丝，并于1 9 9 5 年药芯焊丝产 量首次超过焊条。 表1 11 9 7 7 年一些国家和地区的焊材构成比例( ) 7 近年来，随着焊接自动化水平的提高，各国都在不断努力调整各类焊接 材料的比例。1 9 7 0 年西方各发达国家，仍以使用手工焊接为主，当时各国 焊条占焊材总量的比例，美国和西欧约7 0 ，| = 本为8 7 。到19 8 0 年美国 武汉理1 + 大学硕士掌傍论文 和西欧下降到4 0 ，日本焊条占焊接材利总产量的比例小于5 2 的时间始 于1 9 8 2 年，以后就逐年下降，1 9 9 0 年为2 4 5 ，1 9 9 7 年为2 0 。表l1 为1 9 9 7 年一些国家和地区的焊材构成比例。由此看见西方主要经济发达国 家药芯焊丝的研究与生产已经进入全面成熟期，f 逐渐迈入全面取代涂料焊 条的新时代。 1 1 1 2 国内药芯焊丝的研究现状及展望 我国药芯焊丝的研究起步并不晚，6 0 年代，上海亚洲电焊条厂和北京 电焊条厂分别与机械部机械科学研究院郑州机械研究所( 当时位于河南省漯 河市) 和北京工业大学合作，研究药芯焊丝生产设备，由于技术上的原因没 有形成生产能力。直到1 9 8 8 年北京焊条厂引进英国c q r e w i r e 公司药芯焊丝 生产线及相应配方后，国内市场才出现了批量供应的气体保护药芯焊丝。进 入9 0 年代后，从英国、美国、德国、同本和乌克兰引进15 条药芯焊丝生产 线，投资1 0 3 5 万美元，见表1 2 。加上国产或自制的生产线设备，目前我 国具有药芯焊丝生产能力的企业有2 3 家，共有生产线3 3 条。按设备能力计 算，年生产能力已超过1 0 ，0 0 0 吨。 表1 2 药芯焊丝生产线引进情况1 9 与花费大量外汇重复引进药芯焊丝制造设备形成鲜明反差的是科研投 4 武汉理f ：人学硕十学位论文 入( 科研经费和科研人员) 不够，对药芯焊丝冶金过程及机理的认识仍然停 留在套用涂料焊条的冶金机理上。加上引进配方列药芯焊丝原材料要求过 高，不适应我国的国情，因此形成产量不高( 9 8 年产量不到1 0 0 0 吨) ，国 内绝大多数药芯焊丝( 年消耗量5 0 0 0 吨) 仍然依赖进口的局面。 目前国内药芯焊丝制造业的基本情况是：能维持正常生产的企业不多， 生产基本正常的企业有：天津三英，年产产销约1 0 0 0 吨；北京宝钢，年产 销量约6 0 0 吨：北京廉钢，年产销约5 0 0 吨；上海司特立，年产销约2 0 0 吨： 河南京漯，年产销约2 0 0 吨；其它如武汉铁锚，年产量估计在1 0 0 吨以下， 品种少，相对国外药芯焊丝生产企业，国内药芯焊丝品种少、规格型号不全。 长期质量稳定性差，同种型号不同批次的药芯焊丝焊接工艺和熔敷金属力学 性能变化较大。 1 1 1 ，3 国内外药芯焊丝的研究动态 表l 3 是对1 9 9 0 1 9 9 6 年各国药芯焊丝专利公丌数目的粗略统计。可 见，日本是药芯焊丝专利数目公开最多的国家，而我国是药芯焊丝专利数目 公丌最少的国家。虽然这一时期美国和欧洲公开的药芯焊丝的专利数目也不 少，但仅在1 9 5 4 1 9 7 2 年阳j ，美国和欧洲公丌药芯焊丝的专利数目就达数 十个。这与美国和欧洲在5 0 7 0 年代大力发展药芯焊丝的战略是吻合的。 表1 31 9 9 0 1 9 9 6 年各国药芯焊丝专利公开数目 9 l国家同本美国欧洲前苏联中国 酸性 2 6224l 气保护碱性 7111 金属粉型 1 713 自保护 1 611 总计 6 64392 1 1 2 课题的目的、意义 自保护药芯焊丝是一种跨世纪的新型焊接材料，几年来在世界各国都得 到了广泛的应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝作为一种高效及适 合室外作业的焊接材料，在船舶、钻井平台、石油管道、集装箱等焊接领域 备受青睐。在一些发达国家，自保护药芯焊丝电弧焊正在成为一种重要的焊 5 武汉理i 人学硕十学位论文 接方法。到1 9 9 0 年美国药芯焊丝已占焊接材料总量的2 1 1 ，其中自保护 药芯焊丝占5 。f 1 本自保护药芯焊丝占3 。在前苏联及 | w 成员国，自保 护药芯焊丝的应用也非常广泛。 药芯焊丝与实芯焊丝的区别在于：前者管内部有药芯。药芯所起的作用 和焊条中涂料相似”，如：稳弧、改善操作性能、起保护作用、添加合金成 分、改善接头力学性能、对焊缝起成形作用等。因此药芯焊丝具备许多突出 的优点：生产效率高，可连续自动或半自动生产；熔敷速度高( 见表卜4 ) ： 焊缝截面大，可减少坡口角度，节省熔敷金属( 见图l l ，图l 一2 ) 。对焊 缝有明显的冶金改善效果，焊丝焊接工艺性能、熔敷金属力学性能好。可以 说药芯焊丝集焊条和实芯焊丝优点于一身是它迅猛发展的主要原因。 自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优点：不需外 加保护气源，减轻了焊枪重量，简化了结构，更便于操作：具有优良的抗 风能力，通常能在四级风下顺利施焊；对装配尺寸的要求不高；优良的 抗锈能力。但自保护药芯焊丝也存在工艺参数适应性小、烟尘较大、操作工 艺性和接头力学性能很难统一等不足，使其应用受到某些限制。这是由于其 结构和药粉填充量低药芯在内，钢皮在外，使得对熔滴、熔池的保护不足 而引起的。相对于气保护药：吝焊丝而言，自保护药芯焊丝飞溅较大，烟尘较 多，熔敷金属的冲击韧性较低。 澎埏埏 一一 图1 1 船形焊缝药芯焊丝 与实芯焊丝的比较 图1 2 角焊缝药芯焊丝 与实芯焊丝的比较 如果说6 0 年代是自保护药芯焊丝初始发展阶段，主要是追求稳定的、 良好的工艺性能和无缺陷的焊缝。7 0 年代，则丌始追求接头的力学性能。 6 武汉理t 人学硕十学位论文 8 0 年代可以说进入了全盛发展阶段，已经j b 现了一些工艺性能和力学性能 都较令人满意的产品，如美国l i n c o l n 公司的n r 3 1 l f n i ) 、n r 2 3 2 ，同本新 h 铁公司的s a n 5 5 a ，前苏联兀丌一a h 3 等 1 ”。同时对自保护药芯焊丝烟 雾大的问题也正在解决，如f 本研制的d 一1 系列和n 一5 5 s 药芯焊丝的发 尘量都明显下降( 见图1 3 ) 。我国虽然对药芯焊丝的研制起步较早，但直到 1 9 8 8 年北京焊条厂引进英国c o r e i r e 公司的药芯焊丝生产线及相应的配方 后，国内市场才出现了批量供应的药芯焊丝。而自保护药j 邕= 焊丝的研制单位 虽然不少，但仍没有真正意义上的自保护药芯焊丝产品面市。 对自保护药芯焊丝的相关理论国内外研究的单位很少，这是因为自保护 药芯焊丝的开发和研制多在企业，更重视实际效果，即使有一些成熟的结论 也属技术秘密不愿公丌，这是制约自保护药芯焊丝发展的要害所在。 表1 - 4 焊接材料的熔敷速度 注：i 一药芯焊丝审1 2 m mi i 一实芯焊丝审1 2 m m i i i - - 焊条审56 r a m 7 武汉理i ：火学硕十学仿论文 如 童 蚓 h 划 图卜3 各种焊丝的发尘量 4 ) 1 2 m m ，施焊电流2 7 0 a 在过去的三十多年中，自保护药芯焊。在配方设计、生产制造工艺、产 品性能等方面发展很快，应用范围已扩大到海洋平台，输油管道，高层建筑 和机械制造等方面，特别是在没有气体的情况下或恶劣的天气条件下，自保 护药芯焊丝具有突出的优点。但在另一方面，同气体保护焊相比，自保护药 芯焊丝的工艺性能和机械性能稍差，价格也较高，因此，进一步提高自保护 药芯焊丝的工艺性能和机械性能，增加品种，降低成本以扩大其应用范围是 今后自保护药芯焊丝总的发展方向。 纵观自保护药芯焊丝的发展，它在技术上的每一个突破，都使其应用得 以扩大。在整个焊接材料中，自保护药芯焊丝的比例还不高，各国的发展也 很不平衡，但可以肯定，在自保护药芯焊丝的进一步发展中，以下几个问题 仍需花大力加以解决：低尘无毒，卫生指标优良完美的工艺性能和峰韧 的力学性能的统一低成本 满足不同要求，不同强度级别。目前我国的自 保护药芯焊丝基本全部从国外进口。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会、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，自保护药芯焊丝占 焊材总量的3 5 。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 2 国内外自保护药芯焊丝研究进展 目前虽然美国、同本、前苏联和欧洲国家的一些焊接材料公司能生产不 武汉理1 人学硕十学伉论文 同系列、各种级别的10 余种自保护药芯焊丝，使自保护药：岱焊丝的应用日 益广泛，但对其理论的研究则很少，下面从几个方面阐述自保护药j 高焊丝冶 金理论方面的工作。 1 2 1 自保护药芯焊丝的熔化特性和熔滴过渡 焊接时，o 型截面的药芯焊丝的熔滴首先在会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金属外皮，有可能使药芯从金属外皮中突出形成锥形 尖端。这种状态不利于熔滴和药芯进行冶金反应，还会使药芯成块脱落进入 熔池。采用复杂截面( 如双层、多层折叠式等) 的药芯焊丝，可在焊丝端部的 截面内部提供引弧点，焊丝的熔化比较均匀，减少或消除了药芯尖端。截面 越复杂，效果越好，但制造工艺较复杂，成本较高。药芯焊丝的熔化速度1 3 可以表示成函数式： u o 4 2 p ( d + b ) 式中p 一密度，g r a m 3 ( + 棚2 ) h o 一熔滴的热含量，j g ( p 一熔化时当量电压，v l 一干伸长度，m m j 一电流密度，a m m 2 a 一热力学常数，q m m b 热力学常数，j g 因药芯焊丝的电流密度比实芯焊丝大，由式( 11 ) 可知，药芯焊丝的 熔化速度比实芯焊丝快。自保护药芯焊丝由于电流密度比焊条、实芯焊丝大 得多，因而在决定熔滴过渡受力时，电弧力的作用明显增强。熔滴的尺寸通 常为焊丝直径的0 1 2 倍。这取决于药芯组成、焊丝截面形状、焊接工艺 参数、焊接电源特性等因素。表1 5 为药：占组成和截面形状对熔滴尺寸的 影响。 由表1 5 可知，截面形状越简单( o 型) ，熔滴尺寸越大。药芯组成和 熔滴尺寸的关系如图1 - 4 。研究发现钛型焊丝具有最小的熔滴尺寸。关于 9 武汉理t 人学硕十学传沦文 表1 5渣系和截面形状对自保护药芯焊丝熔滴尺寸的影响 自保护药芯焊丝的熔滴过渡，有文献认为，当药芯中析出气体过多，并形成 强大气流时，熔摘下部会形成一个向上的气流托住熔滴，从而阻止了熔滴向 熔池的过渡。因而自保护药芯焊丝均为粗颗粒过渡、飞溅较大、电弧欠稳【】。 2 5 2 0 _ 垦 幂1 5 羹l o 竣 o _ 5 o ，o 图1 4 药芯组成对熔滴尺寸的影响 电流范围：3 0 0 7 0 0 ab 一铁粉c 一钛型渣 n 一含有强氧化剂的c a f 2 一c a c 0 3 渣 1 2 2 自保护药芯焊丝的保护机理 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和熔敷 金属力学性能的关键。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7 1 。 1 221 造气保护 无论酸性还是碱性自保护药芯焊丝均加入了一定的造气剂如木粉、纤维 素或碳酸盐，以在高温分解形成c 0 2 、h 2 、0 2 和h 2 0 ( g ) ，这些气体从钢皮 武汉理。r 人学硕j _ = 学位论文 内以一定流速向熔池中射出，形成气罩，降低了焊接区氮、氧的分压，防止 了空气中n 2 、h 2 、0 2 的侵入。当造气剂过多时，有可能引起飞溅或将熔滴 托起，使熔滴失去保护。采取这种保护形式列熔池的保护非常有效。除此之 外，些低沸点的物质如m g ( 沸点为1 1 0 0 。c ) ，在电弧中易形成蒸汽，并 与电弧中n 、o 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。在加入c a f 2 和c a c 0 3 的自保护药j 卷焊丝中，根掘美国学者s i s i i 引提出的理论，存在下述 反应： 2 c a f 2 + 0 2 2 c a o + 2 f 22 c a f 2 + h 2 0 c a o + 2 h f 由于f 2 和h f 的产生，降低了电弧的温度，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台盒元素保护的药芯焊丝。但 至今他的预言尚未实现。 1 2 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最小的保护，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。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，应尽可能增大渣 与金属问的浸润能力，并具有适中的熔点、粘度和表面张力，以取得良好的 渣保护效果。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先熔化，药芯的熔化滞后， 形成渣的“尖端”，削弱了渣对熔滴的保护，渣可能成块落入熔池，使渣保 护的效果大为降低。 1 2 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 、t i 、s i 等，以在焊接过程中 和n 、0 形成稳定的化合物，进行脱氮、脱氧。另一种行之有效的物质是 l i f 【19 1 ，因为： 武汉理一人导7 硕十学位论文 c a + 2 l i f c a f z + 2 l i 4 l i + n 2 2 l i2 n 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。从自保护药芯焊丝的配方设计来看，初期是金属一气一渣并用型，随后 是渣一金属一气型，近来金属一渣型的发展更多些。除此之外，也有文献提 出通过对焊丝的表面处理，使从钢皮外侧产生一定量的气体形成气保护【2 。 对焊接材料如焊条焊丝，尤其是自保护药芯焊丝，焊接过程及焊接区保 护是个重要问题，所以对保护机理的深入研究决定着自保护药芯焊丝的焊接 工艺性能和熔敷金属力学性能。从保护的方式看不外乎上述3 种，但具体到 焊接冶金过程中，自保护药芯焊丝的保护机理又有如下特点：在熔滴形成阶 段，进行先期的脱氧、脱氮，一些碳酸赫分解柝出二氧化碳作为保护气体。 造渣剂熔化，熔渣金属相互作用，此阶段3 种保护具存。造气保护不宜过大， 否则一束会增大气相中的氧化性，二来有可能把熔滴吹跑，形成飞溅或造成 气垫作用，影响熔滴过渡。渣保护至关重要，熔渣的物化性质要求较高，渣 的熔点、粘度、张力、碱度、氧化性等要适当。在保证力学性能的前提下， 此阶段合金元素保护宜大。根据试验结果，对自保护药芯焊丝熔滴的形成阶 段占整个冶金阶段的时间较长，所以形成一个较为纯净的氮、氢、氧及合金 元素含量适当的熔滴是最终形成完善无缺焊缝的关键。在熔滴的过渡阶段熔 滴穿过或流过整个弧柱区。总的要求是缩短这一阶段的时间，减少和大气的 接触。一是不应过度减小颗粒度，增大表面积；二是针对不同渣系熔滴过渡 的行为，控制好熔滴( 金属、渣) 的物化性质；三是选择适当的工艺参数。在 熔池阶段，气保护的比例较小，甚至可以忽略，应注重渣保护和熔池前部的 脱氮、脱氧。渣保护应使熔池形状恰当，过大或过小都不利。调整渣的凝固 速率、流动性及表面张力，获得的焊缝几何形状f 确，美观无缺。 1 2 3 熔敷金属成分的控制和韧性改善 自保护药芯焊丝的熔敷金属韧性是人们普遍关一t l , 的问题，长期以来做了 不少工作，使得韧性有明显改善。 熔敷金属的成分对力学性能起着决定的作用，所以控制熔敷金属中几个 对组织、韧性有显著影响的元素至关重要。酊苏联的学者认为，合金元素的 1 2 武汉理，：r 大学硕十学位论文 过渡与气相中的氧化势、金属和渣的相互作用及渣的碱度有关。其中气相中 的氧化势以c 0 2 量来衡量【“】： k c 0 2 2a c 0 2q c c s k c 0 2 一c 0 2 含量 a c 0 2 一分解系数，对碳酸盐常取o 4 8 q 。一造气和造渣剂中碳酸盐的比例 c 。一药芯中造气剂和造渣剂的重量百分比含量 如果合金元素在熔敷金属中的含量用m e d 、原始含量用m e 表示，则 m c d = f ( m e ，c 2 s ，k o ，c 0 2 ) 式中k o 一渣的碱度 k o = 皇打坠m g o 兰k d + 臼2 0 + k 2 d + c 台五十0 5 ( m n + 忍仞 s i 0 2 + o 5 ( r f 0 2 + a 1 2d 3 + z r 0 2 ) 通过大量试验，经计算机回归得出如下经验公式： c d = 0 0 1 c ( 6 1 5 + 4 2 , - d + 2 8 厮+ 5 + 4 牺+ 0 8 4 b - ；+ 3 4 - f v - + 6 s , n - 2 5 厍 + 1 ，2 l n k o 一2 4 c 0 2 ) r = 0 9 8 3，= 3 ，6 m n d = o 0 1 m n ( 7 2 4 + 2 8 扼+ 2 4 厮+ 5 6 届+ 1 9 瓜+ 1 5 万+ 3 5 届 一4 6 c ”+ 2 ，4 l n k 。一3 8 c 0 2 ) r = 0 9 2 4 a r = 3 6 s i d = o 0 1 s i ( 5 3 3 + 5 6 拓+ 4 2 瓜+ 5 4 届+ l9 瓜十1 5 痧十4 2 瓜 十1 ，8 厄一2 1l n k 。- 4 5c 0 2 )r = 0 9 2 2 ，= 6 7 t i d = o 0 1 t i ( 6 3 8 + 1 8 拓+ 3 2 蕊十3 8 幅+ 2 1 痧十2 3 压 + o 8 厄一1 7l n k 。一4 0c 0 2 ) r = 0 9 1 8 ，= 5 1 以上公式适用的范围：0 1 o 2 c ；o - 3 2 m n ：o 2 2 s i ： 0 2 t i ；o 2 c 0 2 ；o 1 0 c r ；o 2 v ；c e s = 2 1 0 ，k o = o ，2 3 0 。 由上述公式可见：k o 减少，c 。增大了s i 、t i 的过渡。c 0 2 含量的增大， 使所有合盒元素的过渡均减少，但未能给出铝的过渡公式。 a l 、n 被认为是降低自保护药芯焊丝熔敷金属韧性的主要原因【2 2 1 ( 见 图1 5 ，图1 6 ) ，在自保护药：芯焊丝中与韧性有关的最重要的因素是脱氮 剂、脱氧刺的双重影响。 1 3 武汉理t 大学硕士学傍论文 2 5 05 0 07 5 0】0 0 0 n ，x1 0 q ， 图1 5 室温韧性与焊缝 含氮量的关系 m w t 图1 6 室温韧性与焊缝 含铝量的关系 一方面在固溶体中，这些合金元素能提高v 型缺口夏比( c h a r p y ) 冲击试验的转变温度；另一方面，a l 、t i 又能改变组织转变的结果。当脱氧 剂少时，可能发生奥氏体向细韧铁素体的转变；当脱氧剂增大时，有可能形 成相对较脆的贝氏体；当脱氧剂再增大时，可能完全阻止奥氏体的形成，产 生粗脆的6 铁素体，并一直保留到室温，这是出于脱氧剂都是铁素体形成元 素之故。也有文献认为，韧性降低的原因是焊缝中存在氧化物和氮化物。这 些脆硬的颗粒可以作为基体局部屈服的裂纹源。其中以铝的氮化物最为有 害。还有文献认为，焊缝中夹杂物的化学性质对韧性的影响是次要的，而决 定韧性的关键是颗粒尺寸、形状特征及分布。 k o t e c k i ”j 在博士论文中曾报道，出s i 脱氧的自保护药芯焊丝对电压很 敏感，而用a 1 、t i 脱氧的自保护药芯焊丝则无此现象。通过试验回归给出 的韧脆转变温度和化学成分的回归公式为 t ( k ) = a 一5 4 ( m n ) + 9 8 9 ( s i ) + 3 6 5 ( a 1 ) 十i5 5 ( t i ) + 9 4 2 式中a 取决于显微组织。对细铁素体2 7 64 k 。其他组织a = 5 3 3 2 k 。 1 4 武汉理l 大学硕十学位论文 由上式可知，k o t e c k i 得出的结论是：a 1 、t i 对韧性都不利，但a 1 比 t i 对韧脆转变温度的有害影响小。有的文献还报道了a 1 、t i 对脆韧转变温 度有有利的影响。但a l 、t i 的含量较少，也不清楚a l 和t i 是存在于固溶 体中，还是以颗粒析出。 德国学者h d m e j i a s 2 3 j 认为，自保护药芯焊丝熔敷金属所呈现出的 针状铁素体( a f ) ，作为显微组织的多数时，并不能像手工焊( m m a ) 和埋弧焊 ( s a w 、那样是获得优良韧性的条件。组织和性能的关系对手工焊和埋弧焊而 言比较成熟，但对自保护药j 占焊丝电弧焊还不很清楚 1 2 4 自保护药芯焊丝今后的研究方向 无论在自保护药芯焊丝的保护机理还是熔敷金属成分控制和韧性改善 上都有许多问题没有搞清楚。如3 种保护方式，哪种保护更趋于完善，更有 益于： 艺性能和力学性能；自保护药芯焊丝成分、组织、性能之间的关系， 与其它电弧焊有什么本质区别：在韧性的提高中，央杂物的作用等。对自保 护药芯焊丝熔滴过渡的研究更少，只有一些简单的结论属于粗颗粒过渡。应 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没有涉及。目前国内自保护药芯焊丝的研制遇到 一些问题，相对于气体保护药芯焊丝而- k ，自保护焊丝熔敷会属的冲击韧性 较低：飞溅较大；焊接烟尘较多，另外焊缝气孔也是很棘手的问题之一。国 内有些研究单位的焊接材料专家在此方面做了大量的工作。 研究工作并取得了可喜的成果，但对自保护药芯焊丝的研究的力度还尚 欠缺，对自保护焊丝在研制中遇到的有些问题还缺乏本质上的了解，极大地 影响了该焊丝在国内的丌发和应用，所以目前国内尚没有真正用于大批量生 产的自保护药芯焊丝。以下四个方向应该是今后研究的重点： 1 1 自保护药芯焊丝的气、渣、合金元素联合保护机理及控制 2 ) 不周渣系、不同焊丝截面的药芯焊丝熔滴过渡规律及剥焊接工艺性能 的影响 3 ) 熔渣的高温物化性质、结构对脱渣性能的影响 4 ) 合金元素含量对熔敷盒属各种力学陛能的影响 武汉理j 人学硕十学伉论文 1 3 本论文的研究内容 药芯焊丝是近几年来发展最快、最有吸引力的新型焊接材料。本论文在 研究了现有渣系的基础上，结合我国国情，研制了一种高碱度、低氢型、 5 0 0 m p a 级、c a f 2 一a 1 2 0 3 一c a o 系自保护药芯焊丝，焊丝焊接工艺性能和熔 敷金属力学性能优良，在自保护药芯焊丝的研究方面做了开创性的工作。在 此基础上，文章围绕自保护药芯焊丝焊接工艺性能和熔敷金属的力学性能中 的关键技术进行了系统的研究。 脱渣性是自保护药芯焊丝研制中的重点和难点。文章利用混判回归设计 试验方案，从熔渣物理性质、化学性质、微观形貌方面首次对碱性自保护药 芯焊丝的脱渣性进行了系统的研究。利用线胀系数的估算公式，发现在焊接 熔渣线胀系数与脱渣率之间存在良好的对应关系。 飞溅大小是衡量自保护药芯焊丝工艺性能的重要指标之一。研究认为： 自保护药芯焊丝飞溅形成有三类：大颗粒飞溅、小颗粒飞溅和熔池引起的飞 溅。通过药芯组分调整可以减少飞溅，表面活性剂的效果显著。 气孔问题是自保护药芯焊丝的常见问越，改变配方来调整熔渣高温物化 性质如粘度、表面张力、氧化性等是解决气孔问题的主要方法。焊接工艺参 数尤其是电压和干伸长度对气孔影响较大。 熔敷金属的力学性能是自保护药芯焊丝研制的重要方面，其中韧性是核 心问题。文章在高铝合金系中采用控制c 、a 】、s i 含量，添加b 、r e 微量 元素的韧化方法。对铝在高铝合金系中的作用进行了详细的分析和探讨，提 出了a l b 系的韧化机理。取得了满意的结果，0 。c 冲击吸收功达到9 7 j 。 另外文章就高温烘焙、预熔和s o l g e l 三种药粉预处理对焊丝质量的影 响进行了探讨。 1