（材料加工工程专业论文）提高不锈钢焊条工艺性能的研究.pdf

哈尔演唧t 大学t 学颂 l 学他论文 提高不锈钢焊条工艺性能的研究 墒覃 r - ， 本文以不锈钢焊条的工艺性能的提高与改善为研究对象，系统地分析研 究了不锈钢焊条配方中多种药皮组分对多个工艺性能的影响规律。具体来说 就是分析研究了各种组分对不锈钢焊条的稳弧性，飞溅，发红，脱渣性，气 孔等影响，进而揭示了药皮组分财不锈钢焊条工艺性能的影响机理，为不锈 铡焊条工艺性能的提高提供了必要的试验和理论依据。 通过测试国内外典型不锈钢焊条的熔渣成分，分析各种辅料在药皮中起 的作用，设计出本文的不锈钢焊条药皮配方渣系。在配方中除金红石、长 石、大理石、萤石等外，还添加了新组分硅荻石、碳酸钡。 采用试验点可以在商维空问内充分均匀分散，使数据具有良好代表性的 均匀；殳计方法来安排试验。把各药皮辅料作为影响因素，把焊条的飞溅，焊 缝成形、脱渣等工艺性能作为指标，将试验数据输入计算机，通过均匀设计 软件进行非线性的逐步回归处理，建立起焊条工艺性能对应子各种药皮辅料 相关关系的数学模璎，并对其进行了方差分析，得知这些回归方程呈高度显 著。还相应给出了药皮辅料对焊条工艺性影响的单项关系曲线图，可以直观 粗略地了解药皮辅料对焊条工艺性的影响。 通过这些数学模型、曲线圈可以得知，如要提高不锈钢焊条的综合工 艺性能，不仅要考虑到会红石、大理石等单个辅料的作用，还必须充分考 虑辅料之问的交互作用，特别是辅料平方项的作用也不可忽视，它对焊条 工艺性的影响也起一定的作用。 除此之外，对不锈钢焊条的稳弧性还采用了汉诺威分析仪傲了更进一步 的分折研究，进而建立起熔滴过渡形态与焊条工艺性之间的对应关系。结果 显示：乜不锈钢焊条熔滴呈渣壁过渡时，焊条工艺稳定性最好。熔滴短路过渡 时，工艺稳定性差。混合过渡则介于两者之间。 关键词电弧稳定性；工艺性能；不锈钢焊条 竺至兰墨：盔兰二差矍三差堡篓三 s t u d yo fi m p r o v i n gu s a b i l i t yo f s t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d e a b s t r a c t t a k et h es t u d yo fi m p r o v i n gu s a b i l i t yo fs t a i n l e s ss t e e lw e l d i n gr o da 8t h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r t h ei n f l u e n c el a wo fl o t sc o a t i n gc o m p o n e n t so n s o m eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e s ，w h i c ha r ea f cs t a b i l i t y , s p a t t e r , r e dt a i l ，d e t a c h a b i l i t y a n db l o w h o l e ，w e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d s ot h em e c h a n i s mo fe f f e c to f c o a t i n gc o m p o n e n t so nt h eu s a b i l i t yw a ss e a r c h e d ，a n ds o m ee x p e r i m e n tr e s u l t s f o ri m p r o v i n gt h eu s a b i l i t yo fs t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d ew e r eg a i n e d t h r o u g ha n a l y z i n gs o m ed o m e s t i c a n df o r e i g nt y p i c a ls t a i n l e s ss t e e l w e l d i n gr o ds l a g ，a n da n a l y z i n gt h ee f f e c t s ，t h ef o r m u l as y s t e mw a sd e t e r m i n e d i nt l l i sp a p e r i nt h es y s t e m t h ew o l l a s t o n i t ea n db a r i u mc a r b o n a t ew a sp u ti n e x c e p to f t h er u t i l e ，f e l d s p a r m a r b l ea n df l u o r s p a r t h eu n i f o r md e s i g nm e t h o dw a su s e di nt h ee x p e r i m e n t ，t om a k et h ed a t a a r eu n i f o r ma n dt y p i c a li nt h em u l t i d i m e n s i o n t a k et h ec o a t i n gc o m p o n e n t sa s v a r i a b l e sa n dt h e o p e r a t i o n a lp r o p e r t i e s s p a t t e r , a p p e a r a n c e o fw e l d ， d e t a c h a b i l i t y , a n ds oo n 一邪f u n c t i o n si nt h ee x p e r i m e n t p u tt h ee x p e r i m e n td a t a i n t oc o m p u t e r , t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r eg a i n e db yn o n - l i n e rr e g r e s s i o n a n dt h ea n a l y s i so fv a r i a n c eo nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sw a sc o n d u c t e d ，i t i n d i c a l e dt h a tt h ee q u a t i o n sa r es o u n da n dm e a n i n g f u l a i s o 。t h er e l a t i o n s d i a g r a mo fe f f e c t so fc o a t i n gc o m p o n e n t so nt h eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e sw c l e g i v e n , b yw h i c ht h ed i r e c ti n f o r m a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n gt h ee f f e c t sc 她b eg o t t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ed i a g r a mo fc u r v e s al o t o f i n f o r m a t i o nc a nb eg o t t oi m p r o v et h eu s a b i l i t y , t h es i n g l ee f f e c to fc o a t i n g c o m p o n e n ts u c ha sr u t i l e 。m a r b l ea n ds oo n , m u s t b ec o n s i d e r e d a l s o ，t h em u t u a l e f f e c t sb e t w e e nt h ec o a t i n gc o m p o n e n t sm u s tb cc o n s i d e r e d a n dt h es q u a r er o l e a l s oi st h en o t i c e a b l e ，i ta l s op l a y sa np a r ti nt h eu s a b i l i t yo f e l e c t r o d e i na d d i t i o n , t h eh a n n o v e ra n a l y z e rw a su s e dt ol e s tt h ea r cs t a b i l i t yo f s t a i n l e s ss t e e lw e l d i n gr o dt om a k et h es t u d yd e e p l y t h e nt h er e l a t i o n s h i p ：銮薹墨：叁耋：主竺：竺鲨兰 b e t w e e nt h em e l td r o pt r a n s i t i o nt y p ea n dt h eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e sw e l d i n gr o d w a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e na r et r a n s i t i o ni sc o a t i n gw a l l t y p e ，t h es t a b i l i t yi st h eb e s t w h e na r et r a n s i t i o ni ss h o r t c i r c u i tt y p e ，t h e s t a b i l i t yi st h ew o r s t a n da r ct r a n s i t i o ni sm i xt y p es i t u a t e db e t w e e nt h et w o ，t h e s t a b i l i t yi st h ei nt h em i d d l e k e y w o r d sa r es t a b i l i t y ；u s a b i l i t y ；s t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d e j 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文提高不锈钢焊条工艺性能的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：柄使幺 日期：2 0 0 6 年3 月3 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 提高不锈钢焊条工艺性能的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期精f 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公白论文的全部或部分内容。 本学位论文属f 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 楠佳毛 盏戈 日期：2 0 0 6 年3 月3 日 日期：2 0 0 6 年3 月3 日 哈尔泞理t 大学t 学硕 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 焊接材料是决定焊接接头质量的关键因素之一，自从采用熔化方法连接金 属材料的焊接工艺以来，焊接技术得到了迅速发展，与此配套的焊接材料，包 括焊条、焊丝、焊剂也有了很大改进。焊接是七分材料三分工艺，不管此说正 确与否，它确实表明焊接材料的重要性。近年来，随着我国经济的高速发展， 不锈锕焊材的用量越来越大，不锈钢焊条的用量也越来越大。同时随着技术的 进步和提高，不锈钢焊材的质量也随之提高。逐步缩小了于国外先进水平的差 距。但是不锈钢焊条的技术水平、配方体系、制造工艺水平，焊条技术的稳定 性等等都有不足之处，所以进一步加强对不锈钢焊条的研制开发与生产仍有 必要“。 1 2 焊接材料的国内外现状 1 2 1 国内国外焊接材料的发展 从长期发展的情况来看，焊材产量随着钢材产量相应增长。1 9 9 9 年全世界 钢产量约为8 亿吨，焊材产量约为4 0 0 力吨。平均是钢产量的0 5 。但各国 的情况不同，一般工业发达国家焊材占钢产量o 3 0 5 。而焊接自动化较 低的国家约为o 6 o 9 。各国和地区焊材产量及结构比例如表l 1 所示”。 由衷1 1 的数据可以看出，我国焊材占钢材的比例最高为o 9 4 ，随着各国焊 接自动化水平的提高，焊材用量在产量中的比例逐渐减少。 1 9 9 8 年我国有关部门预测”，到2 0 0 7 年我国的钢材消费量为1 4 8 亿吨， 但近年来我国钢材消费量增势强劲。2 0 0 0 年钢材消费量为1 4 亿吨，2 0 0 1 年 统计的钢材消费量达1 6 9 亿吨，扣除各种重复统计后，也至少有1 5 9 亿吨。 2 0 0 2 年l 到9 月份己达1 5 5 亿吨，比2 0 0 1 年同期增殖2 0 0 4 以上。据统计 2 0 0 3 年我国实际钢材消耗量达到2 6 亿吨，由于钢材增势强劲，我国焊接材料 的消费量持续增长。1 9 9 5 年我国钢材消费量1 0 5 亿吨，焊材( 包括焊条、焊 丝、焊剂) 消费鼍约8 0 多万吨。2 0 0 0 年钢材消费量1 4 亿吨，焊材消费量1 2 0 哈尔演殚丁大学t 学硕卜学位论文 万吨。2 0 0 1 年钢材消费量比2 0 0 0 年增加约2 千力吨，焊材消费量增加约l o 万 吨如果我国钢材消费鼍增长到2 5 亿吨时，估计全国焊材消费量可能接近 2 0 0 万吨”。 表i - i 目前一些国家和地区的焊材构成比例 t a b l e1 - 1t h ep m p o r t i o n o f w e l d i n gm a t e r i a l si ns o m ec o u n 晡e s 焊条 气体保护 国家或地区 实芯焊缝 药茌焊丝婵弧焊埠村总肇年代 惕 ，万吨胍，万吨舶，万吨 ， ，万吨万吨 中圆( 人陆) 7 3 1 4 41 53 02 2l o2 0 2 0 02 0 0 3 日本 1 95 44 01 1 33 08 5i l3 52 8 71 9 9 9 关囤 2 91 0 8 3 l 1 2 4 3 01 2 8 1 0 4 2 4 01 9 9 8 曲欧 2 61 6 25 63 3 6 7 4 2 l l 6 6 6 0 1 9 9 8 台湾地区 5 42 72 71 3 5 9 0 4 5l o0 551 9 9 8 1 2 2 焊接材料产业结构发生了变化 由衷1 一l 还可以看出一些国家和地区焊材产量( 万吨) 及结构比例的情况， 我国焊材的比例将近8 0 ，而发达国家日本为1 9 ，美国为2 9 ，西欧为 2 6 ，总的发展趋势是焊条的比例不断下降，自动化的焊材比例不断增高。一 个国家的焊材产品结构，能够反映本国的焊接自动化水平。 1 2 3 国内外药芯焊丝发展状况 上世纪9 0 年代中期，我国自动化、半自动化焊接技术迅猛发展，要求配 套的焊接材料一实芯、药芯焊丝相应发展，近几年来的统计表明，以药芯焊丝 为代表的现代焊接材料的产量逐年以3 0 5 0 幅度递增，以电焊条为主导的 焊接材料的产品结构正在发生着变化，焊接材料的技术研究重点己经由焊条转 向药毒焊缝，药芯焊丝成为当今焊接材料的发展方向“”。 从1 9 9 7 年开始我国药芯焊丝产业进入稳定发展阶段，我国药芯焊丝市场 总消耗景、国产药芯焊丝总销售量以及进口日本药芯焊丝的总量的统计，近年 国产药芯焊丝产量逐年快速递增，2 0 0 1 年总量超过9 0 0 0 吨，2 0 0 2 年达到 1 2 0 0 0 吨，年增长率超过3 0 ，市场占有率从1 9 9 5 年的不足1 0 上升到2 0 0 1 年的6 0 i t e l 。 虽然药芯焊丝在焊材总量中比例还仅约1 5 左右，但其增长潜力很大。 晴尔演珲t 夫学丁学动 学付论史 业内人士预测药芯焊丝在焊材中的比藿3 5 年内将达到3 5 万吨，8 1 0 年 内达到8 1 0 力吨，甚至更多。 药芯焊丝很可能足今后发展的主要焊材，它可以利用碳钢带制成较高合金 成分的药芯焊丝，如耐热钢、低温钢、不锈钢，应大力开发与研究。 但是我国药芯焊丝的技术现状却不容乐观。药芯焊丝目前我国，无论质 量，品种，数量与国外相比，均有较大差距。发达国家药芯焊丝占焊接材料产 品总量1 5 2 5 ，而我国药芯焊丝占焊接材料总量还不到2 ，差距十分明 显。 国外发达国家药芯焊丝从普通结构钢到技术含量高的高强度钢、耐热钢、 耐侯钢、不锈钢、堆焊的药芯焊丝已有上百个品种“。而我国近几年来尽管 药芯焊丝的产量每年大幅度递增，常用的大路产品基本成熟，但是在焊丝品种 方面还在研发。国外九十年代已经开发了发展了有特点的自保护药芯焊丝1 ， 控制扩散氢含量的新型焊丝”“，新一代低尘低飞溅的工艺性优良的药芯焊丝， 特殊专用全位置脉冲焊碱性的药芯焊丝及其他一些特殊要求的专用药芯焊丝等 等，我国在这些专用焊丝的开发方面差距甚大2 1 。 我国药芯焊丝缺乏市场竞争力另一方面主要因素是工艺质量差，如电弧稳 定性不好，焊缝成型不良，飞溅丈，全位置焊接的适应性差等。 1 3 不锈钢焊条的发展概况 随着我国经济的迅速发展，具有优良的耐腐性，抗氧化性、耐热性及良好 的机械性能和加工性能的不锈钢，被广泛地应用于石油化工、医疗器械、食品 机械和原子能等工业。不锈钢焊条在这些领域中的应用也日益广泛，需求量逐 年上涨。从1 9 9 0 年占世界不锈钢消费量的3 上升为2 0 0 0 年的l o 1 5 。经 统计，1 9 9 8 年我国不锈钢的表观消费量达到1 3 0 万吨，1 9 9 9 年表观消费量达到 了1 5 0 力吨；2 0 0 0 年表观消费量达到了1 6 5 万吨以上。根据过去两年不锈钢消 费的增长速度及发展趋势，参考国民经济增长的速度，预测2 0 0 8 。年中国大 陆不锈钢消费总量将达到2 3 0 力吨，将成为世界第一。 焊接材料消耗量与钢材用量成正比，随着不锈钢用量的增加，不锈钢焊材 将同步增长。根据统计结果和一些未统计的企业情况加上进口的焊材，2 0 0 0 年 我国共消耗不锈钢焊材约1 1 0 0 0 吨，2 0 0 1 年共消耗不锈钢焊材约1 2 0 0 0 吨。加 上未统计进去的焊丝量，2 0 0 1 年我国消耗的不锈钢焊材量约为1 5 0 0 0 吨”。预 计至2 0 0 7 年用于不锈钢焊材的焊丝量将达到2 1 力吨，2 0 1 0 年将达到3 5 力 哈尔演理t 大学t 学颂十学位论文 吨。所以说我国已是名副其实的焊材生产和使用大国。 不锈钢焊条的研究与生产也一直占有重要地位。但是，目前国产的不锈钢 焊条的工艺质量，并不是在所有的情况下部能满足实际应用的。有些单位生产 的不锈钢焊条的质量确实上去了，这中日j 有的是进口配方。虽然我国焊接界 二十多年来做了大量的研究工作，市售的不锈钢焊条大部分是采用国内技术生 产的，其工艺质量比以前有了较大提高，但与国外同类名牌焊条相比，仍存在 一些像电弧不稳定、脱渣性差、飞溅大、药皮发红、开裂等需要进一步解决的 问题。因此，继续开展不锈钢焊条的研究与生产仍然占有重要地位。使不锈钢 焊条的产品质量上一个台阶，对于节约不锈钢焊接材料，减少浪费，降低焊工 劳动强度，提商我国不锈钢材料结构的焊接应用技术水平与结构安全性，开发 新一代赶超世界先进水平的国产不锈钢焊条，具有重要的技术意义和经济价 值。 1 3 1 国内不锈钢焊条工艺性能 近年来，随着我国经济的高速发展，不锈钢的用量越来越大，不锈钢焊材 的用量也越束越大。同时随着技术的进步和提高，不锈钢焊材的质量也随之提 高，逐步缩短与国外先进水平的差距。下面就我国不锈钢焊材的发展现状做一 概述。 经过近年来国内焊接技术人员的努力，国外引进技术的消化吸收和一些合 资企业的努力，国内不锈钢焊材的水平有了很大的提高，但与国外先进水平相 比，还有一定的差距。 国内不锈钢焊条的配方体系，目前，国内不锈钢焊条的技术水平正处在一 个进一步发展的阶段。市场上销售的不锈钢焊条配方体系大致有三种，第一种 是有些厂家继续使用以前钛钙型偏碱的配方技术思路，这种焊条突出的优点是 焊条熔敷金属的机械性能优良，焊接着过程中不容易出现气孔，容易保证焊接 质量。但其缺点”也非常明显，焊条焊接工艺性能不良，飞溅丈，成型不好， 焊条熔敷金属易增碳，容易降低焊缝会羁的耐腐蚀性能。在一些技术提高比较 慢或缺乏技术人员的厂家，这种焊条生产的比较多。第二种是采用钛酸型或钛 钙型偏酸的配方思路生产的焊条。这种焊条耐发红，焊接工艺性能优良，飞溅 小，成型荚观，焊条熔敷金属不易增碳，容易保证焊缝金属的耐腐性能。其缺 点足焊条熔敷金属机械性能不如钛钙型焊条，焊缝容易出现热裂纹，焊接时如 处理不当，容易出现气孔。第三种是采用介于钛酸与钛钙型配方之删的技术思 晴尔演理t 久学t 学坝卜学位论史 路生产的焊条。这种焊条基本上兼顾了钛钙型与钛酸型焊条的优点，具有较好 的焊接工艺性能和机械性能，比较适合我国国情，尤其足在些不按规范进行 焊接的场合。 国内不锈钢焊条的制造工艺水平现状，国内不锈钢焊条的制造绝大多数都 是沿用以前的霈4 造方式，即用顺s 谠拌机搅拌，采用摸数( m ) 为3 0 - 3 2 左右 的钾钠混合水玻璃做枯结剂。以这种制造方多生产的焊条，其缺点为焊条药皮 脆性较大，在经过高温( 3 5 0 摄氏度) 烘焙时，焊条药皮会变脆裂，在焊接过程 中焊条的烘干温度较低，一般为2 5 0 摄氏度左右，在这种烘干温度下，焊条药 皮变脆不明显，不会影响焊接质量。若以这种制造方式生产钦酸型焊条，由于 其烘干温度较商，一般为3 5 0 摄氏度左右，焊条药皮会变脆开裂，无法保证焊 接质最。 应该讲，国内不锈钢焊条技术水平与国外相比，差距不仅仅在配方，装备 的落后也是一个方面。 国内不锈钢焊条质量的稳定性，国内不锈钢焊条质量与国外相比，在稳定 性上也有一定的差距，其原因，一是厂家生产时，控制不严：一是国内生产的 原料尤其足主材不锈钢焊丝质量不稳定造成的。 焊丝，随着我国经济发展，自动化水平越来越高，焊丝的用量越来越大， 我国不锈钢焊丝与国外的差距相比更大。市场上销售使用的不锈钢焊丝无论在 内在质量和外观质量都存在很大不足。我国制造的焊丝水平不高，与国外的差 距，除了炼钢引起的化学成分不良，杂质含量较高外，其症结主要在没备和生 产工艺上。要想生产出商品质的焊丝，必须采用先进的生产设备和改善现有生 产工艺。 1 3 2 不锈钢焊条存在的问题 长期以来，国产不锈钢焊条一直存在着上述质量方面的口j 题，在对结构件 进行焊接的过程中，一旦出现上述问题，就会造成：( 1 ) 焊接材料的浪费； ( 2 ) 耗时费力的返修；( 3 ) 如多次返修或返修不当，还会给结构留下不安全隐 患。国内焊接界为解决此问题从未日j 断过努力，寻找改进不锈钢焊条性能的途 径。如采用较低电阻系数的钢丝作焊芯，对降低药皮发红有一定作用；合理调 整药皮配方，充分发挥组分问的有利交互作用；控制熔滴过渡形式，实现细熔 滴渣瞳过渡的形态对交流稳弧性、药皮的抗温升开裂，减少飞溅、改善脱渣性 等有利。另外，注意选用适当的焊条药皮厚度及烘干温度来提高焊条的工艺性 晴尔演理t 大学t 学砀 学付论文 能。 不锈钢焊条的工艺质量虽然比以前有了很大提高，但与进口不锈钢焊条相 比还一定的差距，不是所有的情况都能满足实际应用的要求，达到理想的工艺 性能。因此，继续开展改进解不锈钢焊条的工艺性能的研究是 f 常必要的。 1 4 本论文的主要研究内容 1 对典型牌号不锈钢焊条熔渣进行成分测试与分析。 2 药皮组分作用的分析与选择。 3 采用均匀设计方法安排不锈钢焊条配方的试验。 4 测试试验焊条的工艺性能，包括飞溅，脱渣性，药皮发红等。 5 对不锈钢焊条的多种药皮组分与工艺性能进行非线性的逐步回归。 6 采用汉诺威分析仪分析研究不锈钢焊条的稳弧性。 睁尔演卑t 夫学t 学修卜学位论文 第2 章焊条药皮配方的试验设计 焊条是由焊芯和附着在其上的药皮两部分组成。焊芯的化学成分和性能直 接影响焊缝会属的性能和质量，焊芯有碳索钢、不锈钢、以及特殊选用的焊 丝，一般焊芯是号门炼制的不同于普通建筑用的钢丝，主要足对碳、硫和磷等 杂质方面有比较严格的限制。多元合金元素使钢材难于拉拔成丝，所以寻找一 种合适的焊丝，是研究高效不锈钢焊条茸先要解决的| 廿j 题。 药皮足粘结在焊芯上各种粉料和粘结荆的混合物。粉料的种类与加入量的 不同影响着焊条的工艺性能。在一定程度上对焊条的工艺性能起决定性作用。 焊条在焊接时由于焊条本身通过很大的焊接电流，焊芯产生很大的电阻 热，列时又将这个热量传递给药皮，使药皮温度升高。对于电阻率较大的不锈 钢焊条来说，这个问题尤为突出。随着焊接过程进行，焊芯和药皮的温度逐渐 上升，以至于使焊条未端的药皮逐渐失去部分正常功能，焊接工艺性逐渐变 差，如电弧摇摆激烈、粘渣、焊缝成形变差等，严重时发生药皮开裂和脱落。 为了改变这一状况，本章探讨了新的不锈钢焊条药皮配方，为解决不锈钢 焊条存在工艺质量问题，提供必要的试验和理论依据。 2 1 焊芯的分析选择 不锈钢焊条如按合金化方式来分，目前主要有两种。第一种方式是采用同 质的h o c r 2 1 n i l 0 型不锈钢焊芯，配合含有少量合金粉的药皮构成。显然，焊 缝金属的合金化大部分足通过焊芯中铬、镍等元素的过渡来完成的。第二种方 式的不锈纲焊条，则采用普通低碳钢h 0 8 a 焊芯制造，熔敷金属的合金化完全 是通过在药皮中加入大量的铬、镍金属粉的过渡来实现的。 前一种不锈钢焊条与第二种不锈钢焊条相比的优点是，焊缝合金成分比较 稳定、均匀，药皮厚度小，可全位置焊接。因此本文采用h o c r 2 1 n i l 0 作为焊 芯。 2 2 熔渣的测试分析 焊接熔渣足焊条药皮或焊荆在焊接时受热熔化后覆盖在焊缝金属上的物 质。它主要是金属和非金属的氧化物以及由这些氧化物复合成的各种盐类。而 焊条的药皮足由不同成分组成，每种成分在药皮中同时会有几种作用，既有利 于稳弧性、造气、造渣、脱氧、成型等，也有使焊条发生电弧不稳定、飞溅 晴尔泞理丁大学t 学母卜学位论文 大、药皮发红、气孔等一系列问题。 1 电弧不稳定的原因电弧的产生主要足靠带电粒子，而带电粒子主要依 靠气体电离和阴极电子发射两个物理过程来产生。气体电离电压越低，金属的 电子逸出功越低，越利于维持电弧稳定。一般来讲，碱金属和碱上金属k 、 n a 、c a 等电离能很小，如果电弧气氛中有这些元素存在，则电弧空间的电 子、离子就容易形成，气体导电性好，电弧就稳定；卤族元素f 、c i 、b r 等电 离能很大，使电弧不稳定。另外，k ，n a 、c a 的电子逸出功也较小，极易进行 电子发射，从而可保证电弧更稳定地燃烧。 所以电弧的稳定性不但与药皮中加入的会红石，长石，大理石、钛铁等有 稳弧作用的组分有关，也与药皮中加入的含有反电离元素的萤石有关。萤石的 含量如果过大，会破坏电弧稳定。但萤石在焊接冶金过程中良好的稀渣和去氢 作用又足不可取代的。 2 飞溅大的原因通常认为是由气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力引起 的。如大理石c a c 0 3 在6 0 0 开始分解并释放出c 0 2 气体，若分解过程急剧 便会产生爆炸飞溅。由于菱苫土m g c 0 3 与大理石一样均能分解并释放出c 0 2 气体，所以我们以其总星来研究对毛溅率的影响等等。 3 焊缝成形不良的原因主要由熔渣的物理性质决定，而熔渣的物理性质 又取决于焊条药皮的组成，试验表明大理石和萤石对焊缝成形有非常重要的影 响。大理石太多，则焊缝衷面不光滑、凹凸不平，且有斑点存在，堆焊焊道细 而窄；萤石垦太少，虽使焊缝波纹细腻，但焊缝容易出现焊瘤；萤石量太多， 又会使焊缝波纹变粗，焊缝宽度大增。只有大理石与萤石比例适合，才能获得 良好的焊缝成形。在酸性焊条中，大理石的加入会降低高温熔渣的粘度，提高 熔渣的熔点，增大焊接熔渣的表面张力；而萤石既可降低酸碱性渣的粘度，也 能降低焊接熔渣的表面张力。熔渣的粘度过高或熔化温度过高，会使渣透气不 良，在焊缝表面形成压坑，成形变差；而增大渣的表面张力，又会使熔敷金属 收缩，焊缝变得细窄。所以，大理石过量时，焊缝表面不平是由于大大提高熔 渣熔点的缘故，而熔渣粘度的变化对其影响较小；焊道窄，则是由于表面张力 增大所致，萤石的加入量i 要是影响熔渣的表面张力萤磊量邈天，熔融金璃 越容易铺展开，量少则相反。所以，萤石加量多会使焊道变宽，不加入萤石则 会出现焊瘤。加入萤石会使焊缝波纹粗化，是由于它使焊条稳弧性变差造成 的。 为了设计好不锈钢焊条的药皮配方，本文选择国内有代表性的合威、锦泰 和国外e a s 4 m a 等不锈钢焊条进行了熔渣成分的测试与分析，从结果得知： 哈尔泞理t 夫学t 学绚f 。学位论丈 ( 1 ) 共同点足在上述渣皮中啊、s j ，o 、c r 等元素的质量百分数相对比 较大，f e 、m n 、a i 等元素的质壁百分数相对较小。 ( 2 ) 不同点是e a s4 m - a 焊条中出现了b a 元素，还有f ( 在一定条件 下，金属氟化物越多防止气孔的程度越好”。 ( 3 ) 对占质量百分比较大的元素分析如下；o 在药皮中主要以n 0 2 、 c a o 、s i 0 2 的形式存在，f 在药皮中以c a f 2 ，a i f 3 的形式存在，c a 在药皮中 是以c a o 以及c a f 2 的形式存在。上述氧化物以及氟化物在药皮中的原科主要 是以会红石、长石、硅铝酸盐和氟化物等形式存在，由此推测这些焊条中硅铝 酸盐、氟化物的含量较高。 要提高不锈钢焊条的工艺性能，必须从改变不锈钢焊条的药皮渣系上想办 法。本论文在前面分析与测试的基础上确定在渣系中添加新的组分含有b a 、 s i 、f 组成的化合物。 2 3 药皮配方的试验设计 2 3 ：均匀设计在配方设计中的应用 一般得不锈钢焊条，由于不锈钢焊芯电阻大，约相当碳钢的3 倍，焊接电 流稍大时，焊芯温度急剧升高，产生焊条发红、药皮歼裂、飞溅增多、焊道凸 起和焊道宽度变，、的现象，且焊到一定焊条长度时，药皮容易成块脱落，限制 了焊接电流及焊条的长度，当采用连续焊条焊接时，由于使用动态输电方法， 允许较大的电流，但因焊芯电阻发热，体积膨胀，在焊芯径向方向的膨胀受到 焊条药皮阻挡，药皮受到很大的拉伸应力，加上连续焊条在电接点开槽过程 中，电接点两侧的药皮受到不同程度的损伤，削弱了该处药皮与焊芯的粘接强 度，因此，在较大电流通过时，电接点( 槽) 附近药皮和很容易开裂，造成药皮 成块脱落，影响焊接质量。 为了设计良好的不锈钢焊条，本论文拟采用均匀设计的方法。i 发方法是我 国著名数学家方开泰与中国科学院院士王元教授于1 9 7 8 年共同提出的“，但 近年柬才得到广泛介绍，它与目前流行的正交设计方法相比有许多明显的优 点。在配方试验中，正交设计方法足每个因素的水平都需要重复多次的试验， 且每两个的水乎组成一个全面试验方案，具有“整齐可比，均匀分散”的特点。 但是，试验量相对较大。当一项试验有n 个因素，每个因素有q 个水平时，则 至少要作q 2 次试验，而均匀设计足略去整齐可比，只考虑试验点在试验范围内 哈尔演理r 大学丁学硕十学位论文 均匀分散的一种试验设计方法，也是通过一套精心设计的表来进行试验设计 的，每个因素的每个水平只做一次试验。这样，当水平数从9 水平增加到1 0 水平时，试验数也从9 增加到l o ，而j 下交设计当水平增加时试验数按水平的平 方的比铡增高，当水平数从9 增加到i o 时，试验数将从8 1 增加到1 0 0 。因 此，采用均匀设计试验次数可大幅度减少，约可节省4 倍到几十倍的试验量， 并且，偏差值小，适合多因素多水平试验、“。 不锈钢焊条药皮配方的设计与改进是个多因素，多水平、多指标的试 验。采用均匀设计的方法，可以把自变量与函数之日j 隐含的相关关系数量化 地揭示出来，具有用其它方法难以得到的效果。 2 3 2 用均匀设计表进行配方的设计 1 不锈钢焊条药皮配方中各组分的主要作用分析粘结在焊芯上的各种粉 料和粘结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂料，常见的按其在 焊接过程中所起的作用，可以分为以下几种： 稳弧剂便于引弧和提高电弧燃烧的稳定性，主要是一些易电离的碱及 碱上金属化合物和金属矿物，前者如碳酸钾碳酸镁，自垩土，大理石，长 石、云母、纯碱、金红石等，后旨如钛铁矿，赤铁矿等。 造渣剂用以造成一定数量和具有一定物理化学性能的熔渣，覆盖着熔 化金属，保护熔池，隔离大气的不良影响，并使焊缝冷却速度缓慢，改善焊缝 的成型，并对改善焊条的工艺性能、焊接冶金效果均有重大的作用。最常用的 是某些金属矿物、岩石、氟化物，如金红石、白泥、赤铁矿、钛铁矿、大理 石、石英砂、长石、萤石、云母等。 造气剂作用足以造成一定量气体对焊接区形成封闭的气体保护层，用 以排除大气，防止外界气体的侵入，保护熔化金属，且有助于熔滴的过渡。常 见的是有机物和碳酸盐，如木粉、竹粉、淀粉、大理石、菱占土等。有机物所 造成的气体主要足c o 和h 2 ，碳酸盐析出的气体为c 0 2 ，在高温时进一步分解 为c o 。 脱氧剂作用是减少焊缝金属的含氧量。用以降低药皮和熔渣的氧化 性，并脱除金属中的氧。低碳及低合合钢焊接时常用锰铁、硅铁、钛铁，铝粉 等。 合会刺作用是增补焊缝金属所需的合金成分，用以添加焊芯和母材中 的合或补充在焊接过程中合金的烧损。低碳钢焊条主要添加的元素是锰。合 哈尔滨理1 二人学工学硕l 学位论文 金钢焊条则应按其相应成分予以添加，如硅、钼等。 粘结剂用以调和药粉并牢固地粘结在焊：占上，一般说来酸性焊条常用 钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃，由于水玻璃中含有钾、钠等低电离 电位元素，所以除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用。 增塑剂用以改善焊条的压制性能，以便于用机器压制焊条。 一般的涂料焊条中都需考虑加入1 0 种左右的组成物起到以上作用，如大 理石可以稳弧、造气和造渣，金红石、钛白粉有稳弧、降低熔渣粘度、造成短 渣、增加导电性、改善脱渣等性能，云母也可以稳弧、造渣。这样焊条才可以 获得较好的工艺性能。 2 本论文不锈钢焊条配方组分配比的分析二氧化钛( t i 0 2 ) ，主要以金 红石和钛白粉形式加入。二氧化钛有稳弧、降低熔渣粘度( 主要在高温时) 、造 成短渣、增加导电性、改善脱渣等性能。 药皮中的t i 0 2 通常由钛白粉和金红石两者搭配使用。因为钛白粉能使药皮 具有良好的塑性，改善焊条压涂工艺性能，但用量不能过多，否则不仅成本高 而且容易使焊条发红；另一方面，t i 0 2 也不可能完全以金红石形式加入，这不 仅是因为金红石不像钛白粉那样可以改善焊条的压涂工艺性能，更重要的是由 于我国会红石资源较少，在药皮罩常以钛白粉代替一部分会红石，这是减少金 红石用量的途径之一。 有资料表明”，金红石与钛白粉之比保持在3 5 ：1 左右时，基本上可以取 长补短，同时，以部分钛白粉代替会红石，还可以增加涂镀性。 钛钙型焊条中t i 0 2 总含量通常在2 8 3 8 范围内，对直径不大于3 2 的 焊条来说，为了提高它的稳弧性和工艺性能，可以适当提高一些t i 0 2 的总含 量，并以增加钛白粉为好。但增加的不能太多，否则虽使焊接工艺性能得到改 善，并使强度有所增加，但由于提高了酸度，反而使冷弯性能降低。因此在本 论文为了获得更好的工艺性能预测加入t i 0 2 总含量2 6 5 3 。 碳酸盐，通常采用大理石、菱苦土和白云石。在焊条中，有增加熔渣流 动性，降低气孔和白点的倾向，并对脱硫、脱磷、抗裂纹有利。但用量不能太 高，否则会使熔渣冷却过程中表面张力的增长速度减少。亦即削弱了短渣性 能，使得熔渣过于流动，影响焊缝成型，不利于操作。同时还会使药皮熔点升 高，以致采用空载电压较低的交流电焊机焊按时容易断弧。因此，有的配方中 碳酸盐总量在2 0 左右。大理石约为6 1 5 为宜8 。 碳酸盐中以大理石和菱苦土配合使用较好。镁盐对提高焊缝的塑性和韧性 比钙盐更有利，同时镁盐还可以改善渣的透气性，使抗气孔能力有所提高。但 呛尔演理t 大学丁学绚+ 学位论文 是，铁盐如果过多，会使焊接工艺性能变差。所以，碳酸镁和碳酸钙要有适当 的比例，而采用大理石和菱苫土配合比白云石容易灵活的调整比例。但是在本 文咀又添加了新组分碳酸钡。通常大理石与菱苫土之比以1 5 ：1 2 ：l 较为合 适。 硅酸盐，为了焊条压涂时具有良好的翅性和弹性，采用云母、长石使药 皮增加塑性和弹性，还在硅铝酸盐中添加了新组分硅灰石。碳酸盐既可造渣又 可造气，同时还有稳弧作用；硅灰石是钙的偏硅酸盐矿物，其物理结构为纤 维针状形状，主要作用增大涂料塑性，改善压涂性，提高药皮强度，有稳定 电弧，细化熔滴的作用。这三种物质都是造渣剂，则本论文加入总量为1 2 3 5 适合。因为增加硅铝酸盐可提高焊条的抗气孔性。 长石还有稳弧作用，可以适当多一些，特别是为了配合空载电压低的交流 电焊机避免断弧，可以增加长石比例。当长石含量大于2 5 时，焊条端部容易 出现局部熔蚀现象，并成圆珠状和四处飞溅，焊条发红严重，熔渣粘度显著下 降，促使焊缝成形变坏以及脱渣困难等。为了改善焊条压涂工艺性能，还有防 止焊条烘于时开裂的作用。但是，云母过多则容易造成断弧，并易引起飞溅， 因此力求少用。比较合适的范围为o 9 。 金属锰，主要用于脱氧荆，也有一定的渗合金作用，同时还肘脱硫有 利。此外，锰氧化时放出大量热能，提高熔池温度，有利于冶金反应。由于本 课题选用h o c r 2 1 n i l 0 作为焊芯，锰铁的用量范围比较窄，通常6 左右。锰 铁过多，则由于锰氧化时热量突然迸发，气体迅速膨胀而造成巨大飞溅，并由 于脱氧性过强丽引起焊缝表面麻点严重和焊缝产生气孔，还可能由于锰铁本身 将较多的磷带进焊缝。反之，锰铁过少，则由于熔池热量不够而至流动性差， 对焊接操作及冶金反应不利，引起熔池焊缝脱氧不足和焊缝缺陷。 萤石的主要作用足造渣和降氢，在焊条药皮中被普遍应用。在c a o 较 多的熔渣咀，它能改善熔渣的性能，降低熔点和粘度，增加流动性，使焊缝中 气体易于逸出。并与氢结合成h f 而挥发，脱硫和减少白点倾向。但萤石属于 高电离元素，使电弧燃烧不稳定、产生有毒气体。但在酸性焊条多种氟化物同 时加入可提高熔滴过渡形念转变临界加入量，因而本文氟化物中除萤石，还有 氟化铝。氟化物的加入总量1 5 1 3 。 3 本论文不锈钢焊条药皮配方质量分数( ) 的确定从以上几点和药皮辅 料在冶金反应中对工艺性能所起的作用以及参考相关文献，拟定了配方中加入 的金红石、长石、大理石、萤石、菱苫土、云母等多种成分，其中添加了新组 分碳酸钡、硅狄石。具体设计的辅料种类以及配方( 质量分数) 考察的变化范 围是：蜀金红石3 5 4 4 ；彪长石1 5 2 4 ；恐大理石6 1 5 ；凰萤 石2 6 2 ；咒硅灰石0 一9 ；忍菱苦土o 9 ；为钛白粉0 1 6 2 ；撼赤铁矿o 9 ；局氟化铝o 5 4 ；o 云母o 9 ；局i 碳 酸钡o 4 5 。 4 均匀设计表的选择见表2 1 ，由统计学与均匀设计理论为基本点，药 皮辅料中运用均匀设计的变量定为1 1 种，因此安排试验次数定为3 0 个试验， 水平数定为i o 个水平。 表2 - i 均匀设计表 t a b l e2 - 1e v e nd e s i g nt a b l e 豢 置弼噩 函 墨恐 而 凰 凰 x 1 0蜀l l7l1 0392l54l6 2l38845ll627 31 07l o 9 295i o432 2 83593766l573 2 931 02l o6ll3i82 3 01 041 01 03l35 79 l o 5 各药皮辅料的质量配比( ) 的确定按照表2 1 确定了药皮辅料的质量 配比表2 2 。 表2 - 2 均匀设计表中的试验点以及各药皮辅料的质量配比( ) t a b l e2 - 2i ne v e nd e s i g nt a b l et e s tp o i n t w e l l v a r i o u sm e d i c i n e ss k i ns u p p l e m e n t a r y 因素金红 长石大理 萤石 硅灰菱苦钛白赤铁氟化云母碳酸 石石石土粉矿铝钡 序号石 墨局 舷 正 咒 石 氘 忍 蜀。蜀1 13 2 51 9 55 961 87 41 702 22 82 3 23 2 91 3 77 356 42 76 6 oo4 62 7 32 6 21 78 54 65 7 o 71 0 22 83 82 10 4 2 83 71 51 3 32 28 4 50oi 1o0 4 2 93 31 86 85 6 81 502 1 5i 84 53 4 3 0 3 71 553 82 63 4o52 4 33 ：釜兰：二垒：兰竺