药皮组分对不锈钢焊条工艺性能的影响规律_赵卫民

2001年 第25卷 石油大学学报(自然科学版) Vol. 25 No. 2 第2期 Journal of the U niversity of Petroleum, China A pr. 2001

文章编号:1000-5870(2001) 02-0108-03

药皮组分对不锈钢焊条工艺性能的影响规律

赵卫民, 王炳英

(石油大学机电工程系, 山东东营257061)

摘要:焊条药皮成分对不锈钢焊条工艺性能有较大的影响。通过对近百种焊条的药皮组分进行调配, 发现碳酸盐与氟化物的比值对稳弧性、焊接飞溅以及焊缝成型等性能的影响很大。T iO 2与硅铝酸盐之比应不小于3. 5B 1, 以防止出现粘渣。加入硅、钛等强脱氧剂会显著改善焊条的脱渣性能。药皮厚度对焊条工艺性能也有较大的影响。药皮厚度越大, 焊接飞溅率越低, 脱渣性能越好。

关键词:不锈钢; 焊条; 药皮; 组分; 工艺性能中图分类号:T G 42 文献标识码:A

引 言

焊条药皮是由矿物、铁合金和金属粉、化工产品以及有机物等多种成分组成的, 每种材料在药皮中同时会有几种作用, 比如稳弧、造气、造渣、脱氧、合金化、粘接、成型等。一种材料添加量的变化可能会引起焊条的某些工艺性能的变化, 要想获得综合工艺性能优良的焊条并非易事。因此, 研究药皮组分对焊条工艺性能的影响规律对调配新配方焊条具有一定的指导意义。

泥、云母、纯碱、铁合金、金属粉末等, 各种原材料成分符合国家标准。1. 2 焊条的制作

将焊芯用砂布除锈, 用丙酮等去油, 同时按配粉单的要求配制粉料。将粉料进行搅拌、过筛, 使各种成分尽量混合均匀, 然后加入适量的水玻璃制成涂料。将涂料装入压涂机, 压制出焊条, 烘干后即可使用。

1. 3 焊条药皮配方调变方法

在调制焊条药皮组分时采用系统调变法[1], 即以典型配方为依据, 将整个配方中的单项材料、多项材料进行增减调配, 即作单项、多项甚至混合式的系统调变, 以观察各种原材料的增减对焊接工艺性能的影响规律。表1给出了原配方料单。

1 试验材料和方法

1. 1 焊条原材料

焊芯材料采用不锈钢, 药皮原材料主要为金红石、钛白粉、荧石、冰晶石、大理石、白云石、长石、白

表1 焊条药皮原配方料单

粉料名称组成

钛白粉5. 7%

金红石40%

大理石23%

荧石11. 5%

白泥4. 6%

纯碱少量

铬粉和镍粉

其余

原配方的最大特点是脱渣性好, 焊渣成一体脱下, 无粘渣。用此配方进行坡口板对接焊, 脱渣性极好, 优于市售超低碳不锈钢焊条, 反面成型也很好。其缺点是:焊接时飞溅大; 成型不美观, 波纹较粗, 表面有斑点(尚未形成麻点) ; 熔渣熔点低, 有些部位渣覆盖性不太好, 渣的外表面呈灰白色, 且高低不平, 有泡状物存在。

在原配方的基础上, 调配了近百种焊条, 调配过

收稿日期:2000-09-10

程中逐步解决了原已存在或中间出现的渣壳成形及

覆盖性不好、熔敷金属成形差、氧化性强、焊条熔敷效率低、焊接飞溅大并有爆炸声、断弧等问题, 并最终调配出了综合工艺性能优良的焊条新配方。

2 焊条工艺性能的影响因素

2. 1 电弧稳定性的影响因素

电弧的产生主要是靠带电粒子, 而带电粒子主

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第25卷 第2期 赵卫民等:药皮组分对不锈钢焊条工艺性能的影响规律

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要依靠气体电离和阴极电子发射两个物理过程来产生。气体的电离电压越低, 金属的电子逸出功越低, 越有利于维持电弧的稳定。一般来讲, 碱金属和碱土金属K 、Na 、Ca 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, 气体的导电性好, 电弧就稳定; 卤族元素F 、C1、Br 等电离能很大, 使电弧不稳定。另外, K 、Na 、Ca 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。

为了减少氢的影响并改善焊接熔渣性能, 在本试验所调焊条药皮配方中仍加入了不少萤石(含CaF 2量不少于96%) 。CaF 2中的氟电离电压高, 不利于稳弧, 因而在药皮中加入了适量的稳弧剂(纯碱, 即Na 2CO 3) , 而且, 药皮中也加入了不少大理石(Ca 2CO 3) 、长石(含有K 2O 、Na 2O) , 从而可保证所研制的焊条具有较好的电弧稳定性。

在调配焊条药皮中还发现, 用冰晶石取代焊条配方中的荧石时, 在加入量相同的情况下, 可抑制焊缝产生气孔, 但却会使稳弧性变差甚至出现断弧。这可能是由于在相同的加入量下, 冰晶石中的氟含量比萤石中的氟含量高的缘故。比如, 加入100g 的萤石, 其中的氟含量大约为46. 7g; 加入100g 冰晶石, 氟含量大于53g 。氟化钙对于消除氢气孔是十分有效的, 但不利于稳弧。2. 2 焊条飞溅的影响因素

焊接时产生飞溅的程度与焊条药皮的氧化性及熔渣的表面张力有关。药皮氧化性强时, 下列反应容易进行:

FeO+C

CO.

在CO 气体从熔池或熔滴内逸出时易引起液态金属的爆炸而产生飞溅。降低熔渣的表面张力, 能显著降低飞溅的程度, 并使飞溅颗粒度变小。这是因为熔渣表面张力的降低能使熔滴变细, 同时熔滴会由短路过渡转变为喷射过渡, 从而减小飞溅。

试验证明, 大理石与萤石的比值对焊条飞溅率有很大的影响。比值越大, 飞溅率越高; 比值越小, 飞溅率越低。这是由于增加大理石配比时, 药皮的氧化性也增加。因为碱性氧化物能增加表面张力[3], 所以此时熔渣的表面张力也增加。而在大理石加入量不变的情况下, 增加萤石加入量会降低熔渣的表面张力, 这是因为酸性氧化物及氟化钙会降低焊接熔渣的表面张力[3]。当然, 不能依靠降低大理石及提高萤石量来减小飞溅程度, 因为大理石含,

[2]

而萤石加入量太多对电弧稳定性不好。实际调配时, 应在能满足焊条施焊时具有一定的吹力和良好的抗气孔能力的前提下调整大理石与萤石的配比, 大理石的加入量要适中。

试验过程中还发现, 焊条药皮厚度对焊条飞溅程度也有重要影响。药皮过薄时, 焊接过程中有大的爆炸声, 飞溅率增加; 增加药皮厚度, 焊接飞溅率减少, 爆炸声变弱。这是因为药皮过薄时, 熔融金属可以与其周围的空气产生激烈的相互作用, 加剧氧化反应, 碳等合金元素被烧损, 因而增加了飞溅。增加药皮厚度能加强焊接时药皮对熔融金属的保护作用, 因而使飞溅减少。2. 3 焊缝成形的影响因素

焊缝成型主要由熔渣的物理性质(熔渣的熔点、粘度和表面张力等) 决定, 而熔渣的物理性质又取决于焊条药皮的组成, 所以正确地确定焊条药皮配方是获得表面光滑、波纹细密美观、几何形状合理的焊缝的关键。

试验表明, 大理石和萤石对焊缝成形有非常重要的影响。大理石量太多, 则焊缝表面不光滑、凹凸不平, 且有斑点存在, 堆焊焊道细而窄; 萤石量太少, 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。只有大理石与萤石的比例合适, 才能获得良好的焊缝成形。前人研究结果表明, 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; 而萤石既可以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较高, 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了熔渣熔点的缘故, 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。萤石加入量主要是影响熔渣的表面张力, 萤石量越大, 熔融金属越容易铺展开, 量少则相反。所以, 萤石加量多会使焊道变宽, 不加入萤石则易出现焊瘤。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。试验中也发现, 在大理石量多的情况下, 随着金红石加入量的增加, 焊缝表面斑点减少, 成型有所改善。但是, 配比过大会使熔渣变稀, 渣的覆盖性不好, 因而金红石的加入量也应适当。分析认为, 氧化钛(金红石的主要成分) 的加入能显著地降低熔渣的, [3]

#110#

石油大学学报(自然科学版) 2001年4月

熔渣透气性, 因而焊缝表面斑点减少, 但熔渣过稀会使渣的覆盖性变差; 而表面张力的下降, 则有利于获得良好的焊缝成型。2. 4 脱渣性的影响因素

焊条脱渣性好坏大体决定于三个因素。一是焊缝金属与焊渣间线膨胀系数之差的大小; 二是焊渣松脆情况; 三是渣壳与焊缝金属间是否生成了尖晶石型氧化物。焊条脱渣性好的条件是:焊缝金属与焊渣间线膨胀系数差值较大, 两者间没有生成尖晶石氧化物, 焊渣松脆。

在试验中发现, 药皮组分中, TiO 2与硅铝酸盐的比例以及萤石、金属锰、元素硅等对焊条的脱渣性有重要影响, 而药皮厚度对脱渣性也有作用。2. 4. 1 T iO 2与硅铝酸盐比值的影响

配方中的钛白粉和金红石的加入量(主要成分为TiO 2) 与长石、白泥的加入量(主要成分为SiO 2、Al 2O 3等) 之比应不小于3. 5B 1, 若长石、白泥的配比量过高, 会使焊缝产生粘渣现象。焊缝表面产生粘渣是因为焊缝金属表面有一层氧化物薄膜, 它起着焊缝金属与熔渣之间的连接作用。这层氧化膜主要是体心立方晶格结构的氧化铁(FeO) , 它们搭建在焊缝金属里的A -Fe 的体心立方晶格上, 因而使这层氧化膜牢固地粘在焊缝金属表面上。如果熔渣里含有能形成尖晶石型化合物的金属氧化物(如Al 2O 3, V 2O 3, Cr 2O 3) 时, 它们的尖晶石型化合物(MeO #Me 2O 3) 搭建在焊缝表面的FeO 晶格上。由于焊缝表面FeO 的中间媒介作用, 熔渣与焊缝牢固地粘在一起, 从而出现严重粘渣。随着药皮中长石、白泥含量的增加, 渣中Al 2O 3的量增加, 因而产生粘渣的倾向增大。而在一定脱氧条件下[4], 如果TiO 2与FeO 的比值合适, 就会形成稳定的m TiO 2#n FeO 复合化合物, 它可以有效地消除焊缝表面氧化物膜。所以, 在不影响焊条熔化速度的前提下, 配方中T iO 2与硅铝酸盐的比值高就有利于脱渣。2. 4. 2 强脱氧剂的影响

其他材料配比一定而硅铝酸盐加入量过高时, 焊条粘渣现象就严重。此时, 若加入硅铁或以铬铁(含有一定量的硅) 替代金属铬, 脱渣性能会大大改观。因此, 硅是改善粘渣情况的元素。硅之所以能改善焊条的脱渣性能是因为它是强脱氧剂。脱氧剂与氧的亲和力大于铁与氧的亲和力, 因而铁被还原,

[3]

脱氧剂被氧化。虽然生成的氧化物(如MnO) 与氧化铁一样为碱性氧化物, 但它的晶格结构为面心立方, 不能搭建在焊缝金属里的A -Fe 的体心立方晶格上, 不能取代氧化铁的位置, 也不能形成牢固粘在焊缝金属表面上的氧化物膜, 却能与酸性氧化物SiO 2形成低熔点、小比重的复合物M nO #SiO 2而进入渣中。铝的氧化物虽为尖晶石型氧化物, 但由于它与焊缝金属的连接媒介氧化铁已被还原掉, 所以不会造成粘渣。2. 4. 3 氟化钙的影响

在硅铝酸盐配比不合适而导致焊条出现粘渣时, 随着萤石加入量的增加(在0%~12%范围内调变) , 粘渣情况有所改善。其原因是氟化钙可以在电弧高温下分解, 分解出的钙是极强的脱氧剂, 从而大大降低了熔渣中氧化铁的含量。氧化钙属于碱性氧化物, 它与SiO 2可以形成低熔点的硅酸钙而进入渣中。2. 4. 4 药皮厚度的影响

药皮厚度对焊条的脱渣性能有明显的影响, 增加药皮厚度使整体脱渣速度加快。在试验中发现, 从熔渣的宏观形态看, 以结构疏松、多孔形态的渣壳脱除性能最差, 而以结构密实、性质坚硬的渣壳脱除性能最好。而在焊条药皮较厚时能够形成密实坚硬的渣壳, 可以整体脱下。渣壳较薄时, 焊缝传热快, 热胀冷缩情况受焊缝金属的影响很大, 而且渣薄易于破碎, 由于渣壳与焊缝金属热膨胀系数不同而引起应力减弱; 渣壳较厚时, 其热胀冷缩情况受焊缝金属的影响小, 因而渣壳与焊缝金属间的热膨胀系数之差变大。因为渣壳是一个整体, 收缩时与焊缝金属不同步, 所以脱渣速度快。

当然, 在调配药皮配方时, 某种成分对熔渣的性能、焊接电弧的特点及焊接质量的影响程度也不相同, 有时甚至相反。比如, T iO 2与硅铝酸盐之比值越大, 焊接工艺性能越好。但是, 硅铝酸盐的配比量不能过低, 否则会影响焊条的熔化速度。铝、钙、锰的氧化物会降低高温熔渣的粘度, 这种渣的粘度会随温度急剧变化, 变为短渣。但同时它会提高焊条熔滴的表面张力, 从而使熔滴尺寸增大, 因而会影响电弧燃烧时的稳定性。所以, 调配配方时, 应考虑到各个方面, 每种物质的添加量要合适, 以获得综合性能优良的焊条配方。

(下转第115页)

[5]

第25卷 第2期 刘秀忠等:ZA 合金模具T I G 焊剂的研制及作用机理

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了近20%, 此时焊缝中其他合金元素的含量相对增加, 影响了焊接接头的性能。使用焊剂后, 焊剂中的一部分组元参与了焊缝的冶金反应, 使焊缝中过渡了少量的锌。例如, ZnCl 2在焊接过程中与氧化膜中的Al 2O 3发生反应, 生成的AlCl 3在温度高于182e 时升华为气体逸出, 而生成的金属锌则过渡到焊缝中, 补充焊缝中锌的蒸发。其化学反应式如下:

Al+3ZnCl 2y 2AlCl 3+3Zn |.

另外, 焊剂在焊接过程中形成了一层保护膜(相当于埋弧焊时的保护熔渣) , 覆盖在熔池表面, 虽然在焊接温度下锌很容易蒸发, 但由于保护膜的阻挡, 锌蒸汽不能从熔池中逸出, 防止了锌的蒸发和氧化烧损。

表面形成一层均匀的保护膜, 阻止锌蒸汽的逸出, 起到了防止锌蒸发的作用。焊接性能试验及焊接接头的性能检测表明, 该焊剂能改善其焊接性, 提高焊接接头的使用性能, 大大改善焊缝的成分, 因此完全能够满足焊接ZA 合金模具的要求。参考文献:

[1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册(第二卷)

[M]. 北京:机械工业出版社, 1993. 575-576. [2] 林肇琦. 有色金属材料学[M ].东北工学院出版社,

1986. 222-230.

[3] 张柯柯, 等. 锌基合金气焊用焊剂的研究[J]. 焊接技

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[4] 邹僖. 钎焊[M ]. 北京:机械工业出版社, 1993. 46-65.

[5] 张文钺. 焊接冶金学(基础部分) [M ].北京:机械工

业出版社, 1995. 116-210.

3 结 论

研制出的ZA 合金模具T IG 焊接专用焊剂具有合适的熔点、良好的流动性及导电性。使用该焊剂对ZA 合金模具进行焊接时, 熔化的焊剂可在熔池

(责任编辑 吕 鹏)

(上接第110页)

厚度越大, 飞溅程度越小, 脱渣性能越好。参考文献:

[1] 廖立乾, 文花明. 焊条的设计、制造与使用[M ]. 北京:

机械工业出版社, 1988.

[2] 王嘉玲. 焊接质量与焊条使用[M ]. 北京:国防工业出

版社, 1994.

[3] 周振丰, 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性[M ].北京:机

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[4] 孟庆森. 钛铁矿焊条脱渣性改善的研究[J]. 焊接,

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[5] 潘道皑. 物质结构[M ].第2版. 北京:高等教育出版

社, 1992.

3 结 论

(1) 碳酸盐与氟化物的比值越大, 稳弧性越好; 比值越小, 飞溅程度越低; 比值适中, 焊缝成型美观。碳酸盐与氟化物的配比应在能满足焊条施焊时具有一定的吹力和良好的抗气孔能力的前提下加以调整, 以获得优良的综合工艺性能。

(2) TiO 2与硅铝酸盐之比应不小于3. 5B 1, 后者配比量过高会使焊缝产生粘渣。

(3) 硅、钛等强脱氧剂的加入会显著改善脱渣性能。

(4) 药皮厚度影响焊条飞溅程度及脱渣性能。

(责任编辑 吕 鹏)

(上接第112页)

合式内燃机各系统[M ]. 北京:机械工业出版社, 1994. [2] 邓冶真. 瞬态谱估计理论及其应用[M ].北京:地震出

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[3] 张贤达. 现代信号处理[M ]. 北京:清华大学出版社,

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[4] DA VI D W, P RABHAK ER R. On the Wig ner V ille dis -tributio n of finite duration signal[J].Sig nal Processing, 1991, (4) :231-237.

4 结束语

利用短数据序列WVD 方法对连续撞击信号进行了分离, 取得了比较好的效果。实例证明, WVD 方法还能排除一些高斯噪声, 提高信噪比。参考文献:

[1]

#Ú#

Journal of the U niversity of Petroleum, China Vol. 25 No. 2

(Edition o f N atural Science) Apr. 2001

c racks and elliptical crac ks are obtained in some special c ases.

Key w ords :piezoelectric material; curvilinear crack; ant-i plane strain; Faber series

About th e f irst author :HO U Mi -shan, p ro f essor , received MS degree f rom Northeast Heavy Machinery Institute in 1987. Now he is working on solid mechanics in the University o f Petroleum , China (Dongying:257061). X U Ming -hai, Z HANG Yan -bin and TAO Wen -quan/A MODIF IED DELAUN AY MES H GENERA TION METHOD F OR 2-D D OMAIN/2001, 25(2):100~105

A method for constructing tw o -dimensional unstructured meshe s using the Delaunay triangulation criterion is described. The algorithm is based on the Bowyer -Watson . s idea to construc t the node links and on the advancing front method for generating the inner nodes. In the triangulation process, the latter inserted nodes may break less links by using this method. By taking the edges into the data structure, the Delaunay searc hing is a local process, and the recursive function c alling can be avoided. So it is easy to construct the c ode, and the floating -point computation is reduced. The mesh dens-i ty is controlled through defining the mesh step on the vertices of the ground mesh. Some examples show that the algo -rithm is robust and effective.

Key w ords :unstructured grid; triangular cell; Delaunay triangulation; numerical simulation

About the f irst author :X U Ming -hai, male, associate p rof essor , w orks on simulation and optimal recovery o f heavy oil in the University o f Petroleum , China(Dongying :257061).

LI Zi -li and FENG Shu -chu/INF LUENC E OF OVERF LOW ORIF IC E DIAMETER O N DIS C HA RGE PRES SURE O F HY DRO CY C LONE/2001, 25(2) :106~107

The overflow Euler number (Eu o ) and the underflow Euler number (Eu u ) are defined. The results of experiments show that the overflow orifice diameter has more effect on overflow discharge pressure than on underflow discharge pressure. For a orifice w ith a certain diameter, the case that the overflow Euler number equals the underflow Euler number c an be found. The split ratio corre sponding to this case dec reases w hile the orific e diameter inc reases. Key w ords :hydrocyclone; overflow orifice diameter; Euler number; discharge pressure

About the f irst auth or :LI Zi -li, male, associate pro f essor , graduated f rom East China Petroleum Institute in 1985and obtained MS degree f rom the University o f Petroleum in 1993. Now he is working on multi -phase separation and saf ety o f oil storage at the Department o f Transform and Storage Engineering in the University o f Petroleum, China (Dongying:257061).

Z HAO Wei -min and W AN G Bing -ying /EF FEC T O F C OM PONENT OF ELEC TRO DE C OA TIN G ON U SABILITY O F S T AINLESS S TEEL ELEC TRODE /2001, 25(2) :108~110

The component of electrode coating has c ertain effects on the usability of stainless steel electrode. About a hundred kinds of electrodes are tested, and a new component of electrode is developed. The results of test show that the ratio of c arbon -ate to fluoride has some effects on the stability of arc, spatter and weld appearance. The ratio of TiO 2to aluminosilic ate should be c ontrolled more than 3. 5B 1to assure detac hability. Powerful de oxidizers, such as silicon and titanium, can im -prove the detachability of elec trode obviously. The thic ker the c oating of electrode is, the smaller the spatter will be, and the better the detac hability is, too.

Key w ords :stainless steel; electrode; electrode coating; c omponent; usability

About the f irst auth or :Z H AO Wei -min, f emale, lecturer , received MS degree f rom the University o f Petroleum in 1997. Now she is a doctoral candidate and works on w elding technology and anticorro sion technology in the University of Petroleum, China (Dongying:257061).

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