焊接论文 (6)_焊接论文文献
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不锈钢焊接材料存在的问题及改进措施
时间：2007-10
罗植平
(甘肃省水利水电学校)
摘 要：新型不锈钢焊条采用了低碳钢芯,通过药皮过渡合金.通过对焊条药皮成分的优化设计,分析了不锈钢焊条药皮中影响焊缝气孔生成率的因素及各因素对气孔率的影响规律,解决了出现焊缝气孔的问题,并彻底克服了不锈钢焊条药皮发红开裂的缺点.同时由于低碳钢焊芯的采用增加了焊条长度,减少了更换焊条次数,并可采用较大的焊接线能量,在很大程度上提高了焊接效率.焊缝熔敷金属具有优良的抗晶间腐蚀能力和综合力学性能.关键词:不锈钢焊条;发红;气孔;晶间腐蚀
目前我国生产的不锈钢焊条普遍存在工艺性比较差的缺点,其关键问题是焊条药皮易发红开裂,造成焊条的巨大浪费.不锈钢焊条药皮之所以易发红开裂是因为不锈钢的电阻率比低碳钢大得多,同时不锈钢的线膨胀系数又大,焊接时焊条通过很大的电流,焊芯产生大量的电阻热而膨胀,当焊芯的膨胀变形量超过药皮的变形能力时,药皮就要开裂.要提高不锈钢焊条抗发红性能途径有:一是改变焊芯本身的热物理性,如在不锈钢焊芯表面涂一层低电阻金属材料,降低焊芯的电阻率,使焊芯的温升降低,从而防止焊条药皮的发红,这种方法的缺点是使焊条的生产工艺变得复杂,增加了焊条成本;二是改变焊条药皮配方,以提高 1 焊条电弧电压和熔化速度,改变焊条熔滴短路过渡为渣壁过渡,但这种方法的效果有时不很明显.若不锈钢焊条采用低碳钢焊芯,通过药皮中合金粉的过渡实现熔敷金属的合金化,则由于低碳钢焊芯的电阻率显著低于不锈钢焊芯,这将极大地减少焊芯热量的产生,消除药皮发红的原因,并从根本上解决不锈钢焊条药皮发红开裂问题.同时当采用低碳钢焊芯时,可使不锈钢焊条的长度增加到普通焊条的长度,那么焊接的效率将会提高,焊条的利用率也将增加。1 焊条工艺性研究
为彻底解决不锈钢焊条的药皮发红开裂问题,本文采用Ｈ08Ａ焊芯代替不锈钢焊芯,在焊条药皮中加入合金元素铬镍锰等,通过药皮向焊缝中过渡合金.为了提高焊条对交直流电源的适应性,所以采用酸性药皮,确定药皮的渣系为ＴｉＯ2 ＣａＯ ＳｉＯ2,根据一些资料和经验确定药皮配方,发现此焊条工艺性上出现的主要问题是焊缝易产生气孔,气孔出现在焊缝的表面上,从焊缝表面上看呈喇叭口形,并且气孔的四周有光滑的内壁,所以从气孔的特征可以判断出其为氢气孔.此焊条之所以产生氢气孔是因为合金完全靠药皮过渡,药皮中高达50%为合金成分,使药皮的还原性很强,氧化性不足,从而导致氢气孔的产生,这是急待解决的问题,要对药皮配方优化设计.根据焊接冶金学理论,从焊材上来说,要抑制氢气孔产生就要调整药皮中氧化物、脱氧剂及氟化物的数量和种类,所以先固定其它组分不变来调整药皮中大理石、长石、氟化钙、冰晶石及氧化铁红的含量以达到去除氢气孔的目的,利用 2 正交表安排实验,对焊条药皮配方进行一次正交回归分析,通过焊缝气孔率和药皮组元含量间的回归方程,求出了药皮最优配方,解决了氢气孔的问题。研究中发现大理石,萤石,氧化铁红对氢气孔的影响十分显著,而长石含量的变化对气孔的影响不大。
1．1 氧化铁红对氢气孔的影响
氧化铁红对氢气孔的影响特别显著,严重恶化了焊条的工艺性,氧化铁红受热时释放出氧气增加气相的氧化性,分解产物ＦｅＯ也能增加熔渣的氧化性,本应减小氢气孔的产生,但实验结果恰恰相反,可能是因为当手工电弧焊时,氢通过两种途径向金属中溶解:一是气体与液态金属的界面以原子或质子形式溶入金属;二是通过熔渣层进入金属.氢通过熔渣向金属过渡时,氢或水首先溶于熔渣,以ＯＨ-离子形式存在,然后由渣向金属过渡.主要通过以下两个反应:Ｈ2Ｏ+(Ｏ2-)←→2(ＯＨ-)(Ｆｅ2+)+2(ＯＨ-)←→[Ｆｅ]+2[Ｏ]+2[Ｈ]Ｆｅ2Ｏ3的加入,使渣中的Ｏ2-及Ｆｅ2+增多,使反应易向右进行,促使氢的溶入,而使气孔倾向增大(见图1)。
图1 药皮中氧化铁红对氢气孔的影响
1．2 大理石对氢气孔的影响由于药皮被加热后大理石分解ＣａＣＯ3→ＣａＯ+ＣＯ2↑产生的二氧化碳气体能加强对熔池的保护,防止水蒸气的侵入,同时ＣＯ2是氧化性气体,可以减少熔池氢的平衡浓度,从而减少了氢从第一条途径侵入熔池,降低了氢气孔的敏感性(见图2)。
图2 药皮中大理石对氢气孔的影响
1．3 萤石对焊缝氢气孔的影响萤石对焊缝氢气孔有显著的影响.因为当渣中ＣａＦ2和ＳｉＯ2共存时可以进行下列反应2ＣａＦ2+3ＳｉＯ22ＣａＳｉＯ3+ＳｉＦ4生成的ＳｉＦ4沸点低,以气态存在,并与气相中原子氢和水蒸气发生反应ＳｉＦ4+3ＨＳｉＦ气+3ＨＦＳｉＦ4+2Ｈ2Ｏ气ＳｉＯ2+4ＨＦ因而能降低焊缝中含氢量,而降低氢气孔倾向,从以上反应可以看出,ＳｉＯ2对萤石去氢效果有很大的影响(见图3)。
图3 萤石对氢气孔的影响
1．4 长石对焊缝氢气孔的影响长石的主要成分是ＳｉＯ2(63%～73%),ＡＬ2Ｏ3(17%～24%),Ｋ2Ｏ+Ｎａ2Ｏ>12%,长石含量的变化对焊缝氢气孔率影响很小,原因之一是长石的变化范围小,影响比较小,其二是虽然长石含量的提高有利于提高药皮的氧化性,益于消除氢气孔,但它的含量增加也增大了硅向熔池的过渡,而硅是表面活性元素,阻碍氢由熔池溢出,因此效果不是很明显(见图4)。
图4 药皮中长石对氢气孔的影响焊缝合金系统的设计
此焊条主要用于广泛应用有的铬镍奥氏体钢的焊接,因此确定熔敷金属的合金系统为Ｆｅ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｎ.本文所设计的焊缝熔敷金属化学成分范围为:Ｃ:0.04%～0.08%,Ｃｒ:18%～23%,Ｎｉ:9%～11%,Ｍｎ:0.5%～1.5%,Ｓｉ:0.5%～1%,Ｐ≤0.040%,Ｓ≤0.030%.焊条药皮配方经过优化设计,焊条的工艺性能已比较令人满意,但为了满足焊缝熔敷金属成分设计要求,以改善焊缝的组织和性能,必须在原最优配方基础上对焊条药皮中的合金元素的含量进行调整.对于不锈钢焊条来说,主要是调整Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ的含量以使焊缝能够与母材化学成分匹配并满足力学性能及耐蚀性要求,为达到设计成分要求,要对药皮中合金元素的含量调整。3 焊缝金属性能
焊缝母材为1Ｃｒ18Ｎｉ9的单相奥氏体组织,在奥氏体基体上分布着少量条状δ铁素体组织.本焊缝熔敷金属的镍当量Ｎｉｅｑ=Ｎｉ+30Ｃ+0 5Ｍｎ=13 1,铬当量Ｃｒｅｑ=Ｃｒ+1 5Ｓｉ=22,Ｃｒｅｑ/Ｎｉｅｑ=1 68,所以焊缝金属以初生相δ铁素体凝固,焊接熔池金属凝固时,主要以熔池底部未熔化的被焊母材基体金属的晶粒表面为非自发形核的现成表面,该表面使熔池液态金属以柱状晶的形态向焊缝中心成长,奥氏体在凝固期间的铁素体柱状晶之间的富奥氏体化形成元素的液相中形核,向熔池液态金属和铁素体中长大.一次铁素体δ相的形成对焊缝性能有有益的作用,其一是有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀能力;其二是δ相可防止奥氏体焊缝凝固裂纹.但是一次铁素体δ含量不可过多,否则高温下发生δ→σ转变而脆化,焊缝中铁素体的最佳含量为5%.这样，焊缝熔敷金属的力学性能、耐蚀性能均良好。结 论
不锈钢焊条通过采用低碳钢焊芯,通过合金系统的优化设计,克服了气孔问题,找到了药皮组分对氢气孔的影响规律,解决了普通不锈钢焊条药皮易发红开裂的缺点,工艺性能优良.本焊缝熔敷金属一次铁素体δ铁素体+奥氏体双相组织,具有优秀的耐晶间腐蚀能力,同时具备良好的综合力学性能,具有良好的推广价值。
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