摘要：所研制的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.经过测验表明,本焊条过渡合金量达到设计要求,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[1],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[2],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ＴｉＯ2ＣａＯＳｉＯ2,根据一些资料和经验确定的初步药皮配方后压制出一批焊条进行试验,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.
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.
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.
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. nextpage
2 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ＦｅＣｒＮｉＭｎ.本文所设计的焊缝熔敷金属化学成分范围为:Ｃ:004%～008%,Ｃｒ:18%～23%,Ｎｉ:9%～11%,Ｍｎ:05%～1.5%,Ｓｉ:05%～1%,Ｐ≤0040%,Ｓ≤0030%.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
3.1 焊缝金相组织分析
对本焊条焊缝的熔合区和焊缝组织在光学显微镜下进行了观察,其金相组织的左侧为母材(1Ｃｒ18Ｎｉ9)的单相奥氏体组织,右侧为熔合区组织.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+05Ｍｎ=131,铬当量Ｃｒｅｑ=Ｃｒ+15Ｓｉ=22,Ｃｒｅｑ/Ｎｉｅｑ=168,所以焊缝金属以初生相δ铁素体凝固[4],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.这样导致了室温下焊缝中的铁素体大量减少,其主要以蠕虫状和层片状位于柱状晶中心.而对于焊缝中心,液相中的温度梯度小,能在液相中形成很宽的成分过冷区,这时熔池液态金属以熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的现成表面在液相内部生核产生新的晶粒.这些晶粒四周不受阻碍,可自由生长,形成等轴晶.而最后形成铁素体以层片状位于奥氏体的周围.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%.
3.2 焊缝熔敷金属的化学成分及组织
控制本焊缝熔敷金属化学成分,熔敷金属的成分已达到设计要求.按ＧＢ195480(铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体测量方法)进行测定本焊条焊缝中铁素体含量,结果表明,焊缝中一次铁素体含量大约为6%,达到了设计要求。
3.3 焊缝熔敷金属的力学性能
按ＧＢ264989(焊接接头力学性能试验取样方法)进行取样,并按照ＧＢ22887进行拉伸测验,表明熔敷金属力学性能优良,并且塑性很好.
3.4 焊缝熔敷金属的耐蚀性能
按ＧＢ4334584《不锈钢硫酸硫酸铜腐蚀实验方法》进行实验,试样状态为焊态,试样尺寸为80ｍｍ×10ｍｍ×3ｍｍ,将试样在加有铜屑的硫酸硫酸铜熔液回流烧瓶中煮沸16ｈ,并保证试件和铜屑全面接触,试验后取出试样,洗净、干燥、弯曲后进行评定.本试样的弯曲角度为180°,弯曲后的试样在放大10倍的放大镜下观察弯曲外表面,未发现晶间腐蚀裂纹.
3.5 焊条工艺性检测
检测证明,本焊条即使在大电流下药皮也未发红开裂,燃弧比较稳定,焊缝成型良好,没有出现气孔,渣壳可自动脱落,熔滴过渡方式为短路和渣壁过渡,飞溅比较小,本焊条综合性能比较优良.
4 结论
研制的新型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.试验表明,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。
