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摘 要: 采用低碳钢芯(H08E) 和高效药皮过渡合金元素获得了高熔敷效率的不锈钢代用新型焊条,对试验焊条焊接过程进行高速摄影、焊缝金属化学成分分析以及金相组织观察。结果表明,试验焊条具有电弧稳定、熔渣流动性良好,焊条尾部不发红、药皮无脱落等特点;熔滴呈喷射过渡,焊缝金属化学成分、显微组织达到同类型铬镍合金焊芯不锈钢焊条的要求。解决了不锈钢焊条尾部发红、开裂等问题,同时也显著降低了不锈钢焊条的成本。
关键词: 不锈钢代用焊条; 高速摄影; 尾部发红; 喷射过渡
不锈钢焊条在工业生产, 尤其是轻化工业设备制造中被大量使用。传统的不锈钢焊条在施焊过程中熔化至整根焊条长度的2/ 3 时,焊条尾部会发红、药皮开裂, 同时飞溅增大,导致焊缝凸起、成形恶化、脱渣困难。这是由于铬镍合金焊芯的电阻率比碳钢焊芯(如H08) 大6～7 倍,而导热性又仅为碳钢的1/ 3, 强烈的电阻热致使施焊时焊条端部熔化, 以大熔滴短路过渡到熔池,短路电流对焊芯加热严重,短路的瞬间不产生电弧热,故电阻热所占份额极大。在高电阻热和低导热性双重因素作用下,钢芯温度急剧升高,引起焊条工艺性能严重下降。如通过调整焊条药皮配方、改善熔滴过渡方式,即以喷射过渡为主,已能部分地降低焊芯的电阻热,但由于其焊芯仍是铬镍不锈钢,当焊接电流提高时,问题又会重新出现,故仅仅通过调整焊条药皮成分已不能从根本上解决问题。有资料表明[1, 2]:用低碳钢芯代替铬镍不锈钢焊芯并通过加厚焊条药皮增大合金过渡系数可以得到较好的效果。低碳钢芯不锈钢代用焊
条的理论依据是: 铬镍合金焊芯的成分中Cr:17%～19%,Ni:8%～11%,能焊接与之相近成分的奥氏体不锈钢如Cr18Ni9、Cr18Ni9Nb 等; 而低碳钢焊芯(H08)不含铬、镍,要达到能焊接高铬镍成分不锈钢的要求,则必须从焊条药皮中过渡等含量的合金元素尤其是铬和镍,才能保障焊缝金属室温组织仍是单相奥氏体, 使焊缝金属既满足力学性能要求,又能达到抗腐蚀的目的。
1 试验过程
1.1 焊条药皮成分及药皮厚度
使用低碳钢芯(H08E)代替铬镍合金钢焊芯制造不锈钢焊条, 焊条药皮成分如表1 所示。为保障焊缝金属化学成分满足不锈钢要求, 药皮厚度在正常的奥氏体不锈钢焊条( 外径6.4 mm/4.0 mm 焊芯) 基础上以0.2 mm 的厚度递增, 即试验焊条外径分别为6.4 、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4mm。
表1 焊条药皮配方( 质量分数, % )
1.2 焊接工艺性能及焊缝金属成分、组织
按表1 所设计的试验焊条在WS-500 焊机上用120A、160A 的电流在1Cr18Ni9 不锈钢板上焊接, 观察焊接电弧稳定性、焊缝成形、焊条尾部发红情况及焊条药皮开裂脱落情况。同时用TroubleShooter500 型高速摄影机对焊接过程进行拍照, 观察焊接过程中熔滴大小及其过渡方式。再用XLi-818 型化学分析仪对焊缝金属中合金元素的含量进行化学成分测量, 计算合金的过渡系数, 比较相同直径焊芯不同外径焊条的合金过渡情况; 并用称量法对焊条的熔敷效率进行计算。最后在Neophot-21 金相显微镜上对焊缝金属进行显微组织观察。
2 试验结果及分析讨论
2.1 药皮厚度与合金过渡系数
合金过渡系数可由下式来表达:
合金过渡系数= 合金在焊缝中质量百分数/合金在药皮中质量百分数
按表1 配方, 用直径4.0mm 低碳钢H08E 作焊芯时, 不同药皮厚度的焊条焊缝金属中主要合金元素含量( 质量分数) 及合金过渡系数如表2 所示。可见,当药皮中合金元素含量一定时, 合金过渡系数随焊条药皮厚度的增加而增加,这是由于药皮厚度增加后,能被过渡的金属含量增加了, 同时, 较厚的药皮也加强了对焊接熔池的保护,从而减少了合金的烧损,提高了合金过渡系数。但药皮过厚,过渡系数不再明显提高,焊接工艺性能却明显变差,当焊条外径为7.00mm时,焊缝金属中Cr 、Ni 、Nb 含量已能满足要求, 故选定焊条外径为7.00mm 的焊条再进一步做其它试验。
表2 合金过渡系数
2.2 焊缝金属的化学成分
外径7.00mm 试验焊条焊缝金属的化学成分如表3 所示, 其成分与A132 不锈钢焊缝金属成分相当, 能满足不锈钢“低碳高铬”的要求,由于碳在不锈钢焊缝中会与铬形成碳化物导致焊缝金属晶界贫铬而降低钢的耐腐蚀性。因此, 用H08E 作不锈钢焊条焊芯时( 其碳含量高于铬镍不锈钢焊芯) , 要另外添加其它合金元素用来固定焊缝中的碳。一般以添加钛、铌为宜[2, 4]。本试验中使用的金属铌亦得到了较高的过渡系数。铌与碳结合生成铌的碳化物能固定焊缝金属中碳。
表3 试验焊条与Al32 焊条焊缝金属化学成分(质量分数,% )
要保证焊缝金属有足够的铬、镍含量,必须保证焊条药皮的铬镍含量足够高,而且施焊时,能有相当比例合金过渡到焊缝金属中。当药皮中合金元素一定时,合金的过渡系数随焊条药皮厚度的增加而增加[2]。此外,药皮渣系应有利于合金元素的过渡。选择碱性强的渣系有利于合金的过渡, 但会导致焊接工艺性能的下降,故本试验还是选择了酸性较强的钛钙型渣系。由表3可见, 焊缝金属化学成分已相当于A132 焊条焊缝金属成分, 能满足不锈钢焊条的要求。
2.3 焊缝成形及熔敷效率
由于焊条药皮中加入了一定成分的铁粉, 铁粉和其它合金在药皮中能起到导电的作用, 施焊时电弧稳定, 熔滴过渡以喷射过渡为主,熔渣流动性良好,脱渣容易且焊条尾部再无发红、药皮脱落现象,焊缝成形美观,如图1 所示。药皮中铁粉同时也提高了焊条的熔敷效率,采用表1 配方压制的!7.00 mm 焊条,其熔敷效率达到113%。
图1 焊缝成形情况
2.4 焊接过程高速摄影
由于采用了低碳钢焊芯, 试验焊条在熔滴过渡方面与铬镍合金焊芯不锈钢焊条不同, 对试验焊条外径焊条与A132 焊条的焊接过程进行高速摄影可知, A132 焊条熔滴直径为几毫
图2 焊条焊接时熔滴过渡方式高速摄影
(a) Al32 短路过渡时的熔滴直径;
(b) 试验焊条小电流(120A)焊接的熔滴直径;
(c) 试验焊条大电流(160A)焊接时喷射过渡的熔滴直径
米, 如图2(a)所示, 熔滴在电弧区停留时间为十分之几秒, 在熔滴过渡的瞬间, 电弧熄灭; 相反, 试验焊条熔滴直径为十分之几毫米, 图2(b)所示,且熔滴在电弧区只停留百分之几秒, 熔滴过渡瞬间也无电弧熄灭的现象。所以试验焊条的电弧热远远超过A132 焊条, 而电阻热则远小于A132 焊条。这是解决不锈钢焊条发红问题的关键因素。当焊接电流增大到160A时, 图2(c)所示, 试验焊条的熔滴直径变得更小, 呈小颗粒喷射过渡。但焊接电流不能无限增大, 否则会导致焊接工艺性能变差。
2.5 焊缝金属组织形态
图3 是试验焊条和A132 焊条焊缝金属的金相组织,由于有相似的化学成分, 故室温下都是单相奥氏体组织。
图3 焊缝金属金相组织
由以上结果可以看出, 试验焊条与铬镍合金钢芯的A132 焊条有着相近的化学成分和相似的组织形态,可以推断,它们亦有相近的抗腐蚀能力。
3 结论
(1) 低碳钢H08E 可以作为不锈钢代用焊条的焊芯,但药皮厚度应相应增加以提高合金的过渡系数。
(2) 合金的过渡系数随焊条药皮厚度的增加而增加, 但药皮厚度太大,会降低焊条的工艺性能,当焊芯直径为4.0mm 时,药皮外径以7.00mm 为适宜。
(3) 用低碳钢H08E 作焊芯时,焊接工艺性能明显改善,药皮无发红和脱落现象,且代替了价格昂贵的不锈钢焊芯,焊条总的成本大约下降30%。 |
