E5015 coating composition design and process
performance testing
Abstract:This topic is in the full investigation on E5015 coating formulation conditions and carry out, because in the E5015 electrode in its good mechanical performance, poor technology performance has been generally acknowledged view. Process performance is mainly influenced by the coating composition, the basic formula of coating materials of marble and fluorite in the particle diameter and the relative content of made some changes, to study the process performance is better than the original prescription of the electrode is improved.
Through the detection of the high speed wire rod LH08A, found that there are bulk aluminosilicate complexes is larger, and the nitrogen content is 8 times than traditional H08A. The theoretical analysis and practical verification found: manganese silicon alloy in acidic carbon steel electrode in the application of feasible, silicon can promote manganese's transition, and can decrease the welding spatter; ilmenite and quartz sand mix properly, slag detachability is good, there is no inclusions significantly increased Fe peak.
Through the above research, E5015 quality improvement from technology to theory provides theoretical support. It can be developed a comprehensive index excellent technological performance of a new generation of E5015 products.
Keywords:alkaline electrode;coating;the microstructure;deposited efficiency;
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第1章 绪 论
1.1 焊条
焊接材料包括焊条和焊丝，基于如下的原因，本论文以焊条作为研究对象。 ①在中国，焊接材料仍以焊条为主，其应用比例仍高达70％以上[1]； ②该焊接材料目的是提高焊缝的硬度、耐磨性和抗裂性，特别是应用于焊缝应力集中区域的焊缝，这些焊缝往往是不规则的；
③焊条制作方法简单灵活，数量可多可少，在熔敷金属化学成分调试阶段，焊条是最佳的选择。由于所研究的焊条其熔敷金属在冷却到较低的温度后(在350℃以下)才发生相变，所以焊条取名为低相变点焊条。
1.1.1 焊条的组成
焊条由焊芯和附着在其上的药皮两部分组成，焊条药皮与焊芯重量之比称为药皮的重量系数。一般酸性药皮焊条的重量系数约为35％，碱性药皮略低于此值，而堆焊焊条则较高，可在160％左右。利用厚的药皮可过渡大量合金元素，也有用重量系数为1％---20％的薄皮焊条，药皮仅起引弧、稳弧作用。 (1) 焊芯
焊芯的化学成分和性能直接影响焊缝金属的性能与质量，焊芯有碳素钢的，不锈钢的，以及特殊选用的，一般焊芯是专门炼制的，不同于普通建筑用钢丝，主要是对碳和硫、磷等杂质方面有较严格限制。多量合金元素使钢材难于拉拔成丝，所以对于一些极特殊的焊条，找到一种合适的焊芯往往比较困难，有时成为研究某种特殊焊条的关键。
最普通的低碳钢焊芯是H08A，一般的酸性焊条、碱性焊条都用此芯，“H”表示焊条用钢丝的的“焊”字汉语拼音的第一个字母，“08”表示焊芯的平均含碳量为0.08％，“A”表示优质钢，含硫、磷量少。如果最后一位字母由“A”变为“E”，表示特级钢丝，含硫、磷量更少。
碳的含量越高，则焊缝出现气孔和裂纹的倾向越大，当碳含量大于0.1％～0.14％时，就可能引起碳的严重偏析，并易产生结晶裂纹，使焊缝的冲击韧性和塑性急剧下降，同时因碳氧化会产生大量一氧化碳而很易引起飞溅，或留在焊缝中形成气孔。所以，在一般焊接材料中，希望含碳量越低越好，如“H08A”焊芯即要求碳含量小于0.10％，对于耐磨堆焊焊条和铸铁焊条来说，含碳量就可能
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很高2。
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锰是很好的脱氧剂和掺合金剂，有脱硫作用。实验证明，在焊接低碳钢的条件下，锰含量为0.5％左右时脱氧效果最佳。因此“H08A”焊丝中锰含量控制在0.30％～0.55％之间。
硅是一种强烈的还原剂，在焊接过程中能生成SiO2，增加熔渣的酸度与黏度，使焊缝中易产生气孔和夹渣，并且焊芯中硅含量增高可增加电阻率，使焊条在焊接易于发红，影响焊接质量，因此在焊丝中要求含硅量越低越好，“H08A”焊丝控制在0.03％以下。
硫、磷都是有害杂质，它不但能降低钢的性能，而且还会使焊缝产生气孔和裂纹，因此须严加限制。“H08”和“H08A”焊丝硫磷含量分别控制在0.04％和0.03％以下。
由于冶炼和脱氧方法的不同，往往在焊芯中混入某些非金属夹杂物，如Si02等，若这些夹杂物的数量足够大时，对焊条的导电性、稳弧性也会有一定的影响。 此外，焊芯在拉拔过程中冷作硬化程度对焊芯的导电性也有影响，冷硬程度愈高，则导电性愈差，焊条愈易发红。根据焊条大小和类型不同，焊芯在制造焊条时均切成一定的标准长度，可查阅有关规定，焊芯长度允许偏差为±2mm，焊芯直径允许偏差为±0.05mm[3]。 (2) 焊条药皮
黏结在焊芯上各种粉料和黏结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂料，按其在焊接过程中所起的作用，可以分为以下几种：
a.稳弧剂：用以稳定电弧，主要是一些易电离的碱及碱土金属化合物和金属矿物，前者如碳酸钾、碳酸镁、白垩土、大理石、长石、云母、纯碱、金红石等，后者如钛铁矿、赤铁矿等。
b.造渣剂：用以造成一定数量具有一定物理化学性能的熔渣，覆盖着熔化金属，保护溶池，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，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。
c.造气剂：用以造成一定量气体排除大气对溶池的有害作用，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、菱苦土等。有机物所造成的气体主要是CO和H2，碳酸盐析出的气体为C02，在高温时进一步分解为CO。
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d.脱氧剂：用以降低药皮和熔渣的氧化性并脱除金属中的氧。低碳及低合金钢焊接时常用锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等，但酸性焊条不用硅铁脱氧。 e.合金剂：用以焊芯或母材中的合金或补充在焊接过程中合金的烧损。低碳钢焊条主要的元素是锰，合金钢焊接则应按其相应成分予以添加，如硅，钼等。 f.黏结剂：用以调和药粉并牢固地黏结在焊芯上，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，所以除起黏结作用外，不可以起到稳弧作用。
g.增塑性：用以改善焊条的压制性能，以便于用机器压制焊条，如钛白粉、白泥、云母、糊精等，可以增加药粉的塑性、弹性和滑性，使焊条表面光滑而不开裂。
h.稀释剂：用以稀释熔渣，改善渣的流动性，如萤石、金红石、精选钛矿、锰矿等。
一般的涂料焊条中都需考虑加入10种左右的组成物起到以上作用，但可看出某些组成物能起多种作用，如大理石可以稳弧、造气和造渣。耐磨堆焊焊条的特点一般是要求堆焊金属中有较高的含碳量。所以在药皮配方中加入5％～6％以上石墨(碳)后，无需加入其它矿石粉、有机物等，它能起到稳弧、造气、脱氧、增塑等作用。
1.1.2 焊条工艺性能及其影响因素
焊条的工艺性能主要指引弧、稳弧及再引弧性能、焊缝成型、脱渣性、飞溅、熔化效率、析出有害气体成分及数量、各种位置焊接的适应性、焊条药皮发红、焊接烟尘等。 （1）焊条的稳弧性
焊条的稳弧性可由电弧引燃难易和引燃后电弧的状态来评定。用10根新焊条，每根与工件接触一下引弧，引燃根数越多则引弧性能越好。断弧后再引弧时，若药皮套筒不敲碎即可起弧为最好，药皮套筒敲碎后才可引弧者次之，敲碎后也不能引弧者最差。电弧的状态以弧长变动时电弧是否稳定，断弧前的最大电弧长度，焊接速度变动时电弧的摇摆情况和电弧吹力的强弱来判断。碱及碱土金属电离电位比较低，所以常用含钾钠的物质做稳弧剂。 （2）焊缝成型
焊缝成型的优劣以肉眼观察来判定的，要求焊缝均匀，与母材熔合情况表面鳞纹细密无“麻点”等缺陷，它除取决于焊工的操作水平以外，主要取决于药皮
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的熔化状态与深渣的凝固温度范围、黏度、表面张力等。
①药皮的熔化状态与熔渣的凝固温度对成型影响。药皮是多种物质的机械混合物，它们在形成熔渣的过程中，各组成物之间发生了相互作用，形成复合化合物、共晶体等多元体进行的。我们所指的药皮熔点是指药皮开始熔化的温度(即造渣温度)，而熔渣的温度则是指熔渣转变为固态的温度(是一个温度区间)。
药皮熔点过高，焊条末端形成的“套筒”过长，则焊接时易断弧，还会药皮成块脱落，推动保护作用或落入熔池形成夹渣。相反，药皮熔点过低，则熔化过早，成渣很稀容易流失，并使焊缝推动保护作用。同时熔点过低，形成“套筒”太短或不形成“套筒”，则熔点低于焊丝熔点150-250℃。
熔渣的凝固温度过高则凝固过早，影响冶金反应的充分进行，甚至造成渣压铁水，使焊缝成型不良，产生气孔，不易脱渣等缺陷。焊缝表面产生“麻点”也是由类似原因造成的。熔渣凝固温度过低，则熔渣对焊缝起不到限制成型的作用，促使焊缝成型不良，同时还延长了熔渣与已凝固的焊缝表面金属作用时间，使脱渣性能变坏。
药皮熔点的高低决定于药皮组成物的种类和它们的粒度。药皮组成物的熔点越高，粒度越大，药皮的熔点也越高。熔渣的凝固温度取决于其成分[4]。 ②熔渣的黏度和表面张力对成型的影响。黏度是液体分子之间内摩擦力的表现，在熔渣化学成分一定的情况下，黏度主要取决于温度，通常随着温度增加，渣液黏度下降。但熔渣的化学成分不同时，其黏度变化是不同的，通常碱度小的熔渣，黏度随温度增加是逐渐变小的。而碱度大的熔渣随温度增加，黏度则急剧下降。在焊接温度下，熔渣黏度越小，流动性越大，熔渣也愈活泼，冶金进行得愈充分。但黏度过小，则会造成满渣，使渣不能完全覆盖于焊缝上，减弱冶金的进行并推动对金属的保护作用。相反若渣过黏，亦会使冶金反应缓慢，焊缝成型变差。焊接熔渣黏度ll通常要求在1500℃时为0.15Pa.S左右，立仰焊时可略高一些。
熔渣表面张力及其与温度的关系，对焊缝表面成型也有很大的影响值为0.3-0.4N／m为好，并希望在温度下降时能迅速增大，以保证熔渣在液态时能均匀覆盖于熔池上；而在熔池冷却结晶时，又能急剧增大表面张力，约束焊缝成型。 （3）焊条的脱渣性
焊缝表面的熔渣在焊后是否容易除去，是评定焊条(或焊剂)质量的主要指标之一。脱渣性的好坏，可以用小锤敲击方法来进行比较，若脱渣困难，会显著降
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