第 2 章 试 验 过 程
2.1试验焊条的制作
2.1.1焊条制作前的准备
（1）选定焊芯
选用低碳钢焊芯H08A，直径为4mm，H08A化学成分如下表2.1所示：
表2.1 H08A焊芯化学成分
-- 焊芯H08A C ≤0.10 Si ≤0.03 Mn 0.30～0.55 P ≤0.03 S ≤0.03 Ni ≤0.30 Cr ≤0.20
（2）药皮成分配比
药皮成分配比率如表2.2所示
表2.2 药皮成分配比
成分金红石 中锰 大理石 萤石 云母 钛铁 硅铁 长石 （g） 含量 15 8 40 30 2 8 6 2
（3）水玻璃的准备
焊条用水玻璃主要是使用液体水玻璃。纯净的液体水玻璃，应是无色透明的液体。当含有少量悬浮物时，影响其透明度而呈混浊，常见的水玻璃溶液多呈青灰色，黄绿色或微红色。同时模数是水玻璃性能的重要参数，对焊接制造工艺和焊条性能有极大的影响，它不仅决定着水玻璃的粘结性能，而且对水玻璃的蒸发速度及固化有很大的影响。而液体水玻璃的浓度，是由其中含水的多少来决定，当加入水多时浓度低，粘性低。当然，液体水玻璃的浓度也与温度有关，当温度升高时浓度会降低，温度低时浓度则会增大。而一般所讲的浓度是指20℃时所测定的浓度。由于水玻璃的这些特性，经过分析，综合考虑在本课题中选用的是钠水玻璃，水玻璃的模数为2.85～3.00。 （4）试验器材
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FN202-2型电热干燥箱，最高温度300℃，电压220∨； HCT12B5架盘药物天枰，最大称重500g，分度值0.5g； ZXE-315 AG/DG Arg welder，焊接电流最大范围0-400A； 小勺，杯子，水玻璃，干净的玻璃，手套，切割机，游标卡尺。
2.1.2实验过程
（1）配料：参考E5015铸铁焊条的配方，用天平和小勺称量大理石40g，萤石30g，钛铁8g，金红石15g，中碳锰铁8g，45硅铁6g，云母2g，长石2g。 （2）干混：将称出的各药粉混在一起轻轻搅拌至均匀为止，要求药粉颜色一致，不得出现块状，粒状，并放置30分钟左右。
（3）湿混：逐渐加入适量水玻璃，用手轻轻搅拌，直到可以形成面团状放置1小时左右，使之混合均匀。在此期间，用砂布打磨直径为Φ3.2低碳钢H08的焊芯表面的氧化皮。
（4）搓制：将湿混好的湿粉沿焊芯长度方向均匀涂敷，再用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药皮逐渐牢固粘在焊芯上。将搓制好的焊条放置1-2天，使之凉干。
（5）烘干：将凉干的焊条，放进电热干燥箱内在300-350℃烘干1-2小时。
烘 烘 干 干 前 后 （1） （2）
图2.1 制备的焊条
2.2 焊接工艺性
焊材的工艺性能是决定焊材好坏的重要评价标准，碱性焊条的工艺性能显得更重要，问题也更复杂。通常对碱性焊条的焊接工艺性能的评定标准主要包括以下几个方面：焊接电弧稳定性、气孔敏感性、熔滴过渡形式、焊接飞溅、熔渣的
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覆盖性及脱渣性、焊条发红开裂情况、全位置焊接性等。
（1）熔滴过渡及其机理：在电弧力的作用下，焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用向母材过渡，称为熔滴过渡。熔滴过渡是弧焊过程中重要的电弧物理现象，它不仅影响焊条的工艺性能，而且对焊接化学冶金、焊缝成型和焊缝的性能都产生重要的影响。
（2）焊接飞溅：在焊接过程中，一部分的金属飞离熔池从而形成飞溅。飞溅能够影响焊缝的表面成型，恶化焊材工艺性能，是衡量焊材工艺性能的重要指标之一。飞溅的大小和熔滴过渡行为、焊接工艺参数、电源特性等因素有关。许多学者对飞溅产生的原因进行了深入的研究。总的说来，飞溅的产生主要是由于气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力引起的。如钛钙型偏碱性的不锈钢焊条，其中大理石CaCO3 在600℃开始分解并释放出CO2 气体[13]，若分解过程急剧便会产生爆炸飞溅。又如熔滴过渡时表面生成了氧化膜，而熔滴内部金属过热产生的蒸汽压力足够大时，也会引起爆炸飞溅。通常情况下，焊接飞溅的研究与熔滴过渡形式的研究是分不开的。
（3）焊接电弧稳定性：焊条电弧燃烧是一个复杂的电弧物理和化学冶金过程。所谓电弧稳定状态，是指在边界条件不变时，电弧中所进行的电、热物理及化学冶金过程均处于相对平衡状态。焊条的稳弧性可由电弧引燃难易和易燃后电弧的状态来评定。影响焊条焊接电弧稳定性的因素很多，主要有：渣系中的各种组分、焊接电流、电弧电压。
（4）焊缝脱渣性及熔渣覆盖性：脱渣性即去除焊缝表面所覆盖的凝固状态的焊渣的难易程度。焊条的脱渣性是评定焊条质量的的主要指标之一。脱渣性的好坏，直接影响着焊接的生产率以及焊缝的质量。药皮的化学成分决定了熔渣的微观结构和类型，从而直接决定了熔渣脱渣性的好坏。因此在脱渣性的研究中，学者着重研究的是脱渣性和熔渣微观结构的关系。熔渣覆盖性即熔渣是否均匀的覆盖在焊缝上，熔渣覆盖性的好坏对于焊接工艺性能有着重要的影响，覆盖均匀的熔渣有利于提高焊缝表面的成型质量，有效的阻止焊接气孔产生。熔渣覆盖性主要受以下几个因素的影响：熔渣的粘度、熔渣的熔点、表面张力等。
（5）气孔：在焊接中产生的气孔是焊接的重要缺陷，一般是氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。由于不锈钢焊条熔敷金属的含碳量都很低，一般产生CO 气孔的可能性极小，在含氮类不锈钢中容易产生氮气孔[14]。因此大部分不锈钢的焊接气孔为氢气孔。气孔生成机理的复杂性和未知性，同时也表明深入研究气孔
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生成机理的必要性和重要性。
（6）焊条药皮发红开裂：药皮温升开裂是不锈钢焊条特有的一类问题，是指在正常的焊接电流下施焊到焊条后半段时，由于药皮升温过高而发红开裂或药皮脱落的现象。焊芯和药皮温度升高的主要能量是由于焊接电流通过焊芯时所产生的电阻热。药皮的发红开裂，使药皮失去了保护作用和冶金作用，从而影响焊接质量，浪费焊接材料。
（7）焊条的其它工艺性能：焊条的全位置焊接的适应性也是评价焊条工艺性能的重要指标。所有的焊条都能平焊，但由于部分焊材熔滴容易下流，不易于向熔池过渡，从而不适合全位置的焊接[15]。因此调整熔渣的熔点、粘度、表面张力等，以利于熔滴过渡到熔池，防止熔滴下流，使高温熔渣尽快凝固，是目前解决焊条全位置焊接的主要措施。其中粘度对焊条的焊接方式有着最为重要的影响。
2.3 熔敷金属与焊缝金属
焊材（焊条、焊丝等）生产单位提供的焊接材料产品性能介绍资料及质量保证书中，其理化性能是指熔敷金属的化学成分和力学性能。这主要是考虑一种焊材（即填充金属）往往可以焊接多种母材，就会得到多种不同性能。为了解和检验焊材本身的性能，就有必要取得焊接材料本身熔化后未经母材稀释的那部分金属，即所谓的“纯”焊缝金属，称为“熔敷金属”。而焊接接头的焊缝金属一般由熔化的母材和填充金属凝固后形成的那部分金属，即两者的混合物。
为了取得熔敷金属，可以有以下几种途径：在平板上作多层多道堆焊，去距离母材表面8mm以上的金属；对于开坡口的对接焊试板，将间隙加大到12mm，或在坡口边缘用性能相同或相近的焊材先预堆焊隔离层，隔离层厚度加工不小于3mm，再进行焊接。取中间部分的金属，来代表“纯”的焊缝金属。而实际工程上，焊接接头的设计不可能采用如此大的间隙，一般间隙仅为0—3mm，故焊缝金属是焊接材料熔化后的填充金属与母材的混合物。这就造成熔敷金属与接头焊缝金属两种金属性能上的差异[16]。
焊缝、热影响区、母材的金相组织是由不同组织组成的，组织组成物可能是一种或多种。在组织组成物中，某一组成物可以是单一相，也可以是两相或多相混合组成或化合物。下面介绍下不同组织的形态和性能。
铁素体：碳与合金元素溶解在a-fe 中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。珠
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光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。
珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500 倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500 倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000 倍才能分辨的片层称为屈氏体。
马氏体－碳在a-fe 中的过饱和固溶体。板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5 个）。片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高镍的铁-镍合金中，针叶中有一条缝线将马氏体分为两半，由于方位不同可呈针状或块状，针与针呈120o 角排列，高碳马氏体的针叶晶界清楚，细针状马氏体呈布纹状，称为隐晶马氏体。使用4XB-TV 倒置金相显微镜，在400 倍的放大倍数下观察组织，并结合材料的化学成分确定出试样各区域的金相组织。 在获取焊接接头试样后，首先进行接头组织金相的观察，获取母材、焊缝区以及HAZ等区域的金相图，根据接头不同区域的金相组织的不同，分析其各自组织成分及性能上的变化。观察不同区域的金相图时，主要看相图所显示的组织形态，晶粒大小，是否存在明显的裂纹等等。如果出现焊接缺陷，应分析缺陷的种类，产生原因，改进方法等，并结合焊接不同区域的硬度值对其性能上的比较与分析。
熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属搅拌混合形成了熔池，与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固。熔池凝固过程对焊缝金属组织、性能、具有重要影响。由于熔池中的冶金条件和冷却条件的不同，可能得到性能差异甚大的组织。熔池结晶一般分为晶核的形成和晶核长大两部分。而焊接条件下的凝固结晶的形态从融合线到焊缝中心一般为平面晶、胞状晶、树枝柱状晶和等轴晶。完成凝固以后，随着连续冷却过程的进行，焊缝金属将发生组织转变。转变后的组织是根据焊缝的化学成分和冷却条件而定[17]。
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