月桂酸微波反應(yīng)制備焊條抗吸潮膜研究

陳文君，桂赤斌，孫 吉

(1.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

焊接材料

月桂酸微波反應(yīng)制備焊條抗吸潮膜研究

陳文君1，桂赤斌2，孫 吉1

(1.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

利用月桂酸微波反應(yīng)的方法在焊條藥皮表面制備了抗吸潮保護膜。將烘干的焊條放入溶有一定量月桂酸和Fe3O4粉末的石油醚溶液中，取出烘干后進行微波反應(yīng)，使焊條表面具有抗吸潮性能。用FT-IR、SEM、EDS對所得焊條保護膜的成分和形貌進行了分析，并進行了熔敷金屬擴散氫測試。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4在吸收微波后能融化月桂酸并使其與焊條表層反應(yīng)，形成與焊條表面結(jié)合牢固的保護膜，有效阻止水分進入焊條內(nèi)部。這使焊條保存0～8h其擴散氫含量基本無變化，為未經(jīng)表面處理焊條擴散氫含量的87%。Fe3O4粉末在焊接過程中進入電弧空間強化氣氛的氧化性，有效提高了電弧氣氛的去氫能力。

吸潮；保護膜；焊條；微波；月桂酸

0 前言

在目前常用的焊條電弧焊接過程中，由于存放和使用條件限制，焊條不可避免地會與空氣接觸一段時間而吸潮，增加藥皮含水量。特別是在艦船焊接及其他野外施工場合，焊條吸潮更加嚴(yán)重，焊條吸潮后進行焊接時，容易在焊縫中形成氫氣孔，使焊接接頭強度下降。氫對焊接質(zhì)量具有很大的危害性，高強鋼焊接接頭含氫量越高，則越容易產(chǎn)生裂紋。工人在用低氫焊條焊接高強鋼前，必須將焊條在400℃～450℃下保溫1～2 h，然后放入保溫筒內(nèi)防止再次吸潮，這給工人使用造成很大不便。

由于牽涉到巨大的經(jīng)濟利益，國內(nèi)外文獻對抗潮性能關(guān)鍵技術(shù)的報道很少，目前相關(guān)研究主要集中在改變焊條藥皮成分[1]或在焊條表面涂覆高分子有機物方面[2-3]。我國很多焊條在抗潮性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于進口焊條，即使在高溫烘干之后立即進行焊接，也會有吸潮現(xiàn)象，因此國內(nèi)的許多大型工程建設(shè)仍然采用昂貴的進口焊條。焊條在使用時一般會在拆開包裝8 h內(nèi)使用完畢，如何減少焊條拆封之后的吸潮現(xiàn)象，研究抗吸潮型焊條對于提升我國焊接材料的品質(zhì)，打破國外壟斷，具有重要的意義。

月桂酸可以來源于自然界的椰子油、月桂油，由于具有較好的疏水性能，有不少學(xué)者對利用其作為無機物的改性劑進行了研究[4-8]。由于月桂酸吸收微波的能力較弱，本研究在進行焊條表面處理過程中加入了對微波吸收較好的Fe3O4粉末[9]，F(xiàn)e3O4粉末吸收微波后融化吸附在表面的月桂酸，同時在焊接過程中形成氧化性氣氛，使焊縫金屬中的擴散氫含量降低。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

月桂酸(分析純)，F(xiàn)e3O4(化學(xué)純)，石油醚(分析純)，堿性焊條CJ507(武漢鐵錨焊接材料股份有限公司)。

1.2 試驗方案

將一定量月桂酸加入石油醚中，水浴后使之溶解，然后向溶液中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4粉末；將已經(jīng)在400℃烘箱中烘干2 h的焊條完全浸入上述溶液中后取出，烘干后放入微波爐中進行反應(yīng)。

用JSM 5510LV掃描電子顯微鏡(SEM)對微波處理后的焊條藥皮進行觀察，并小心刮取焊條表面粉末，用Nicolet 6700紅外光譜儀進行FT-IR測試，參照GB／T3965-1995標(biāo)準(zhǔn)對焊條進行擴散氫測試，其中未經(jīng)表面處理的焊條在400℃下烘干2 h后立即進行焊接，微波表面處理后的焊條無需烘干，在20℃、相對濕度RH55%條件下放置一定時間后進行焊接。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 FT-IR分析

將焊條從石油醚溶液中取出時，石油醚迅速揮發(fā)，焊條表面留下一層月桂酸膜，圖1a為這層月桂酸膜的紅外光譜圖。通過與月桂酸的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖對比可知，兩圖都有在1 701 cm-1處的羰基伸縮振動吸收峰，但圖1a中并未產(chǎn)生月桂酸鹽的特征峰，這說明月桂酸僅是在焊條表面發(fā)生了物理吸附，并未與焊條表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。圖1b為將焊條放入微波爐中進行微波反應(yīng)后形成的保護膜(LF膜)的FT-IR結(jié)果，如圖所示，月桂酸在焊條表面產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了1 539 cm-1的吸收峰，同時飽和脂肪酸的強特征峰1701cm-1明顯減小，并向高波數(shù)1720 cm-1移動，表明月桂酸中的羧基與焊條表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了月桂酸鹽，這與文獻[10]的研究結(jié)論一致。

圖1 焊條表面月桂酸膜的紅外光譜Fig.1 IR spectra of lauric acid and microwave reacting film

2.2 SEM分析

圖2a為未經(jīng)表面處理的焊條表面。由圖2a可以看出，焊條表面結(jié)構(gòu)非常疏松，空氣中的水分極易進入焊條內(nèi)部，使熔敷金屬擴散氫含量升高。由于Fe3O4粒子吸收微波后產(chǎn)生高溫，使得月桂酸與焊條表層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成微波反應(yīng)膜。圖2b為微波反應(yīng)后形成焊條保護膜的形貌，由圖2b可以看出LF膜成塊覆蓋在焊條表面，有效阻止水分進入焊條內(nèi)部。LF膜與月桂酸膜的區(qū)別是：前者是由月桂酸與焊條表面反應(yīng)后形成的，在焊條表面結(jié)合牢固，不易脫落；而月桂酸膜是由于石油醚的揮發(fā)而吸附在焊條表面的，與焊條表面結(jié)合不緊密，容易成塊脫落而導(dǎo)致薄膜失去保護作用。

圖2 月桂酸微波反應(yīng)前后形成的保護膜Fig.2 SEM images of lauric acid films by microwave reaction

2.3 保護膜的抗水情況

LF膜是經(jīng)月桂酸微波反應(yīng)后形成的，由于其長鏈烷基的存在，使焊條具有很好的疏水性。圖3為焊條保護膜抗水效果圖，由圖3可以看出，將水直接滴在微波處理后的焊條表面，水分立即在焊條表面凝聚成露珠一樣的水滴；而未經(jīng)表面處理的焊條迅速吸收水分，使焊條表面變得很潮濕，這充分證明對焊條的表面微波處理是成功的。

圖3 焊條保護膜的疏水效果Fig.3 Hydrophobic property of water-resistant electrode film

2.4 焊條橫截面和保護膜元素分析

圖4為焊條橫截面的SEM形貌和EDS元素面掃描分析結(jié)果，由SEM圖可以看出，焊條內(nèi)部有很多孔隙，空氣中的水分進入焊條內(nèi)部之后就很難全部蒸發(fā)出來。圖4b～圖4e為Ca、C、O、Si的元素面掃描分析結(jié)果，由圖可以看出，由于焊條中含有較多的大理石、螢石、硅鐵、石英等成分，圖中Ca、O、Si等元素分布較廣，而C的含量相對較少。

表1為焊條表面LF膜的EDS分析結(jié)果，由表可知抗吸潮焊條表面摩爾分?jǐn)?shù)最多的元素是C和O，分別占摩爾分?jǐn)?shù)的33.38%和28.00%，其次是Si、Ca等元素。焊條表面在微波反應(yīng)前只有月桂酸膜存在，即應(yīng)當(dāng)只有C、O、H元素，由前述紅外光譜實驗的結(jié)果可知，此處的金屬元素的出現(xiàn)，是由于月桂酸與藥皮表面的無機物在高溫下成鹽所致。

表1 焊條抗吸潮膜的EDS分析Tab.1 EDS results in electrode coating

2.5 擴散氫測試

為了研究焊條表面抗吸潮保護膜對擴散氫的影響，將未經(jīng)處理的焊條與經(jīng)微波表面處理的焊條進行了熔敷金屬擴散氫對比試驗。圖5為未經(jīng)處理的焊條和經(jīng)表面處理后的兩種焊條在20℃、相對濕度RH55%環(huán)境下放置時，擴散氫含量隨放置時間的變化關(guān)系(其中未經(jīng)處理的焊條經(jīng)400℃烘干2 h取出后開始計時，經(jīng)微波表面處理的焊條在微波反應(yīng)結(jié)束后開始計時)。由圖可知，經(jīng)微波表面處理的焊條放置0～8 h焊接的擴散氫含量基本不變，其熔敷金屬擴散氫降低為未經(jīng)處理焊條在烘干后立即焊接時的87%；而未經(jīng)表面處理的焊條烘干后極易吸潮，使焊縫熔敷金屬擴散氫含量隨焊后放置時間的延長快速升高，尤其在烘干后前4 h擴散氫的含量升高速度最快，這說明微波處理后焊條表面的保護膜能有效阻止水分進入焊條內(nèi)部。同時焊條保護膜內(nèi)的Fe3O4在焊接時能增強電弧空間的氧化性，減少熔敷金屬中氫的含量。由于使用本方法制備的抗吸潮焊條無需改變原藥皮成分，將經(jīng)表面處理的焊條與原焊條同時對Q235鋼進行焊接試驗，其焊接工藝性能和機械力學(xué)性能均無明顯變化。

圖4 焊條橫截面SEM形貌和元素面掃描分析Fig.4 SEM photos of electrode

圖5 焊條的擴散氫隨放置時間變化曲線(20℃,RH55%)Fig.5 Variation of diffusible hydrogen with stoving time

2.6 LF膜反應(yīng)模型

月桂酸在焊條表面發(fā)生微波反應(yīng)，使焊條產(chǎn)生了良好的抗吸潮效果，抗吸潮膜的形成過程如圖6所示。焊條從石油醚溶液中取出時，在焊條保護膜中同時含有Fe3O4粒子和月桂酸分子，但常溫下兩者并不反應(yīng)。在微波加熱后，保護膜溫度升高，F(xiàn)e3O4粒子由于磁力作用靠攏焊條表面，同時Fe3O4吸收微波后溫度迅速升高，與月桂酸分子發(fā)生反應(yīng)，月桂酸中的羧基在高溫下可以與焊條表面和Fe3O4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在焊條表面形成牢固的反應(yīng)膜。

3 結(jié)論

(1)月桂酸微波反應(yīng)制備的焊條抗吸潮保護膜在焊條表面結(jié)合牢固且具有較好的抗水性能。紅外光譜、掃描電鏡、元素分析結(jié)果表明，焊條表面月桂酸膜1 701 cm-1的羰基伸縮振動峰明顯減小，同時產(chǎn)生了1 539 cm-1的月桂酸鹽吸收峰；保護膜在焊條表面結(jié)合牢固，能有效防止水分進入焊條內(nèi)部。

(2)在微波反應(yīng)制備抗吸潮膜的過程中引入了Fe3O4，使月桂酸與焊條表層發(fā)生反應(yīng)形成微波反應(yīng)膜，同時增強了焊條電弧空間的氧化性，使經(jīng)微波處理的焊條熔敷金屬擴散氫降低為未經(jīng)處理焊條的87%；且抗吸潮焊條經(jīng)0～8 h放置，其熔敷金屬擴散氫含量基本無變化。

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Preparation of water-resistant electrode coating with lauric acid by microwave reaction

CHEN Wen-jun1，GUI Chi-bin2，SUN Ji1
(1.College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Water-resistant film of electrode is prepared by microwave reaction.Microwave absorption material Fe3O4 is used to reduce the diffusible hydrogen of weld bead，and promote the reaction of lauric acid and electrode surface.Electrode is immersed to the light petroleum solution of lauric acid and Fe3O4，then the electrode is put into the microwave oven and become water-resistant.The results of FT-IR and SEM microscope show that Fe3O4absorb microwave and lead to the reaction of lauric acid and electrode surface.The diffusible hydrogen of the deposited metal of microwave treated electrode decreased to 87%of the untreated electrode,and it does not vary with the stoving time within 8 h.

absorbing moisture；protecting film；electrode；microwave；lauric acid

TG422.1

A

1001-2303(2011)10-0001-05

2011-03-30；

2011-06-28

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項目(2010A090200034)

陳文君(1983—)，男，湖南株洲人，博士，主要從事船用焊接材料研究。