藥皮輔料交互作用對(duì)1Ni9鋼焊條脫渣性的影響

李繼紅，張興璇，劉明志，張 敏

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

0 引 言

與不銹鋼和低溫用鋁合金相比，1Ni9鋼不僅具有合金含量少、價(jià)格低廉、許用應(yīng)力大、熱膨脹率小的優(yōu)點(diǎn)，還具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性和焊接性［1-3］，廣泛應(yīng)用于低溫壓力容器、儲(chǔ)罐（液化天然氣）、風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域［3-5］。但目前應(yīng)用于超低溫（-100～-196℃）工況的設(shè)備或容器在制備過程中所使用的1Ni9鋼焊接材料（例如焊條）依然依賴進(jìn)口，因此，研發(fā)適于1Ni9鋼的專用焊條，對(duì)保證低溫條件下焊接接頭的力學(xué)性能與母材的相匹配，并降低生產(chǎn)成本，無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在新型焊條研制過程中，焊條的工藝性能是評(píng)價(jià)焊條性能的一個(gè)重要方面，而焊條藥皮輔料組分是焊條工藝性能的決定性因素。近年來，國(guó)內(nèi)許多焊接工作者探討了藥皮輔料組分對(duì)焊條工藝性能（例如脫渣性、穩(wěn)弧性、飛濺率等）的影響［6-7］，然而大多數(shù)研究只停留在經(jīng)驗(yàn)性分析層面，且在多種輔料交互作用對(duì)焊條工藝性能影響的研究上仍有欠缺。由于決定焊條工藝性能的藥皮輔料種類較多，而且原材料以及不同輔料間的交互作用都會(huì)對(duì)焊條的工藝性指標(biāo)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，所以焊條工藝性能的多項(xiàng)指標(biāo)要同時(shí)達(dá)到最優(yōu)極為困難。統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SAS因具有計(jì)算簡(jiǎn)單、操作靈活、實(shí)用性強(qiáng)和多角度多元素綜合分析等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用［8］。鑒于此，作者針對(duì)1Ni9鋼的手工電弧焊問題，按照均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了專用焊條藥皮配方，并采用SAS軟件建模，對(duì)影響1Ni9鋼焊條脫渣性的因素及影響規(guī)律實(shí)現(xiàn)了量化分析，為今后1Ni9鋼所用焊條的研制及生產(chǎn)提供理論支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

在傳統(tǒng)低氫型焊條藥皮成分范圍［9］的基礎(chǔ)上，根據(jù)1Ni9鋼焊條在生產(chǎn)和制造中的經(jīng)驗(yàn)，選定了10種焊條藥皮輔料，將它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的自變量X。碳酸鹽、螢石、鋯英砂、錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鈦白粉、金紅石、長(zhǎng)石、云母的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別記為X1～X10。

云母和長(zhǎng)石具有穩(wěn)定電弧、造渣以及改善焊條藥皮壓涂性能的作用，而對(duì)藥皮脫渣性能的影響不大，故以固定其含量（即常數(shù)值）的方式加入焊條藥皮中。藥皮輔料的配方如表1所示。后續(xù)回歸分析中所用的自變量共8個(gè)。

按照均勻設(shè)計(jì)法，依據(jù)藥皮成分范圍確定的試驗(yàn)條件為8因素、17水平；選用均勻設(shè)計(jì)表U17（178），設(shè)計(jì)了17種焊條藥皮配方，具體如表2所示。

表1 藥皮輔料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fraction of coating components（mass） %

表2 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)和各藥皮輔料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Test points of the uniform design and mass fraction of coating components（mass） %

試驗(yàn)焊條焊芯選用鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%的ENiCrMo-3合金，以保證熔敷金屬具有良好的抗腐蝕開裂性能和抗點(diǎn)蝕性能，尤其是在-196℃下仍保持良好的韌性，從而有利于確保獲得低溫性能良好的焊縫金屬。各藥皮輔料經(jīng)混拌均勻后，加入鉀鈉混合水玻璃使其粘接成團(tuán)，經(jīng)壓涂等制作工序后將17組焊條烘干。為防止焊條藥皮開裂或脫落，試驗(yàn)所采用的烘干工藝為：60℃保溫10h→120℃保溫1h→180℃保溫1h→250℃保溫1h→350℃保溫1h。

焊條制備好后進(jìn)行工藝性焊接試驗(yàn)，采用nebula400型逆變焊機(jī)進(jìn)行平板堆焊。參考JB/T 8423-1996《電焊條焊接工藝性能評(píng)定方法》對(duì)所有焊條所形成的焊道的脫渣情況進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)式（1～2）計(jì)算每條焊道的脫渣率D。

式中：l0為焊道的總長(zhǎng)度，mm；l為未脫渣焊道的長(zhǎng)度，mm；l1為完全未脫渣焊道的長(zhǎng)度，mm；l2為嚴(yán)重粘渣焊道的長(zhǎng)度，mm；l3為輕微粘渣焊道的長(zhǎng)度，mm。

每種焊條測(cè)定兩根，取其脫渣率的算術(shù)平均值作為該種焊條脫渣性評(píng)價(jià)指標(biāo)的因變量Y。表3給出了17種焊條的脫渣率結(jié)果（Y值）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回歸方程的建立

由于藥皮各組分對(duì)工藝性能多項(xiàng)指標(biāo)的影響非常復(fù)雜，多呈交互作用，因此采用SAS軟件回歸統(tǒng)計(jì)計(jì)算X對(duì)脫渣性影響的數(shù)學(xué)模型。通過二次回歸分析，利用全部自變量的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)（共44項(xiàng)）即：X1，X2，…，X8，X12，X22，…，X82，X1X2，X1X3，…，X2X3，…，X7X8作為輸入數(shù)據(jù)，并在SAS編程窗口中輸入逐步回歸命令，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸，從而建立了焊條藥皮輔料組分與焊條脫渣性相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，其回歸方程如式（3）所示。

表3 17種焊條脫渣率的測(cè)試結(jié)果Tab.3 Slag detachabilities of 17types of electrode %

該數(shù)學(xué)模型的方差分析如表4所示。從回歸方程可以看出，在所選的全部44個(gè)含有自變量的項(xiàng)中，有10個(gè)項(xiàng)反映出藥皮輔料對(duì)焊條脫渣性具有影響，而且這些影響絕大部分都呈現(xiàn)交互作用的形式。當(dāng)取α＝0.001時(shí)（即極顯著分析），查表得F0.001（9，7）＝10.7＜461.96，這表明回歸統(tǒng)計(jì)是完全可行的。從方差分析表中還可以看出，回歸模型的顯著性概率P 值（Pr＞F）小于0.000 1，十分顯著，說明回歸是十分有效的。由逐步回歸的輸出結(jié)果可以知道回歸方程的決定系數(shù)R-square＝99.78，這同樣說明線性回歸結(jié)果為十分顯著。在輸出的回歸系數(shù)表中，各自變量的顯著性概率P值只有一項(xiàng)大于0.05，其余均小于0.05。所以該回歸方程具有良好的擬合效果，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

表4 數(shù)學(xué)模型的方差分析Tab.4 The variance table for the mathematical model

2.2 螢石含量對(duì)脫渣性的影響

從回歸方程（3）可以看出，X2（螢石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)焊條的脫渣性具有較大影響。在回歸方程中涉及到X2的項(xiàng)有兩項(xiàng)，即＋5.822 64 X2和-0.347 08 X2X8，說明 X2與Y（脫渣性）的關(guān)系是呈非線性的，其對(duì)脫渣性的影響也相對(duì)復(fù)雜。由于螢石在焊條藥皮中的主要作用是為形成玻璃相而提供Ca2＋，螢石含量越多，生成的Ca2＋含量就越多，脫渣率也就越高。此外，螢石在高溫下能與SiO2和TiO2等反應(yīng)生成SiF4和TiF4氣體，這些氣體可以排除電弧區(qū)的氫氣，防止氫溶解于焊縫金屬中，減少產(chǎn)生氣孔的幾率。由于螢石的熔點(diǎn)較低，可以降低熔渣的熔點(diǎn)，使得焊后冷卻過程中焊縫金屬在液態(tài)熔渣的充分保護(hù)之下凝固，亦有利于脫渣。但從另一個(gè)角度看，螢石的主要成分為CaF2，它與電弧區(qū)空腔氣氛中的K＋、Na＋發(fā)生反應(yīng)，從而降低K＋、Na＋的濃度，使電弧穩(wěn)定性下降，對(duì)焊縫成形不利。因此，隨著螢石含量的進(jìn)一步增加，反而會(huì)使脫渣變得困難，所以在配方設(shè)計(jì)中要綜合考慮其作用。

2.3 硅鐵含量對(duì)脫渣性的影響

在回歸方程（3）中，硅鐵含量X5的相關(guān)項(xiàng)系數(shù)為＋1.362 21，且為二次方項(xiàng)，說明硅鐵含量與脫渣率呈正相關(guān)關(guān)系。硅鐵在焊條藥皮中的主要作用是對(duì)焊縫金屬進(jìn)行合金化，以及與錳鐵聯(lián)合脫氧，其脫氧產(chǎn)物MnO和SiO2能夠復(fù)合為硅酸鹽MnOSiO2，而MnOSiO2具有密度小、熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，并且在鋼液中處于液態(tài)，從而易于聚合成大而輕的質(zhì)點(diǎn)浮入熔渣中，既有利于焊后脫渣，也降低了焊縫中的氧含量，使焊縫夾雜物減少，有助于焊縫力學(xué)性能的改善。一般焊條藥皮中所添加的硅鐵中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為75%，而SiO2中的Si-O鍵能較大，因此，當(dāng)硅鐵含量過高時(shí)，SiO2含量就越多，藥皮的熔化溫度進(jìn)一步升高，焊接過程中不利于熔渣對(duì)焊接熔池的良好保護(hù)。此外，SiO2還具有稀釋熔渣的作用，過多的SiO2會(huì)使熔渣過稀，從而使熔渣的覆蓋性變差，不能很好地隔離空氣，這對(duì)焊條的脫渣性不利。

2.4 鈦鐵及鈦白粉含量對(duì)脫渣性的影響

鈦鐵含量X6對(duì)焊條脫渣性的影響較大。根據(jù)回歸方程（3）并分析可知，鈦鐵的加入有利于焊條的脫渣，這是由于鈦鐵與硅鐵類似，在焊條藥皮輔料中起到脫氧劑的作用。而對(duì)于鈦白粉而言，其主要成分為TiO2，在焊接過程中，當(dāng)TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)（小于3%），熔渣渣殼變脆，渣殼內(nèi)氣孔增多，對(duì)于這種疏松的渣殼結(jié)構(gòu)，渣內(nèi)的結(jié)合力比熔渣與焊縫金屬界面的結(jié)合力小，所以在焊后敲擊除渣過程中，沖擊載荷會(huì)使得渣殼自身碎裂，但小塊渣殼與焊縫之間仍不易脫離，造成焊道粘渣［10-12］。同時(shí)，由于TiO2的分解壓力小，因此，它有降低溶解于焊縫金屬中氧含量（FeO）的作用，當(dāng)TiO2含量較少時(shí)，F(xiàn)eO含量相對(duì)較多，其共格地搭建在焊縫金屬α-Fe晶格上，使熔渣與焊縫金屬結(jié)合在一起，出現(xiàn)嚴(yán)重粘渣。另一方面，鈦鐵和鈦白粉存在一定的交互作用（相關(guān)項(xiàng)系數(shù)為-1.444 0），該交互作用不利于焊條的脫渣性。

2.5 碳酸鹽含量對(duì)脫渣性的影響

在低氫堿性焊條中，碳酸鹽作為其主要的藥皮成分，對(duì)焊條的脫渣性起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)回歸方程（3）可知，碳酸鹽和錳鐵之間的交互作用對(duì)焊條脫渣率的影響呈正相關(guān)（相關(guān)項(xiàng)系數(shù)為0.017 42）；而碳酸鹽和鈦白粉之間的交互作用對(duì)焊條脫渣率的影響呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)項(xiàng)系數(shù)-0.092 22）。碳酸鹽的成分主要以大理石和白云石為主，大理石的主要成分為CaCO3，白云石的主要成分為CaCO3和 MgCO3。一方面，CaCO3和MgCO3在高溫時(shí)分解產(chǎn)生CO2氣體，起到排除空氣保護(hù)熔池的作用，生成的CaO作為造渣成分覆蓋在焊縫金屬上，可防止焊縫金屬被氧化；同時(shí)，析出的CO2氣體使電弧氣氛具有氧化性，可以降低焊縫金屬中的氫含量，使焊縫金屬純凈。但隨著大理石含量增加，熔渣的熔點(diǎn)升高，在高溫時(shí)形成的玻璃相黏度增大，這會(huì)對(duì)脫渣性不利；MgCO3雖然提高了熔渣的堿度，不利于獲得成形性較好的焊縫，但可以使熔渣的致密度得到改善，同時(shí)使熔渣的透氣性增加，提高渣的表面張力。在試驗(yàn)的成分范圍內(nèi)，由于碳酸鹽與藥皮中其它組分的交互作用，其含量的增加使得焊條的脫渣性呈緩慢降低的趨勢(shì)。

2.6 錳鐵含量對(duì)脫渣性的影響

從回歸方程（3）可以看出，錳鐵含量（X4）對(duì)焊條脫渣率的影響既有獨(dú)立作用，也有和其它組分的交互作用。X4的二次方項(xiàng)與焊條的脫渣性呈負(fù)相關(guān)，錳鐵與鈦白粉的交互作用對(duì)焊條脫渣率的影響呈正相關(guān)，并且鈦白粉和錳鐵交互作用的影響較錳鐵的獨(dú)立影響稍弱。這主要是因?yàn)樵诘蜌鋲A性焊條中含有較多的堿性氧化物，當(dāng)采用錳鐵參與脫氧時(shí)，生成的MnO亦為堿性氧化物，因此不能與熔渣中的堿性氧化物結(jié)合成為復(fù)合化合物而進(jìn)入熔渣中，從而對(duì)脫渣不利。鈦白粉中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%，且其屬于酸性氧化物，可以和堿性氧化物CaO結(jié)合生成復(fù)合化合物CaO-TiO2，有利于焊條脫渣。

2.7 各藥皮輔料對(duì)脫渣性的影響趨勢(shì)

根據(jù)回歸方程的結(jié)果，回歸出8種焊條藥皮輔料對(duì)焊縫脫渣率的影響，如圖1所示。圖中，在考察某一種材料成分變化對(duì)脫渣率的影響時(shí)，另外7種材料的含量取中間值。

從圖1中可以看出，在試驗(yàn)所確定的成分范圍內(nèi)，碳酸鹽或金紅石的含量越多，對(duì)焊條脫渣性越不利，而后者成分的變化對(duì)脫渣率的影響更為明顯；螢石與鈦白粉對(duì)焊條脫渣性的影響均呈非單調(diào)關(guān)系，隨著螢石或鈦白粉含量增加，焊條的脫渣率呈先增后降的趨勢(shì)；鋯英砂對(duì)焊條的脫渣率基本無(wú)影響；錳鐵含量較低時(shí)，其含量的增加對(duì)焊條脫渣性的影響不明顯，但隨著錳鐵含量進(jìn)一步增加，呈現(xiàn)出對(duì)焊條脫渣性不利的影響；硅鐵、鈦鐵的含量越多，對(duì)焊條的脫渣率越有利。圖1雖然是在單因素變化的條件下繪制的，但是通過回歸方程的測(cè)算，總體上說明了藥皮輔料在其成分范圍內(nèi)對(duì)焊條脫渣率的影響趨勢(shì)，對(duì)今后1Ni9鋼焊條的試驗(yàn)與生產(chǎn)可起到了一定的借鑒作用。

圖1 藥皮輔料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)1Ni9鋼焊條脫渣率的影響Fig.1 Effects of mass-fraction of coating components on slag detachability of 1Ni9 steel electrodes

3 結(jié) 論

（1）通過均勻設(shè)計(jì)和SAS軟件回歸分析，得到了藥皮輔料各組分對(duì)1Ni9鋼焊條脫渣率影響的回歸方程以及影響規(guī)律。

（2）在試驗(yàn)所確定的成分范圍內(nèi)，大多數(shù)藥皮輔料對(duì)焊條脫渣性的影響以交互作用的形式表現(xiàn)出來；增加硅鐵、鈦鐵的含量對(duì)改善焊條的脫渣率有利；碳酸鹽或金紅石含量越多，越不利于焊后脫渣；隨著螢石或鈦白粉含量增加，焊條的脫渣率呈先增后降的趨勢(shì)；其它組分對(duì)焊條脫渣性無(wú)明顯影響。

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