免復(fù)烘焙E308-16不銹鋼焊條的研制

李 昊，李 蓮，何 秀，韋性竹

1.四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611700

2.四川輕化工大學(xué)，四川 自貢 643000

0 前言

E308-16型不銹鋼焊條是目前應(yīng)用最普遍、用量最大的焊條之一，藥皮的主要成分為金紅石與硅酸鹽，其工藝性能優(yōu)良，焊接電弧穩(wěn)定，脫渣容易，具有藥皮含水量較低的特點(diǎn)，對焊條在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中防潮性的要求較高，通常使用前須對焊條進(jìn)行300℃左右的復(fù)烘焙，否則焊接時(shí)容易造成電弧不穩(wěn)、飛濺增大，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，尤其是在南方地區(qū)空氣濕度大的條件下，復(fù)烘焙以后放置時(shí)間稍長就會(huì)增加氣孔敏感性，給部分不具備復(fù)烘焙條件或者不愿意復(fù)烘焙的用戶帶來了較多的不便。

氣孔的形成則是由于熔池金屬中的氣體在金屬凝固結(jié)晶前未來得及逸出以致在焊縫金屬中（內(nèi)部或表面）形成了孔洞。不銹鋼焊條焊接時(shí)最常出現(xiàn)的是氫氣孔，這類氣孔的出現(xiàn)與藥皮含水量有較大關(guān)系，解決措施是控制氫的來源和盡可能地將熔池中的氫排出［1］。氫在奧氏體不銹鋼中會(huì)以剩余氫而不是擴(kuò)散氫的形式存在［2］，焊條藥皮中的水分、焊縫結(jié)晶模式、熔滴過渡形式、夾雜物等對奧氏體不銹鋼中的氣孔存在都有一定的影響［3］，焊縫滲硅和熔渣表面張力大也是不銹鋼焊條產(chǎn)生氣孔的原因［4］，通過將鈦鈣型渣系藥皮變?yōu)楦哜佀嵝驮悼梢愿纳坪笚l氣孔敏感性［5］，酸性不銹鋼焊條通過合理的金紅石、硅酸鹽配比可以改善其焊接工藝性能，降低氣孔敏感性［6］。

本研究開發(fā)了E308-16為代表的免復(fù)烘焙酸性不銹鋼焊條，同時(shí)圍繞藥皮組分對電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性、飛濺大小、焊條藥皮抗發(fā)紅性、立焊工藝性等方面的影響進(jìn)行了研究和討論。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1 藥皮主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main components of drug skin（wt.%）

焊接試板為與焊材匹配的304不銹鋼試板，厚度20 mm，長、寬及坡口尺寸根據(jù)不同的對比試驗(yàn)選擇不同尺寸。

1.2 試驗(yàn)方法

兩組焊條采用平角焊縫進(jìn)行氣孔敏感性對比試驗(yàn)；根據(jù)GB/T 25776-2010《焊接材料焊接焊接工藝性能評定方法》［7］對比測試交流電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、全位置焊接性等，對比焊條藥皮抗發(fā)紅、開裂及立角焊工藝性能；按照GB/T 983—2012《不銹鋼焊條》［8］要求對比檢測理化性能。

2 焊條試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊條氣孔敏感性對比試驗(yàn)

不銹鋼焊條產(chǎn)品在生產(chǎn)后通常采用塑料盒封存包裝，儲(chǔ)存、運(yùn)輸時(shí)間較長，期間會(huì)有少量吸潮。為了加速對比試驗(yàn)效果，試制的E308-16焊條在潮濕空氣中加速吸潮后進(jìn)行氣孔敏感性試驗(yàn)，兩組焊條均不進(jìn)行復(fù)烘焙。兩組配方對比試驗(yàn)分別在實(shí)驗(yàn)室少量制備和車間批量生產(chǎn)條件下進(jìn)行對比。

（1）實(shí)驗(yàn)室少量制備。

實(shí)驗(yàn)室制備的兩組焊條放置于水池旁進(jìn)行加速吸潮，連續(xù)吸潮4天，每天各抽取3根焊條進(jìn)行氣孔敏感性對比試驗(yàn)，焊縫氣孔對比情況如圖1所示（5#為配方編號2焊條）。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室制備焊條氣孔敏感性情況，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室制備焊條氣孔敏感性試驗(yàn)Table 2 Porosity sensitivity test of electrodes prepared in laboratory

圖1 實(shí)驗(yàn)室制備焊條的焊縫對比Fig.1 Comparison of welds of electrodes prepared in the laboratory

可以看出，采用配方1焊條在第2天得到的焊縫就出現(xiàn)小氣孔，在第3天、第4天濕度較大的情況下出現(xiàn)了較大的氣孔，甚至部分焊縫出現(xiàn)弧坑裂紋；配方2焊條在連續(xù)吸潮4天，且經(jīng)歷2天濕度較大的吸潮環(huán)境情況下僅在一道焊縫中出現(xiàn)少量針狀小氣孔。配方1焊條出現(xiàn)的弧坑裂紋與焊縫中過多的氫含量密切相關(guān)，氫可以使304L和Cr21Ni6Mn 9不銹鋼出現(xiàn)延性損失［9］；奧氏體不銹鋼焊縫金屬中發(fā)生氫脆，主要是應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變引起的脆性。在不復(fù)烘焙的情況下，配方2焊條較配方1焊條不僅改善了抗氣孔敏感性，裂紋敏感性也有所提高。

（2）車間批量生產(chǎn)。

車間批量生產(chǎn)的兩組焊條放置于水池旁進(jìn)行加速吸潮試驗(yàn)，連續(xù)吸潮5天、6天，分別各抽取4根焊條進(jìn)行氣孔敏感性對比試驗(yàn)，焊縫氣孔對比情況如圖2所示。統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)車間批量生產(chǎn)的焊條氣孔敏感性情況見表3。由圖2、表1可以看出，在空氣濕度較大的環(huán)境中，在同樣吸潮條件下，車間批量生產(chǎn)的配方1焊條的焊縫氣孔較多，配方2焊條的焊縫幾乎不出現(xiàn)氣孔。

圖2 車間批量生產(chǎn)焊條的焊縫對比Fig.2 Comparison of welding seams of batch production welding rods in the workshop

表3 車間批量制備焊條氣孔敏感性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of porosity sensitivity of electrodes prepared in batch in workshop

綜上可知，配方2在配方1的基礎(chǔ)上增加了螢石、大理石和穩(wěn)弧劑含量，并且為了減少藥皮中的水分對金紅石和長石進(jìn)行了脫水處理，這些措施都使得配方2的氣孔敏感性顯著改善。配方2增加了藥皮中氟化物的含量，并與SiO2、TiO2等配合使用，反應(yīng)生成的SiF4和TiF4氣體能排除電弧區(qū)的氫氣，以減少產(chǎn)生氣孔的機(jī)會(huì)，氟化物還能降低因N含量較高而形成的氣孔。但氟化物會(huì)使電弧穩(wěn)定性下降，因而加入量不能過多。除成分設(shè)計(jì)外，配方2的其他控水措施還包括：盡可能采用不含或少含結(jié)晶水和化合水的原材料，同時(shí)對部分原材料采用高溫煅燒去除結(jié)晶水；延長烘焙時(shí)間和提高烘焙溫度；采用吸潮性低的原輔材料，合理搭配粉料顆粒度，使焊條表面更加光滑，減少焊條表面的孔洞。

配方1焊條在經(jīng)過300℃保溫、1～2 h復(fù)烘焙后其氣孔敏感性與配方2焊條相當(dāng)。

2.2 焊接工藝性對比

為了驗(yàn)證焊條工藝性能，按照GB/T 25776-2101《焊接材料焊接焊接工藝性能評定方法》對兩種焊條的交流電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、藥皮發(fā)紅及開裂情況進(jìn)行了對比測試。工藝性試驗(yàn)前，配方1焊條經(jīng)過300℃保溫、1～2 h復(fù)烘焙，配方2焊條不進(jìn)行復(fù)烘焙。

2.2.1 交流電弧穩(wěn)定性對比

試驗(yàn)參數(shù)：試板尺寸300 mm×150 mm×20 mm，AC≈110 A。分別在試板上焊接3根焊條，觀察焊接過程中滅弧及喘息次數(shù)，焊道成形如圖3所示。通過對比觀察，配方1和配方2焊條燃燒穩(wěn)定，均不存在滅弧、喘息，焊縫成形美觀、熔渣覆蓋均勻。

圖3 焊道成形Fig.3 Bead forming

2.2.2 脫渣性對比

試驗(yàn)參數(shù)：試板尺寸400 mm×100 mm×16 mm，坡口角度70°，約2 mm鈍邊，不留根部間隙。直流反接DC≈120A，單道焊，焊道長度和熔化焊條長度比值約為1∶1.3，焊條的剩余長度約為50 mm。

兩塊試板采用對接坡口內(nèi)焊接，焊前點(diǎn)焊固定試板，每種焊條測試兩次，脫渣率對比如圖4所示。

圖4 脫渣率對比Fig.4 Comparison of deslagging rate

兩種配方焊條經(jīng)過輕輕敲擊熔渣全部脫落，脫渣率均達(dá)到了優(yōu)良的100%，仔細(xì)觀察脫渣前狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)配方2脫渣性優(yōu)于配方1，配方1焊渣部分自動(dòng)裂開，配方2焊渣很大部分已經(jīng)自動(dòng)裂開脫落，這種脫渣良好的狀態(tài)，在深坡口焊接時(shí)尤為重要。

2.2.3 再引弧性能對比

焊接參數(shù)：直流反接DC≈110A。

施焊前清除干凈再引弧試板上的氧化皮和銹蝕，確保試板平整光潔，與導(dǎo)線接觸良好，焊條在施焊試板上焊接15 s?；?，?；≈翜y定的時(shí)間間隔后，在再引弧試板上進(jìn)行再引弧，不做敲擊、不破壞套筒，記錄引弧情況。每組時(shí)間間隔測試3根焊條，分別測試30 s、60 s、90 s、120 s四種時(shí)間間隔，對比測試結(jié)果如表4所示。

表4 再引弧性能對比Table 4 Comparison of arc re striking performance

從再引弧對比情況可以看出，兩種配方焊條再引弧性能相當(dāng)，均處于良好水平。

2.2.4 飛濺率對比

焊條飛濺的大小不僅影響施焊、清理效率，還會(huì)影響焊縫外觀質(zhì)量。按照標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，每組測試取3根焊條，分別在3塊試板上施焊，焊前稱量焊條質(zhì)量，焊后稱量焊條頭和飛濺物的質(zhì)量，精確至0.01g。兩種配方焊條飛濺率對比如表5所示。

表5 飛濺率對比Table 5 Comparison of splash rate

由表5可知，兩種配方焊條飛濺率相當(dāng)，都處在小于1.5%的較低水平，在直流焊接時(shí)焊縫中幾乎不會(huì)出現(xiàn)大顆粒飛濺。

2.2.5 焊條藥皮發(fā)紅及開裂比較

焊接參數(shù)：直流反接DC≈120A。

焊條易發(fā)紅開裂的根本原因是焊芯電阻大、升溫高、熱膨脹大，但藥皮的熱膨脹較小，藥皮強(qiáng)度不能滿足藥皮具有必要彈性的要求，導(dǎo)致焊條尾部無法施焊。對比兩種配方焊條抗大電流情況，各取3根焊條進(jìn)行對比焊接，剩余焊條尾部如圖5所示。

圖5 抗大電流焊條對比Fig.5 Comparison of high current resistance electrode

可以看出，兩種焊條后半段雖有輕微藥皮發(fā)紅，但沒有出現(xiàn)焊條尾部藥皮發(fā)紅導(dǎo)致無法焊接甚至藥皮脫落的情況，剩余焊條也保持了較好的藥皮套筒。

2.2.6 立角焊工藝對比

焊接參數(shù)：DC=95 A，DC=105 A。兩種焊條的立焊焊縫成形對比如圖6所示。由圖6可知，兩種焊條焊接工藝性能相當(dāng)，立焊操作性好。熱板焊接時(shí)配方2焊條的熔渣不容易下淌、吹力稍大，大電流焊接浸潤性更好，大電流立焊更有優(yōu)勢，其他工藝表現(xiàn)相當(dāng)。

圖6 立焊焊縫成形Fig.6 Comparison of vertical weld formation

熔滴過渡形式是不銹鋼焊條工藝性的基礎(chǔ)性、決定性因素，對焊接過程中的電弧穩(wěn)定性、熔化效率和焊接飛濺等有較大影響［10］。配方2為降低氣孔敏感性增加了氟化物含量，而氟化物含量的增加會(huì)導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性下降，為此加入含有易電離元素的穩(wěn)弧劑，形成敞開式電弧來提高電弧穩(wěn)定性。通過適當(dāng)增加焊條藥皮中的碳酸鹽可以適當(dāng)增加電弧吹力，改善全位置焊接工藝性。通過在藥皮中加入使熔滴增氧的造渣成分，可降低熔滴的表面張力，細(xì)化熔滴，同時(shí)穩(wěn)弧劑的加入也將起到改變電弧形態(tài)細(xì)化熔滴的作用。這些措施都有利于使焊條形成渣壁過渡的熔滴過渡形態(tài)。

2.3 理化性能對比

按照GB/T 983—2012《不銹鋼焊條》要求進(jìn)行理化性能檢測。試驗(yàn)參數(shù)：DC≈110 A，道間溫度140℃。熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表6、表7所示。

表6 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 6 Chemical composition of deposited metal（wt.%）

表7 熔敷金屬力學(xué)性能Table 7 Mechanical properties of deposited metal

從理化性能指標(biāo)來看，兩種配方焊條理化性能相當(dāng)，強(qiáng)度適中，伸長率較好，化學(xué)成分接近，力學(xué)性能優(yōu)良，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

（1）提高E308-16不銹鋼焊條藥皮中氟化物的含量、適當(dāng)提高碳酸鹽的含量，有利于減少焊接中氣孔的產(chǎn)生。

（2）在焊條配方中加入含水量低的原輔材料，有利于提高焊條抗氣孔敏感性。

（3）焊條配方中加入穩(wěn)弧劑，在焊接氣孔敏感性改善的同時(shí)可兼顧焊接工藝性，在不惡化焊接工藝性的情況下實(shí)現(xiàn)焊條免復(fù)烘焙。