造渣劑組分對507Mo型藥芯焊絲脫渣及飛濺性能的影響

朱厚國，陳波，吉榮亮，宋昌洪，王禺，劉滿雨

哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060

0 引言

507Mo藥芯焊絲熔敷金屬合金成分符合堆焊焊條D507Mo的合金標(biāo)準(zhǔn)（D507Mo標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 984 EDCr-A2-15），該合金是1Cr13型馬氏體不銹鋼，堆焊層具有空淬特性，堆焊金屬具有較高的中溫硬度、良好的熱穩(wěn)定性和抗沖蝕性，多用于510 ℃以下的中溫高壓截止閥密封面堆焊。因其良好的熱穩(wěn)定性及較高的中溫硬度也應(yīng)用于鋼廠的夾送輥及助卷輥的硬面層堆焊。藥芯焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分可根據(jù)需求靈活、快速地調(diào)整，堆焊效率高，因?yàn)橛性谋Ｗo(hù)，氣保護(hù)藥芯焊絲能夠?qū)崿F(xiàn)全位置堆焊，因此藥芯焊絲比焊條擁有更廣泛的市場。氣保護(hù)藥芯焊絲造渣劑組分靈活多變，造渣劑組分的變化可能會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)脫渣變得困難，飛濺量增加，飛濺顆粒增大，使焊絲焊接操作工藝性變差，本試驗(yàn)的目的是通過改變藥粉中的造渣劑部分藥粉的含量，研究造渣劑組分對507Mo型藥芯焊絲的脫渣及飛濺工藝性能的影響，研制合適的粉料配比，使焊接時(shí)焊縫脫渣更好、飛濺更小，提升該系列氣保護(hù)藥芯焊絲產(chǎn)品的焊接工藝性能。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

507Mo型藥芯焊絲添加的粉末包括兩部分：金屬粉及造渣粉。試驗(yàn)中焊絲的熔敷金屬成分不變，507Mo型藥芯焊絲的熔敷金屬成分見表1；507Mo型藥芯焊絲添加的主要造渣劑包括：金紅石（TiO2）、鎂砂（MgO），硅灰石（CaSiO3），螢石（CaF2），造渣劑成分見表2。

表1 試驗(yàn)焊絲的熔敷金屬成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of deposited metal（wt.%）

表2 造渣劑成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Slagging agent composition（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

保持507Mo型藥芯焊絲藥粉中金屬粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，通過改變造渣粉組分的添加比例，在相同的焊接試驗(yàn)條件下研究造渣粉組分變化對脫渣率及飛濺率的影響。本試驗(yàn)前期已經(jīng)對造渣粉的添加含量進(jìn)行了充分的試驗(yàn)研究，確定了焊絲中各種造渣粉量的適量范圍，因此，試驗(yàn)中分析某一種礦物粉對507Mo型藥芯焊絲焊接時(shí)脫渣率及飛濺率工藝性能的影響時(shí)，為了減少試驗(yàn)次數(shù)及明確試驗(yàn)效果，其他造渣粉料的加入量均在適宜范圍內(nèi)。

試驗(yàn)參數(shù)：采用80% Ar+20% CO2混合氣體進(jìn)行試驗(yàn)，氣體流量18～20 L/min，焊接電流260～300 A，電壓28～30 V。

1.3 分析方法

參照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》進(jìn)行脫渣率和飛濺率的統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)［1］。

1.3.1 脫渣率測量方法

在尺寸400 mm×100 mm×16 mm的兩塊試板對接V形坡口內(nèi)焊接，坡口角度70o±1o，根部不留間隙；采用單道焊，焊道約長200 mm。焊后將焊道朝下置于錘擊平臺(tái)上，焊接完成1 min后，將2 kg鐵球置于1.3 m高的支架上，以初速度為零的自由落體狀態(tài)錘擊試板中心位置，連續(xù)錘擊5次后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求測量數(shù)據(jù)，根據(jù)脫渣率公式計(jì)算脫渣率。

1.3.2 飛濺率測量方法

將尺寸為200 mm×100 mm×20 mm的試板立放在厚度大于3 mm的紫銅板上；在紫銅板上放置一個(gè)約1 mm厚的紫銅薄板，防止飛濺散失，將此薄板圍成高400 mm、周長1 600 mm的圓筒。焊前在試板表面涂上防飛濺液，稱出焊絲質(zhì)量；將飛濺收集裝置放置在水平工作臺(tái)上，焊槍槍頭水平移動(dòng)。在水平位置施焊，收集紫銅板上的飛濺顆粒稱重，同時(shí)測量焊后焊絲質(zhì)量。同一焊接參數(shù)下重復(fù)試驗(yàn)三次。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金紅石加入量對焊絲脫渣率及飛濺率的影響

金紅石在焊絲中的添加比例分別為2%、4%、6%、8%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 金紅石加入量對脫渣及飛濺的影響Fig.1 Effect of rutile addition on deslagging rate and spatter rate

由圖1可知，金紅石加入含量由2%增加到6%時(shí)，隨著金紅石的增多，脫渣率增加，飛濺率減小，焊絲的脫渣率和飛濺率提升到試驗(yàn)的最佳水平。金紅石含量增加時(shí)，強(qiáng)酸性氧化物TiO2與熔池中的堿性氧化物CaO發(fā)生造渣反應(yīng)，復(fù)合鹽CaTiO3的生成量增多，這種鈦酸鹽穩(wěn)定性高，有利于形成短渣，從而使渣殼脫渣性提高［2-4］。當(dāng)金紅石含量繼續(xù)增加至8%時(shí)，金紅石含量過量，導(dǎo)致熔渣熔點(diǎn)升高、渣殼板結(jié)、透氣變差，致使脫渣率下降、飛濺率上升，當(dāng)金紅石含量達(dá)到8%時(shí)，熔渣還會(huì)出現(xiàn)壓鐵液現(xiàn)象，致使焊道出現(xiàn)明顯的凹坑。故507Mo藥芯焊絲金紅石的加入最佳含量在4%～6%，在此范圍內(nèi)的脫渣率為95%～97%，飛濺率為1.0%～1.5%。

2.2 鎂砂加入量對焊絲脫渣率及飛濺率的影響

鎂砂在焊絲中添加比例分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 鎂砂加入量對脫渣及飛濺的影響Fig.2 Effect of magnesia addition on deslagging rate and spatter rate

由圖2可知，鎂砂含量由0.5%增加到1%時(shí)焊絲的脫渣率增加，飛濺率增加；鎂砂含量從1%增加到2%過程中，507Mo藥芯焊絲的脫渣率呈持續(xù)大幅下降趨勢，同時(shí)焊絲的飛濺率隨鎂砂含量的增加而增大；鎂砂含量為1%時(shí)，焊絲的脫渣率最佳，達(dá)到95%以上。繼續(xù)增加鎂砂含量至2.0%，焊絲的脫渣率大幅度降低，呈沾渣狀態(tài)，脫渣率低于60%。鎂砂中主要成分是MgO，屬于堿性氧化物，MgO的熔點(diǎn)高、粘度大，適量的加入可提升藥芯焊絲的全位置焊接性，使焊絲能夠進(jìn)行橫焊及立向上焊接，但同時(shí)也會(huì)增加熔滴和熔渣的表面張力，增大熔滴尺寸，使熔滴呈大顆粒過渡［5-6］，導(dǎo)致焊接電弧穩(wěn)定性下降，飛濺增大。焊絲橫焊焊道如圖3所示，圖3a焊絲中鎂砂含量為0.5%，鐵水有流淌現(xiàn)象；圖3b焊絲中鎂砂含量為1.0%，焊道飽滿、熔渣覆蓋率高，能夠很好地保護(hù)焊道，可以進(jìn)行橫焊；圖3c焊絲中鎂砂含量達(dá)到2.0%，鐵水無流淌現(xiàn)象，熔渣聚集在一起，對焊道覆蓋率低，對焊道保護(hù)差。試驗(yàn)表明，鎂砂在507Mo藥芯焊絲中加入量為0.7%～1.0%時(shí)，可改善焊絲的全位置焊接性，有利于脫渣，對焊絲的飛濺率影響較小。

圖3 鎂砂含量對焊絲橫焊的影響Fig.3 Transverse weld of welding wire with different content of magnesia

2.3 硅灰石加入量對焊絲脫渣及飛濺的影響

硅灰石在焊絲中添加比例分別為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 硅灰石加入量對脫渣及飛濺的影響Fig.4 Effect of wollastonite addition on deslagging rate and spatter rate

由圖4可知，硅灰石含量從1.0%增加到3.0%時(shí)，熔渣的脫渣率明顯增加，飛濺率降低的同時(shí)，飛濺顆粒的粒度也在變?。焕^續(xù)增加硅灰石的含量至4.0%時(shí)，脫渣率及飛濺率變化不明顯。硅灰石中的堿性氧化物CaO在熔池中易電離出O2-，O2-能夠破壞Si—O—Si的離子鍵，使硅酸離子結(jié)構(gòu)變得簡單、尺寸變小，熔滴表面張力降低，熔滴尺寸減小，從而降低焊接飛濺率［7-8］。試驗(yàn)表明，隨著硅灰石含量的增加，熔渣在焊道表面覆蓋更加均勻，但是過量的硅灰石會(huì)使焊道表面出現(xiàn)如圖5所示的壓鐵液現(xiàn)象，因此應(yīng)適當(dāng)控制硅灰石的加入量。硅灰石加入量為3.0%～4.0%時(shí)，焊道表面渣殼能夠全覆蓋，脫渣容易，飛濺率低。

圖5 焊道表面壓鐵液現(xiàn)象Fig.5 Weld bead surface indentation

2.4 螢石加入量對焊絲脫渣及飛濺的影響

螢石在焊絲中添加比例分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 螢石加入量對脫渣及飛濺的影響Fig.6 Effect of fluorite addition on deslagging rate and spatter rate

由圖6可知，螢石在藥芯焊絲中的含量由0.5%增加到1.0%時(shí)，試驗(yàn)焊絲的脫渣率變化較小，持續(xù)增加螢石在焊絲中占比，脫渣率大幅下降，接近80.0%，出現(xiàn)沾渣現(xiàn)象。脫渣性變差是因?yàn)槲炇蠓档土巳墼娜埸c(diǎn)，使熔渣的流動(dòng)性增加。當(dāng)焊絲中螢石含量超過1.0%，螢石對熔渣流動(dòng)性產(chǎn)生明顯的影響，致使焊道兩側(cè)渣殼較厚而中間渣殼薄，薄的渣殼位置對焊道熔敷金屬保護(hù)較差，熔敷金屬表面發(fā)生氧化，金屬表面的氧化物和熔渣中的復(fù)合鹽形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使脫渣變差。隨著螢石在藥芯焊絲中的含量從0.5%增加到2.0%，焊接時(shí)飛濺的顆粒尺寸逐步增大，數(shù)量增加，飛濺率大幅上升。這是因?yàn)槲炇械腃aF2在電離時(shí)產(chǎn)生F-與電弧氣氛中的H+反應(yīng)，形成不溶于鐵液的穩(wěn)定氫氟化物HF，在去氫的同時(shí)，增加了熔滴的爆破力，使焊接飛濺率增加［9-11］。因此在507Mo型焊絲中螢石加入量要控制在0.3%～0.5%，在此范圍內(nèi)對飛濺影響不大，能夠適當(dāng)降低熔渣的熔點(diǎn)，有利于熔渣在金屬表面的鋪展及覆蓋，有利于脫渣。

2.5 507Mo型藥芯焊絲焊道成形及熔敷金屬性能

以4%～6%金紅石、0.7%～1.0%鎂砂、3.0%～4.0%硅灰石、0.3%～0.5%螢石作為主要熔渣組分制作藥芯焊絲，焊絲直徑1.6 mm，采用80% Ar+20% CO2混合氣體進(jìn)行試驗(yàn)，氣體流量18～20 L/min，焊接電壓28 V，焊接電流260 A，試板為16Mn。焊后焊道成形如圖7所示。經(jīng)試驗(yàn)檢測，該焊絲脫渣率為98.6%、飛濺率為0.78%。

圖7 507Mo型藥芯焊絲焊道外觀Fig.7 Weld appearance of 507Mo flux-cored wire

使用該焊絲堆焊硬度件樣式如圖8所示，試板尺寸200 mm×120 mm×16 mm，堆焊5層，堆焊厚度10～13 mm。將堆焊試樣底面的母材進(jìn)行加工，第5層堆焊層沿焊道方向用磨床加工出寬5 mm的平面，該平面與底面平行，在該平面進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，硬度取點(diǎn)位置避開起弧區(qū)和收弧區(qū)，測量5個(gè)點(diǎn)后取平均值。使用HRD-150電動(dòng)洛氏硬度計(jì)測量5個(gè)點(diǎn)硬度后取平均值，焊后及熱處理（550 ℃×6 h、爐冷）后硬度值如表3所示。

圖8 堆焊試樣Fig.8 Surfacing sample

表3 熔敷金屬硬度值Table 3 Surface hardness

堆焊試件經(jīng)著色探傷檢測無裂紋。

3 結(jié)論

（1）507Mo型藥芯焊絲中金紅石含量不超過6%時(shí)，增加金紅石含量能夠改善焊絲的脫渣及飛濺性能；鎂砂能夠改善焊絲的全位置焊接性，鎂砂含量超過1.0%時(shí)焊絲的脫渣變差及飛濺增大；增加硅灰石的含量能夠改善焊絲的脫渣及飛濺性能，但過量的硅灰石會(huì)出現(xiàn)壓鐵液現(xiàn)象；螢石能夠改善熔渣的流動(dòng)性，螢石含量超過1.0%時(shí)，焊接時(shí)藥芯焊絲飛濺率明顯增加。

（2）507Mo型藥芯焊絲中造渣劑添加比例為：金紅石4%～6%、鎂砂0.7-1.0%、硅灰石3.0-4.0%、螢石0.3-0.5%時(shí)，藥芯焊絲的脫渣率為98.6%，飛濺率為0.78%。