不锈钢自保护药芯焊丝脱渣性研究

研究药芯焊丝焊接操作技术要点20世纪50年代末、60年代初美国已开始使用药芯焊丝，并被广泛地用于重型机械、建筑机械、桥梁、石油、化工、核电站设备、大型发电设备及采油平台等制造业中，并取得了很好的效果。

近年来，随着社会经济的不断发展，我国生产药芯焊丝的技术和质量得到了不断提高，应用范围也不断地扩大，以船舶制造和海洋结构行业使用药芯焊丝量为最大。

药芯焊丝是继焊条电弧焊和实芯焊丝CO2气体保护焊的又一个被广泛应用的焊接方法。

药芯焊丝的单面焊双面成形操作技术，近年来被世界技能大赛、国内各类技能大赛列为竞赛的考核项目之一，它是电弧焊难度较大的一种操作技术。

尽快地掌握单面焊双面成形技术的操作要领和技巧，这也是每个参加技能考试、技能竞赛的指导教师及学生十分关心的问题。

2.药芯焊丝电弧焊的特点及应用药芯焊丝也称为管状焊丝，是利用薄钢板卷成圆形钢管或异形钢管，或用无缝钢管，在管中填满一定成分的药粉，经拉制而成的焊丝。

可通过调整药芯添加物的种类和比例，很方便地设计各种不同用途的焊接材料，因为它的合金成分可灵活方便的调整，所以药芯焊丝的许多品种是实芯焊丝无法冶炼和轧制的。

2.1特点药芯焊丝电弧焊与气体保护焊非常相似，差别在药芯焊丝采用的是管状焊丝，其中装有粒状的焊剂。

药芯焊丝是很有发展前途的新型焊接材料，与实芯焊丝相比药芯焊丝有如下优缺点。

2.1.1优点：⑴采用气渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少易脱渣、焊道成形美观。

⑵焊丝熔敷速度快，熔敷效率（大约为85%～90%）和生产效率都较高（比焊条电弧焊高3～5倍）。

⑶焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例可提供要求的焊缝金属化学成分。

2.1.2缺点：⑴焊丝制造过程复杂。

⑵烟雾大，焊接时烟雾较实芯焊丝大。

⑶焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此对焊丝的保存-管理的要求更为严格。

⑷焊渣多，较实芯焊丝CO2气体保护焊多，故多层焊时要注意清渣、防止产生夹渣缺陷。

熔渣成分对气保护不锈钢药芯焊丝脱渣性影响的研究_30材料工程/2003年1期熔渣成分对气保护不锈钢药芯焊丝脱渣性影响的研究StudyonEffectsofCompositionandMicrostructure ofSlagontheSlagDetachabilityofGas—shielded FluxCoredWireforStainlessSteel栗卓新,蒋建敏,魏琪(北京工业大学,北京100022)LIZhuo—xin,JIANGJian—min,WEIQi (BeijingPolytechnicUniversity,Beijing100022,China)摘要:用EDAX和SEM研究了熔渣成分和显微组织对气保护不锈钢药芯脱渣性的影响,结果表明,熔渣中金红石与石英的比例对熔渣的微观组织结构有较大影响.当TiO./si0.约为6.0,脱渣性最好.当TiO/si0在1.6～3.2区间变化时,脱渣性最差.同时确定了TiO一SiO一MnO渣系的气保护不锈药芯焊丝的最佳脱渣区.关键词:不锈钢;药芯焊丝;脱渣性中图分类号:TG444.72文献标识码:A文章编号:1001—4381(2003)01—0030—04Abstract:Effectsofcompositionandmicrostractureoftheslagontheslagdetach abilityofgas—shieledflux—coredwireforstainlesssteelwerestudiedbymeansofEDAXand SEM.TheresultsshowthattheratioofTiO2/SiO2hasanobviouseffectontheslagmicrostructure. ThedetachabilityisexcellentwhenTiO2/SiO2is6.0,ItistheworstwhenTiO2/SiO2isbetween1.6～3.2.Finally, theoptimumzoneofslagdetachabilityofgasshieldedflux—coredwireforstain lesssteelinTiO2一SiO2-MnOslagsystemiSdetermined.Keywords:stainlesssteel;gas—shieldedflux—coredwire;slagdetachability 气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊是高效低成本自动化的不锈钢结构制造技术.在发达国家,已占焊材的30以上,有近50的不锈钢设备是采用气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊制造的.根据不锈钢焊接的特点及应用场合,脱渣性,飞溅及焊缝成型是重要的工艺性能指标.不锈钢药芯焊丝由于其含铬量高,易在熔渣中形成CrO.等尖晶石氧化物,因此脱渣困难.而脱渣性好坏直接影响焊缝质量,焊接生产率及焊工劳动强度.目前国内外很少进行气保护不锈钢药芯焊丝工艺性能理论的研究,尚未见到文献报道.在外界条件一定时,物质的性质取决于物质的内部构造.这种构造就是组成物质的粒子种类和分量,以及它们在运动中的排列方式,即物质的成分及组织结构.因此,可以说熔渣的脱渣性是由熔渣的化学成分及微观组织结构决定的.不同渣系的熔渣具有不同的微观组织结构;同一渣系的熔渣,其化学成分发生变化,微观组织结构也发生变化.在大量的工艺试验的基础上发现,药芯中金红石与石英的比例对熔渣的微观组织结构影响较大.因此,本工作在酸性渣系内选择了四种具有代表性的熔渣.采用扫描电镜,研究了熔渣化学成分,熔渣微观组织结构对脱渣性的影响.确定了TiO一SiO一MnO渣系的气保护不锈钢药芯焊丝的最佳脱渣区.1试验方法及试验条件药芯焊丝的脱渣性试验采用平板堆焊及45.V规定评定脱渣性.钢球重3000g,以初速度为零的自由落体状态锤向试板背面,平板堆焊时焊后停留1min后锤击,试验架高度500mm.坡口内焊接时,试验架高度调至1000mm,堆焊后立即用钢球砸击焊道背面,第一层时砸5次,第二层以后砸3次.本研究在酸性渣系内选择了四种具有代表性的熔渣.焊后收集熔渣,用EDAx分析熔渣化学成分,用SEM观察熔渣形貌,研究熔渣化学成分,熔渣微观组织结构及其与脱渣性的关系.2试验结果四种熔渣表面的EDAX成分分析结果见表1,相应的熔渣内表面(邻焊缝面)SEM微观形貌见图1.表2是四种熔渣内表面各相EDAX成分分析结果.四种熔渣内表面各相的显微组织特征及其脱渣率见表3.从表1熔渣化学成分分析结果可以看出:四种焊丝熔熔渣成分对气保护不锈钢药芯焊丝脱渣性影响的研究31 渣内表面化学成分相差较大,其中变化最明显的是TiO及SiO:.从1到4内表面的SiO:量逐渐增加,而TiO量逐渐减少;四种熔渣外表面的化学成分极为接近,均是由MnO为主的氧化物构成.比较内外表面化学成分,差别最大的是MnO,TiO.,siO及CrO..外表面的MnO,SiO含量明显高于内表面,而内表面TiO:,cr:().含量明显高于外表面.从表2可以看出,熔渣内表面的白色第二相与黑色基体相的成分比较接近,主要成分均是TiO一SiO.一MnO—Cr:O.. 由表3可以看出,TiO:/SiO:比例对熔渣内表面的显微组织结构及脱渣性影响较大1.,4.脱渣性好.3分析与讨论3.1熔渣化学成分对熔渣微观组织结构特征的影响由表1可知熔渣内外表面化学成分差别大,其原因一方面是由于脱氧产物的密度小于液态焊缝金属的密度,所以氧化物在液态金属及液态熔渣中上浮.细小球状液态或固态质点在互不相溶的第二液相介质中上浮的速度,遵守斯托克斯定律,可用下式表示:V一吾×号r.()式中:g为重力加速度;为液体的粘度;,为液体,脱氧产物的密度;r为脱氧产物的半径.脱氧产物密度的减小及半径的增大均有利于脱氧产物的上浮.MnO及TiO:.的密度小于SiO:.MnO及SiO:在液态时可聚合为尺寸较大的质点,因此有利于MnO及SiO:上浮.另一方面,液态熔渣与正在结晶的焊缝金属表面还要继续进行反应,反应产物则表1熔渣内表面(邻焊缝面)及外表面的EDAX成分分析结果(质量分数,)Fable1CompositionofinnerandoutersurfaceofmeltingslagbyEDAX(massfr action,)TiO2SiO2MnOCr203ZrO2NaO2AI203K2()CaOBi2()3MgOFeO1内表面49.068.25】6.45】3.343.】74.324.020.70O.4】0.O2O.O】0.492内表面38.4112.4216.5216.304.255.384.560.920.37O.O90.02O.57 3内表面3O.O318.5317.3215.215.O26.425.900.550.310.130.04O.31 4内表面24.412O.8818.1917.635.486.125.040.850.240.160.060.72 1外表面18.9916.363O.3610.482.255.405.640.261.04O.OO4.145.08 2外表面17.1617.423O.8810.172.455.495.340.360.59O.OO3.164.98 3外表面17.4920.3731.429.983.786.025.920.290.76O.OO3.174.78 4外表面l6.6O22.2730.838.134.646.004.590.090.160.O02.024.09图1熔渣的SEM微观形貌(a)1内表面;(b)2内表面;(c)3内表面;(d)4内表面Fig.1MicrostructureofslagbySEM(a)1innersurface:(b)2innersurface;(c)3innersurface;(d)4innersurface是在金属表面及熔渣内表面间形成氧化膜,直到熔渣凝固为止.如果焊缝中存在对氧具有较大亲合力的合金元素,由于其选择性的氧化作用,所形成的中间层就是这些元素的氧化物,因此使得表1中熔渣内表面的CrO.含量明显高于熔渣外表面.从图la,b,C,d可以看出:四种熔渣内表面微观组织结构相差较大.因此熔渣化学成分对熔渣微观组织结构的影响较大.同时可以看出,熔渣内表面的微观组织形貌具有不均匀性.每种渣的内表面均是由三种相组成,即黑色基体相,白色第二相及白色球状相.其中白色第二相的数量最多,它组织结构的变化使熔渣的微观形貌产生变化.由表2可见,熔渣内表面的白色第二相与黑色基体相的成分比较接近,主要成分均是TiO:一SiO:一MnO—CrO..2,3.,4熔渣内表面的第二相分两种结构,两种结构中TiO及SiO相对含量发生变化. 白色球状相主要成分均为FeO.由表3可见,2熔渣内表面,TiO/siO约为3.1,TiO相对含量下降,而SiO含量增加,熔渣内表面第二相由两种组织构成,一种为树枝状组织,另■32材料工程/2003年1期一种为石花状组织l_2].3熔渣内表面TiO./siO:约为1.6,第二相为白色羽毛状组织及孤岛状组织组成,羽毛状组织细小,数量多,密度大,而孤岛状组织尺寸大,数量少.前者TiO:与siO:比例与基体相当,后者TiO.与SiO:比例下降至接近1.4,白色球状相数量相对较多,尺寸较大.4熔渣内表面TiO./SiO:约为1.2,熔渣第二相为连续的网络玻璃状组织,占第二相中较大的数量,网络分割的部位则为石花状组织. 白色球状相尺寸较大,数量较多.可以看到随TiO.比例的下降,第二相中粗大的棒束状组织逐渐细化成较小的树枝状组织,进而变成更细小的羽毛状组织;随siO比例的增加,第二相中细小的石花状组织逐渐变成尺寸较大的孤岛状组织,进而变成连续的网络状玻璃相组织.综上所述,熔渣的化学成分对熔渣的显微组织结构有较大的影响,在本研究的气保护不锈钢药芯焊丝的酸性渣系内,熔渣中TiO与SiO相对含量对熔渣的微观组织结构影响最大口].表2熔渣内表面各相化学成分(质量分数,)Table2Phasecompositionsintheinnersurfaceoftheslag(massfraction,%) TiO2siO2Mn0Cr2O3Zr02NaO2AI2O3K20CaOBi2o3MgOFeO1黑色基底相5O.987.5913.9714.424.O84.184.170.120.45O.O2O.000.02 白色第二相49.O28.1212.0714.534.544.973.920.070.480.00O.O20.00白色球状相10.000.470.007.591.433.172.070.000.000.000.0075.32黑色基底相40.3211.3215.784.3O5.526.734.920.700.310.04O.O50.28 白色树枝第二相39.4711.5817.4115.424.375.624.870.340.470.06O.000.39白色石花第二相2O.1819.7216.3016.015.926.094.360.450.490.05O.O10.42白色球状相10.820.120.008.181.542.980.980.000.000.000.0075.33黑色基底相31.4716.5218.6414.215.976.046.070.430.380.09O.000.17白色羽毛第二相28.9618.5619.0314.886.475.875.170.600.200.140.040.18白色岛状第二相29.982O.7217.513.983.986.625.250.530.300.170.010.12白色球状相8.210.420.009.872.044.O20.820.000.000.000.0074.54黑色基底相25.7324.9618.989.219.O27.014.010.740.250.090.000.01 白色网络第二相24.8822.8918.218.989.998.O95.860.680.230.160.000.03白色石花第二相26.432O.1717.658.628.898.634.940.690.310.040.010.01白色球状相11.530.380.009.120.082.091.240.000.000.000.0073.7表3四种熔渣内表面各相的显微组织特征Table3Characteristicofmicrostructureininnersurfaceoffourtypesofslag组织特征TiO2/SiO2主要组成物脱渣率%白色第二相白色球状相16l1粗大长棒束晶体尺寸较小数量较少TiO2一CrzO3一MnO—SiO2100TiO2一MnO—Cr203一SiO223.1{1粗大树枝+石花状晶体尺寸较小数量较少85.8TiO2一SiOz—MnO—CrzO3TiOz—MnO—SiOz—CrzO331.6{1细小羽毛+孤岛状晶体尺寸较大数量较多64.4TiO z—SiOz—MnO—CrzO3TiOz—SiOz—MnO—CrzO341.2l1连续网状玻璃相尺寸较大数量较多99.0TiO2一SiO2一MnO—Cr2O33.2熔渣化学成分和微观结构对脱渣性的影响熔渣脱渣性的本质就是熔渣质点内部结合力及熔渣与焊缝金属间结合力的综合体现.凡是减弱熔渣与金属间结合力及增强熔渣质点内部结合力的因素均会改善脱渣性.TiO:含量高的酸性渣趋向于形成棒束状及树枝状晶体组织,而siO:含量高的渣趋向于形成非晶体玻璃状组织.在钛型酸性渣系中,随着含钛量增加,熔渣中钛酸盐的含量也随着增加,且钛酸盐以FeTiO和crTiO等形式存在n].当熔渣中钛量较高时,熔渣的微观组织呈方向性较强的棒束状,见图1a.这种粗大的较长的棒束状组织的结晶方向垂直于等温线,而沿焊接方向并呈一定角度指向焊缝中心,因此增加了固态熔渣的纵向结合力,增加了熔渣质点间纵向内聚熔渣成分对气保护不锈钢药芯焊丝脱渣性影响的研究33 力,使熔渣整体脱离焊缝金属.同时由于晶粒粗大,增大了熔渣组织的不均匀性,从而使熔渣在结晶过程中产生较大的内应力而使熔渣产生横向裂纹,使熔渣成段脱落,轻碰即可脱离焊缝金属,脱渣性极佳.随着熔渣中TiO含量的减少,SiO含量的增加,由于SiO.趋向于形成玻璃状非晶体组织,打乱了TiO棒束状组织的方向性,并使粗大组织细化成较小的树枝状晶体,进一步细化成细小的羽毛状组织,同时由于SiO.量还不足以形成连续的网络玻璃状组织,从而形成了图1b的树枝状晶体组织和石花状组织及图1c的羽毛状组织和孤岛状组织.由于这些细小组织交叉分布,方向性差,熔渣内部结合力较弱,焊后渣壳自身先破碎,部分渣在冷却过程先蹦离焊道, 另一部分渣则粘在焊道上,造成严重的粘渣.因此这一成分范围的熔渣脱渣性极差.随着熔渣中TiO.量继续下降,SiO.含量继续增加,直到SiO.含量足够多以形成连续的网状玻璃相组织,如图1d,这时熔渣整体性强,内部结合力较大, 渣壳密实,熔渣整体脱离焊缝金属,脱渣性较好.分析表3中熔渣内表面白色球状相对脱渣率的影响可以认为]:白色球状相的主要成分是FeO,而FeO造成粘渣则主要是因为FeO的品格结构为体心立方晶格,FeO搭建在焊缝金属中的a—Fe立方晶格上,从而使熔渣牢固地粘在焊缝表面上造成粘渣.综上所述,当熔渣内表面TiO./SiO.约为6.0时,熔渣内表面第二相为粗大的棒束状组织,熔渣的脱渣性最好,脱渣率达100.焊接工艺试验中发现,这种成分熔渣焊后渣壳整体脱落,并伴有横向裂纹, 一碰即脱.TiO./SiO:在一定范围内变化,熔渣微观组织均为粗大的棒束状,脱渣性好,当TiO:/SiO约为3.1时,熔渣内表面第二相为树枝状晶和石花状晶双相组织,脱渣性不好,熔渣不能整体脱落,有部分微小粘渣.当TiO:/SiO约为1.6时,熔渣内表面第二相为细小羽毛状晶和孤岛状晶双相组织,脱渣性最差,当TiO/SiO:约为1.2时,熔渣内表面为连续的网络状玻璃状组织,熔渣整体脱落,脱渣性好,脱渣率达999/6.四种熔渣的白色球状相对脱渣率的影响无规律性.1熔渣与2熔渣的白色球状相均为尺寸较小,数量较少,但两者脱渣率有差别;3熔渣与4熔渣的白色球状相均是尺寸较大,数量较多,但两者的脱渣率却差别较大.熔渣质点间结合力足够大,以使熔渣能整体或成段脱离焊缝金属是脱渣性优良的关键,否则,熔渣自身先破碎,产生蹦渣,从而造成粘渣,使熔渣的脱渣性恶化,白色球状相对脱渣性的影响要视熔渣整体结构而定,熔渣整体性强内聚力大, 白色球状相对脱渣性影响不大,反之熔渣整体性差则白色球状相对脱渣不利,产生粘渣.4结论(1)熔渣内外表面化学成分差别大,其原因一方面是由于脱氧产物的密度小于液态焊缝金属的密度, 氧化物在液态金属及液态熔渣中上浮;另一方面是由于焊缝中存在对氧具有较大亲合力的合金元素,发生选择性的氧化作用,在金属表面及熔渣内表面间形成氧化膜.(2)熔渣化学成分对熔渣的外表面微观组织形貌影响不大,熔渣的外表面均为等轴状晶体;而对熔渣内表面微观组织结构影响较大.熔渣内表面的微观组织形貌具有不均匀性.每种渣的内表面均是由三种相组成,即黑色基体相,白色第二相及白色球状相. (3)TiO./SiO.比值是通过影响熔渣微观组织结构而影响脱渣性的.TiO./SiO.从6.0下降到1.2,熔渣内表面的显微组织结构发生较大的变化.当TiO./ SiO.约为6.0,熔渣内表面第二相为具有较强方向性的粗大的树枝状组织,密度大,数量多,而白色球状相则尺寸小,脱渣性最好.而当TiO/Si0从1.6到3.2变化时时,熔渣为细小,交错,不连续的羽毛晶,针状晶及孤岛状组织,熔渣内部质点问结合力弱,整体性差,脱渣性差.当TiO./SiO.约为1.2时,熔渣内表面为连续的网络状玻璃状组织,熔渣整体脱落,脱渣性好,脱渣率达99.参考文献[1]孟庆森,钛铁矿焊条脱渣性改善的研究[J],焊接,1993(7):2—5.[2]PokhodayaI.K.Theinteractionofmoltenslagwithweldpool metalandthepeculiaritiesoftheslagcrustadhesionmechanism[A].In:weldpoolchemicalmetallurgyandmeta[C].London: BritishWeldingSociety.1980133—39.[3]LiZhuoxin.Studyoneffectsofphysicalandchemicalproperties ofmeltingslagondetachabilityofSSFCE(Chinese)[J].Journal ofMechanicalEngineering.1996,9,(3):254 (260)[4]MasaharuKumagai,eta1.Fundamentalstudiesonslagadher—encetosubmergedarcweldment[J].TransofJwS.1986,17(2):7—11.[5]LiZhuoxin.Studyonslagdetachabilityandstickslagmechanism ofSSFCE[J].TransactionsofTianjinUniversity,1997(1):79—84.基金项目:北京市优秀人才项目(1090301—02);北京市自然科学基金(2022006)资助项目收稿日期:2002—09—13;修改日期:2002—11-O1作者简介:栗卓新(1963一),男,博士,北京工业大学材料学院副教授. 研究方向:高效,低成本,自动化的焊接技术..承担并完成国家及省部级十多项科研课题,发表论文四十多篇,联系地址:北京工业大学材料学院(100022).。

不锈钢管道药芯焊丝钨极氩弧焊焊接工艺摘要：对于THY－A316L（W）不锈钢管道背面免充氩自保护钨极氩弧焊药芯焊丝进行了很多的实验，特别是对于焊接工艺这一方面，实验中特别关注了在熔敷金属上它的力学特性。

通过大量的实验数据得出，在这种焊接工艺之下，所形成的的焊缝品质极好特别是它的脱渣性极为出色、造成的焊接飞溅极少，并且在焊接之后，其管道的背面并没有出现氧化，所以这种焊接方式适应于各个位置及不同部分的工作。

关键词：背面免充氩自保护；钨极氩弧焊；不锈钢药芯焊丝1、概述在对于不锈钢管的焊接工作当中，因为管子的粗细原因导致焊接工作无法从内外进行，因此大部分使用的方法就是以手工的方式进行钨极氩弧焊接不锈钢管的实体部分，用盖面的工艺对焊条的电弧焊进行填充工作。

在进行这项工作的过程中，需要对管道内部充加氩气，以此来进行保护。

特别是对于三通位置和所处的弯头位置的时候，应该进行的保护措施应该更加的繁琐，否则将导致焊接处的背面产生强烈的氧化。

根据这种工艺，研制开发一种THY—A316L（W）不锈钢管道背面免充氩钨极氩弧焊药芯焊丝。

这种焊丝的特点极为显著，不进了一事焊接部分的背面得到全面的保护，这种焊丝不仅大大的提高了工作效率，更使成本费用得到很显著的降低。

2、工艺的优点概括这种焊接工艺的存在是极为重要的，它可以运用的方面也是极为广泛的，它既能满足在不充氩气的情况下【1】，焊接面不会产生氧化作用，还能满足不同部分的的焊接工作，并且对于焊接工作其他方面的要求也十分的达标。

3、焊丝的配成设计此篇文章进行了许多的实验论证，最终将THY—A316L（W）药芯焊丝的渣系确定了下来，它是属于TiO 2 -氟化物-SiO 2 的渣系，通过对THY－A316L（W）药芯焊丝的性能调整优化来调整配方的成分，这些优化的方面包括烟雾的大小，、飞溅情况、进行全方位焊接的能力【2】、以及是否会发生氧化现象。

首先对于金红石等成分进行相关的改变，让破口在焊接的过程中，使熔渣进行完全的覆盖，而且渣壳的厚度也要达到均匀的程度，还要使焊缝的覆盖达到标准要求。

第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):010-014 2 0 18 年 2 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION Feb r u ar y2018熔渣成分和微观结构对自保护药芯焊丝脱渣性的影响张敏，舒绍燕，芦晓康，李继红(西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048)摘要：采用SEM，XRD对X80管线钢用碱性自保护药芯焊丝的焊后熔渣进行了分析，研究了熔渣化学成分、熔渣 微观组织结构对脱渣性的影响.结果表明，B a〇，T〇2的复合相在熔渣中占有较大比重，在造渣及脱渣中起着重要 作用；随着熔渣中TO:含量的增加，CaO，SO:含量的减少，熔渣的微观组织结构由小颗粒状逐渐转变为非等轴的针 状、棒束状、小块儿状，熔渣的方向性变强，内部结合力增大，同时，能形成尖晶石的自由氧化物减少，熔渣与焊缝金 属之间的结合力降低，粘渣变少，脱渣性变好;当熔渣中TOO/CaO比值达到4 ~6,同时将SOO/CaO比值控制在1 ~ 2时，能获得较好的脱渣性.关键词：自保护药芯焊丝；脱渣性；微观结构；尖晶石中图分类号：TG422.3 文献标识码：A doi：10.12073/j.hixb.20183800310序 言随着国内外焊接自动化的普及，导致焊条在焊 材中的占比逐年下降，药芯焊丝的比例持续增长.药芯焊丝可用于碳钢、低合金结构钢、耐热钢、高张 力钢、高强度淬火回火钢、不锈钢以及硬面耐磨钢材 等的焊接，是很有发展前途的新型焊接材料.自保 护药芯焊丝是一种新型的药芯焊丝的，通过在药芯 中添加造渣、造气、脱氧、脱氮等物质，在没有外加保 护气体的条件下焊接形成质量良好的焊接接头，具 有抗风能力强，焊接操作方便，焊接生产率高，成本 低的优点，特别适用于大型构件的现场补焊和野外 施焊等工程场合，目前在油气管线现场安装也有较 大的市场需求[1-2].根据管线钢焊接的特点及应用 场合，脱渣性、飞溅及焊缝成形是重要的工艺性能指 标.脱渣性好坏直接影响焊缝质量、焊接生产率及 焊工劳动强度，但目前国内外对自保护药芯焊丝脱 渣性理论的研究还较少%3<4].熔渣的脱渣性是由熔 渣的化学成分及微观组织结构决定的.不同渣系的 熔渣具有不同的微观组织结构；同一渣系的熔渣，其 化学成分发生变化，微观组织结构也将发生变化[5-7].因此，试验研制出4组X80管线钢用碱性渣系 自保护药芯焊丝，对焊后熔渣进行分析，研究了熔渣 学成 、熔 组织 性的 .收稿日期！2016 -06-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（51274162);陕西省协同创 新计划项目（2015X T-39)#西安市科技计划项目(C X Y1509(6))1试验方法!1渣系的选择自保护药芯焊丝并不是利用简单的机械隔离空 气的方法来保护焊缝金属，主要通过在药芯中加入 造渣、造气、脱氧、脱氮的矿物粉，来保证焊缝的成形 性及力学性能.自保护药芯焊丝渣系按碱度可以分为 钛型渣系、钛钙型渣系、钙型渣系.一般来说，钛型渣 系药芯焊丝具有脱渣性好、电弧稳定、飞溅小等优点，但焊缝的抗裂性及韧性差;与此相反，钙型渣系药芯 焊丝具有良好的塑性和低温冲击性能，但焊接工艺性 较差;钛锦型渣系药芯焊丝介于以上两者之间[8_10].管线钢对焊接接头的强度和冲击性能都有较高的要 求，因此，试验选择以氟化钡为主的钛钙型渣系，研制 出4组碱性自保护药芯焊丝进行焊搂试验.!2试验方法研究采用平板堆焊试验，试验用钢材为国内某 钢厂提供的X80管线钢，尺寸为500 m m x155 mm x18腿，主要化学成分如表1所示.采用日本 P a n aso n ic纵缝自动焊机焊接，焊前用丙酮处理试板 表面油污.焊后采用落球锤击试验评定药芯焊丝的 脱渣性.钢球重3 000 q以初速度为0的自由落体 状态锤向试板背面，焊后停留1m i后锤击，试验架 高度500 mm.试验研制了 4组碱性药芯焊丝，每组 焊丝进行三次焊接，分别计算出脱渣率，求其平均值 作为本组焊丝的脱渣率.焊后收集熔渣，用SE M观 察熔渣形貌，E D S分析熔渣化学成分，X R D对熔渣 进 物相 ，熔 学成 、熔 组织结构及其与脱渣性的关系.第#期 张敏，等：熔渣成分和微观结构对自保护药芯焊丝脱渣性的影响11表1X 80管线钢的化学成分（质量分数，％) Table 1Chemical compositions of X80 pipeline steelc Si Mn Ni Nb Mo V B Ti CupS0.060.241.570.140.040.290.0050.000 30.0130.010.0110.0022试验结果与讨论2.1焊丝脱渣性1a 〜1d 依次为1号〜4号焊丝焊后焊缝熔 情况，表2是4 焊丝焊后焊.(d ) 4号焊丝图1焊缝熔渣覆盖情况Fig. 1 Slag coverage of weld从图1中明显看出，1号和2号焊丝熔渣有严 重的团聚现象，铺展的极不 ，尤其 1号熔渣大约只了焊道的，现，1号熔渣焊 附 ， ，要用小铁锤敲打和刷清理，才 完全去掉， 性.3号、4号焊丝熔地覆满焊道，尤其4号熔渣，在冷过程中， 出现裂纹，熔渣成剥落，焊平整，无严重，性优异.表2焊缝脱渣率Table 2Slag detachability of weld焊丝型号'(%)1号63.32号71.13号86.54号95.32.2熔渣化学成分和微观组织结构特征了 性的主要 ，采用扫描电了4组焊丝焊后熔渣的内表面 形貌，并熔 表面进行了 EDS 成，见表3,2.2a 〜2d 依次为1号〜4号焊丝试样的熔渣 表面形貌.1号焊丝熔表面与另三组焊丝熔较大差异，1号表面着一层致密的黑色氧化物，透过这层氧化物，不到熔 由 状的黑白两相组成，密排.2号、3号、4号中黑白两相组织 较大的变化，2号中开始出现薄片状、针状等多构的组织，3号渣中的黑色相基本 晶 状，4号渣中黑色相由棒状变状，按一定方向排列，白色相则 状或团絮状散 黑色相缝隙中.结合表2中组焊丝的 ，可以看出熔渣组织的变焊丝的性有较大的.表3EDS 成分分析结果Table 3 Results of EDS compositions analysis焊号c 0F Na Mg A1Si ca Ti Mn Fe Zr ce Ba 1号 1.2457.58 3.7 1.27 4.4 5.168.28 5.01 3.45 2.710.55 1.170.59 4.892号1.454.0212.320.97.76 5.1 5.49 2.983.420.46— 1.11— 5.043号 2.0652.8512.070.7 6.23 6.45 3.19 1.215.310.820.39 2.870.87 4.984号—45.221.891.813.661.852.171.9813.521.22—0.390.995.3212焊接学报第39卷(b)2号焊丝(c)3号焊丝(d)4号焊丝图2熔渣内表面微观组织形貌Fig. 2 Microstructure of inner surface of slag表3熔 表面EDS成 ，4焊丝熔渣的内表面化学成 较大的差异，其中变 较 的有Ti，Ca，Si，0，F元素.从1号到4号熔 表面的Ti，F元素含量 增加，而Ca，Si，0元素含量 .进一步 现，Ti/Ca 比例对熔渣内表面的微观组织结构和脱渣性有较大 的，随着熔渣中T/C a比值的增加，熔 向于形成棒状、状非等 组织，性变好，当T/C a比值达到4〜6时，性 .2.3熔渣化学成分和微观结构对脱渣性的影响熔 过一系列的高 学冶金反应形成的 物，于焊缝表面可以起到 的护作 用.为了 学成 组织是如何 性的，对4 焊的熔渣进行XRD物相 ，结如图3所.C R D'，可以看出 中大 的组 加了 应，生成定的相.首先熔渣中都含有大量的 氧化物BaTi〇3，Ba0，Ti0#的相在熔渣中 较大比重，了其在中起着重要作用.Ti0#的加入能够与 Ba0结合生成复合氧化物Ba0 •Ti02，Ba0 •Ti02是一 酸性的氧化物，能形成短渣，于焊 .但过多BaF#的加入会使得熔 度变大难以 ，必须对BaF#含量 ，焊的性.其次熔渣中都含 定量的硅酸钙，硅酸钙的大量形成，打乱了 Ba0 •Ti0#，BaMg3A: Si#0%$ F#等 相的结晶，熔 向于形成玻璃相.1号焊熔 表面 要比其它三组熔 密，其内实质上只是由无 状的黑白两相构成，组织比较疏松，洞较多，相互间的内应力 ，随着熔渣中T i元素含量的增加，C a和S i元素含 量的 ，熔中开始出现针状、状、小块状的结晶相.最后，熔中还含有Fe0 类尖晶石（M gM n#0=，MgFeAKZ，MnA: 0="，有表明%u-12]，焊表面的，主要金属表面 层氧化膜存在，这层氧化膜为Fe0，晶‘心立方晶格，Fe0搭建在焊缝金属（F e的体 心立方晶 .如果熔渣里含 形成晶合物的二价 价金属 物（A: 03"，他们的晶物（Me0 •Me#03"会搭建在焊缝金属 表面的氧化铁的晶 ，熔与焊缝金属牢固地 ，熔 清除，所以4组熔 定的，而1号熔渣中的Mg，A，Mn，Fe元素含量较高，形成了大量的尖晶石，重，4号中由于大 的氧化物组 与主要 剂BaF#相合，形成了 BaF•M g0 •A: 03 •Si0#复合相，大大减少 了熔 表面尖晶 物（M e0•Me203)的生成，使得 轻.由此可见，焊接熔渣的 性是由熔 的力 熔 与焊 金属 的力共同决定的，1号、#号熔渣由于 力小，而与金属间的 力大，所以 性 ，3号、4号熔第#期张敏，等：熔渣成分和微观结构对自保护药芯焊丝脱渣性的影响1320304050607080衍射角20/(° )(d ) 4号焊丝图3焊丝熔渣成分的X R D 图谱Fig. 3 XRD spectrum of slag composition20304050607080衍射角20/(° )(c ) 3号焊丝20304050607080衍射角20/(° )(b ) 2号焊丝20304050607080衍射角20/(° )(a ) 1号焊丝属间的力，宏现异的性.综上所述，熔渣的化学成 组织 对性 较大的 .在焊接高温下（02的黏度-性大，结晶速度很快，随着（0#含量的增加，熔 形成非等轴的 状， 状组织，Ca 0会增加熔 度，含量过高会阻碍熔渣的结晶，另外大量的Ca 0和SiO #成硅酸钙会打乱熔渣的结晶， 熔 于形成玻璃相熔渣，冶金结晶理论认为物相结晶凝固时，晶粗大所引起的内 应力比晶粒细小的大，且物相的方向性越强，熔 应力也越大， 越[8].所以要想提高性，就要 熔渣中Ti 〇2，Ca 0，Si 〇2的含量，由EDS 成 可知，Ti 02/Ca 0比值达到4〜6，同Si 0#/Ca 0比值1〜2得较好的脱性.3结 论(1)焊丝药芯中的大部分组分都参加了造渣反 应，生成定的 相.Ba 0，Ti 02的相在熔渣中较大比重，其 中起着重要作用，但过多BB2的加入会使得熔度变大难以，必须对BB2含量 •( 2) 熔 的 学成组织性较大的.随着（02含量的增加，会促进熔渣 形成非等轴的针状、 状、 状组织， 性变好，而Ca 0，Si 02的增加则会形成大量的硅酸钙， 打乱了 Ba 0 • Ti 02，BaF • M g 0 • A :03 • Si 02等复合相的结晶，导致熔 向于形成玻璃相， 性变差，当Ti 02/Ca 0比值达到4〜6，同 Si 02/C a0值1〜2得较好的 性.(3)焊接熔渣的 性本质由熔的力和熔渣与焊缝金属的 力共同决定的，当熔渣的 组织由状向非等轴的状、状、状变时，熔的方向性变强，力变大，同，能形成尖晶石的自由氧化物， 熔 与焊 金属 的 力 ， 变 ，性变 .参考文献：[1 ]黄春明.C 80管线钢用自保护药芯焊丝渣系及强韧化的研究[D ].天津：天津大学，2008.[2]Zeng H L ，Wang C J ，Yang X M ，et al. Automatic welding tech­nologies for long-distance pipelines by use of all-position self- shielded flux cored wires [ J ]. Natural Gas Industry B ，2014，1uoooo1U 8642中则形成了棒状、 状的非等轴组织，大大增加了力，当力大于熔渣与焊缝金14焊接学报第39卷(I) ：113-118.[3]张智，张文钺，陈邦固•高韧性自保护药芯焊丝[J]•焊接学报，1996, 17(2): 71 -75.Zhang Zhi，Zhang Wenyue，Chen Banggu. Development of ahigh-toughness self-shielded flux-cored wire [ J ] •Transactions ofthe China Welding Institution，1996，17(2) ：71 -75.[4]潘川，喻萍，田志凌，等.自保护药芯焊丝焊接X70管线钢接头力学性能和微观组织特点[J]•焊接学报，2007,28(11) ：93 -96.Pan Chuan，Yu Ping，Tian Zhiling，et al.Mechanical propertiesand microstructure of X70 butt joint welded byself-shielded fluxcord wire [ J ]. Transactions of the ChinaWeldinglnstitution，2007, 28(11): 93 -96.[5]张智，张文钺，陈邦固，等.药芯成分对自保护药芯焊丝焊缝脱渣性的影响[J].材料科学与工艺，1997, 5(4):40 -44.Zhang Zhi，Zhang Wenyue，Chen Banggu，et al.Effect of fluxcomposition on slag detachability for relf-shielded flux cored wire[J]. Material Science and Technology，1997，5(4):40 -44.[6 ] Kim J B，Choi J K，Han I W ，et al. 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Transactions of the China Welding Institu­tion，2006, 27(4)：69 -72.作者简介：张敏，1967年生，博士，教授，博士研究生导师•主 要从事焊接成形过程的力学行为及其结构质量的控制、焊接凝固过 程的组织演变行为及现代焊接材料研究.发表论文100余篇.Email：zhmmn@[上接第4页][3]张亮，薛松柏，卢方焱，等.不同钎料对Q FP焊点可靠性影响的有限元分析[J]•焊接学报，2007, 28(10)：45 -48.Zhang Liang，Xue Songbai，Lu F angan，et al. Finite element a­nalysis on soldered joint reliability of QFPdevice with differentsolders [ J ]. Transactions of the China Welding Institution，2007, 28(10) ：45 -48.[4] Chang K N，Yuan C N. An overviewof solder bump shape pre­diction algorithms with validations [ J ] .I E E E Transactions onAdvanced Packaging，2001，24(2) ：158 -162.[5 ] Subbarayan G. Aprocedure for automated shape and life predic­tion in flip-chip and BGAsolder joints [ J] •Journal of ElectronicPackaging，1996, 118(3)：127 -133.[6]朱奇农，王国忠，罗乐.倒装焊复合SnPb焊点形态模拟[J]•电子学报，2000,28(5)：55 -58.Zhu Qinong，Wang Guozhong，Luo Le. Simulation of SnPb so1(R-er jin ts geometry in Flip-Chip technology [ J ]. 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Development and expermentalvalidation of a 3-D solder relf-alignment model for alignment ac­curacy prediction of flip chip assembly [ J] •IEEE Transactions onComponents，Packaging and Manufacturing Technology，2011，1(10) ：1523 -1532.作者简介：王晨曦，男，1980年出生，博士，副教授，硕士研究生导 师.主要从事精密焊接、室温连接、微纳连接与加工的研究.发表论 文 70 余篇.Email：wangchenxi(@hit. edu. cn2018，V d.39，N&.2TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTIT^UTIONMAIN TOPICS，ABSTRACTS & KEY WORDSShape prediction of flip chip soldered joints based on gener­alized spreading condition WANG Chenxi ，WANG Yuan ，TliVN Yanhong ，WANG Chunqing ( State Key Laboratory of Ad­vanced Welding and Joining ， Harbin Institute of Technology ， Harbin 150001，China) . pp 1 -4,14Abstract : With increasing requirements of electronic packaging ，accurate shape prediction of soldered joints under dif­ferent conditions becomes critical. When the solder volume is too large ，the solder would overflow the pad and spread on otlier sur­faces (e. g .，solder masl^s around the pad or substrate) . Taking this situation into account ，a generalized spreading condition was proposed in this paper ，and a three-dimensional shape prediction model for flip-chip solder joints was established ，and the con­strained equations of energy and volume were descrilDed. In addi­tion ， a novel metliod to measure contact angles bet^veen the sold­er and non-wetting surfaces such as substrate surfaces was of­fered. Furthermore ，the shape of flijD soldered joints was predic­ted by utilizing a finite element soft^vare Surface Evolver ，and ex­perimental tests ware performed to verify the simulation results. The simulation results are in good agreement w ithi the experimen­tal results under diferent conditions.Key words ： flip-chip soldered joints; three-dimensional model; shape prediction ； generalized spreading conditionVaporization and composition change of 304 stainless steelduring keyhole mode laser welding LIU! Tong1，YANG Li-jun1'2，QIU Wencong1，YANG Ruixia1，LI Huan1'2 ( 1. School of Materials Science and Engineering ，Tianjin University ，Tian­jin 300350，China ； 2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Join­ing Technolog ， Tianjin 300350，China) . pp 5 - 9Abstract ： Composition change during Nd: YAG laser deep penetration welding of 304 stainless steel was examined by experiment and theory. Concentrations of iron ，chromium ，nickel and manganese in the weld metal were determined by electron probe micro-analyzer ( EPMA) . Based on the computation of temperature field and weld pool geometry ，a comprehensive mod­el for weld composition change was developed. The results showed that the vaporization is most pronounced in the keyhole region. The vapor flux from the weld pool surface outside the keyhole is much lower than that from the keyhole. The concen­trations of manganese and chromium decreases ， while the con­centrations of iron and nickel slightly increase in the weld metal ， compared with those in the base metal. The composition change of alloying elements decreases as the laser power increases. However ，the welding speed has insignificant effect on the com­position change. The calculated composition changes agree well with the corresponding experimental results under different weld­ing conditions.Key words ： laser deep penetration welding ； vaporiza­tion ； composition change ； stainless steelE ffecto fslagco m p o sitio n an d m icro stru ctu reo n slagd e- tachability of self shielded flux cored wire ZHANG Min ，SHU Shaoyan ， LU Xiaokang ， LI Jihong ( College of Materials Science and Engineering ，Xi’an University of Technology ，Xi’an710048, China) . pp 10-14Abstract ： The slag of alkaline self-shielded fu xco red wire for X80 pipeline steel were analyzed by electron microscopy ( SEM) and X-ray diffraction ( XRD) . The effects of chemical compositions and microstructure of slag on its slag detachability were studied. The results show that the com­posite phase of BaO and Ti 〇2，which plays an important role in slaggability and detachability and occupies a large proportion in slag. With the increase of TiO! content in of CaOand SiO! content ，the microstructures of slag transforms gradually from fine particles to anisometric grains such as acicu- lar ，rod-like ，small block particles. The orientation of the slag becomes stronger and the internalbonding force increases. Meanwhile the f ree oxide that can form spinel decreases ， the bonding forcc between the slag and the amount of th ie slag decreases ，and the detachability becomes bet­ter. When the TiO!/CaO ratio in slag reaches 4 〜6 and the SiOz/CaOratio is controlled in 1 〜2，the better slag detachabili­ty can be obtained.Key words ： self shielded flux cored wire ； detachability ；microstructure ； spinelThe use FSTFM to imaging testing of surface crack in b u ttjoint YU Peng ，GANG Tie ，SUN Changli (State Key Labo­ratory of Advanced Welding and Joining ， Harbin I nstitute of Technology ，Harbin 150001，China) . pp 15 -18，28Abstract ： Full-Skip TFM ( FSTFM) developed based on total focusing method ( TFM ) is a post-processing imaging algo­rithm of ultrasonic array data. The difference between TFM and FSTFM is the ray paths ，TFM imaging algorithm includes only direct ray pathis bet^veen the array and image points ，while FST­FM represents the case when bothi the transmitting and receiving ray path contains one reflection from the back face. I n this pa­per ， small cracks initiated from top surface of welds are imaged and characterized using TFM and FSTFM ， respectively. No crack can be seen in the image formed using TFM imaging algo- rithm ，while in the FSTFM image ，the indications of the notch root and tip can be clear observed. Meanwhile ，using the FSTFM image of crack ， the depth of the cracks can be measured with great reliability. The studies indicate that FSTFM can be also used to image and inspect the surface crack initiated from top surface of welds with reinforcement.Key words ： non-destructive testing ； ultrasonic array ； to­tal focusing metiiod ； welded bu t joint ； crackMicrostructure and mechanical properties of 5E61 alumi­num aioy joint by VPPAW YAN Zhaoyang ，JI ANG Fan ， CHEN Shujun ， LU Zhenyang ( Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Automotive Compo- nents ，Ministry of Education ， Beijing University of Technology ， Beijing 100124，China) . pp 19 -23Abstract ： Variable polarity plasma arc welding ( VP­PAW) was used to weld 5E61 aluminum alloy plates with 4 mm in thickness. The results showed that high quality welded joints could be obtained under the specified conditions and welding pa-。

药芯成分对自保护药芯焊丝焊缝脱渣性的影响
张智
【期刊名称】《材料科学与工艺》
【年(卷),期】1997(005)004
【摘要】考察了自保护药芯焊丝药芯成分中萤石，金红石，大理石，铝镁合金和
氧化镁对焊缝脱渣性的影响。

结果表明：焊缝脱渣性与熔渣中ＭｇＯ／ＴｉＯ２的比值有密切关系，适当的控制ＭｇＯ／ＴｉＯ２比值，可有效地消除焊缝表面粘渣。

【总页数】5页(P40-44)
【作者】张智
【作者单位】天津大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG441.3
【相关文献】
1.熔渣成分对气保护不锈钢药芯焊丝脱渣性影响的研究 [J], 栗卓新;蒋建敏;魏琪
2.CaCO3含量对自保护药芯焊丝脱渣性的影响 [J], 李继红;程康康;舒绍燕;何晓宇;李乐;张敏
3.自保护硬面药芯焊丝药芯成分对焊接飞溅的影响 [J], 杨可;余圣甫;李延娜;马龙;
周强
4.熔渣成分和微观结构对自保护药芯焊丝脱渣性的影响 [J], 张敏;舒绍燕;芦晓康;
李继红
5.药芯组成对碱性自保护药芯焊丝脱渣性影响的研究 [J], 栗卓新;陈邦固;雷万钧;
伍珠良
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