保护气体对含铌不锈钢药芯焊丝347L脱渣性的影响.docx

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保护气体对含铌不锈钢药芯焊丝347L脱渣性的影响

收稿日期:

2005-11-17

保护气体对含铌不锈钢药芯焊丝347L脱渣性的影响

赵雁潮,　魏　琪,　栗卓新,　任春岭

（北京工业大学材料学院,北京　100022

摘　要:

研究了不同保护气体CO2,Ar和混合气体（CO2+Ar对347L型含铌不锈钢药芯焊丝脱渣性的影响,并在相同的条件下对自制的GDQA347L（3号与TFW-347L和AT

-Y347L型两种不锈钢药芯焊丝的脱渣性进行了对比,深入分析了熔渣的宏观形态和

微观组织对脱渣性的影响。

结果表明,研制的GDQA347L焊丝在Ar气保护下的脱渣性最好,混合气体保护下的脱渣性次之,CO2保护气体的脱渣性最差,由于CO

2气体在高温下变为活性气体的,具有很强的氧化性,容易造成脱渣困难;三种焊丝在不同保护气体下熔渣的微观组织形态所表现的规律基本上一致,在熔渣微观组织中,当其条带状体的尺寸长、面积大时,对脱渣有利。

关键词:

347L型不锈钢药芯焊丝;脱渣性;保护气体

中图分类号:

TG422　　文献标识码:

A　　文章编号:

0253-360X（200611-077-04

赵雁潮

0　序　　言

脱渣性是衡量不锈钢药芯焊丝工艺性能的重要

指标。

347L型不锈钢药芯焊丝由于加入铌后,铌优先和氧结合生成含铌氧化物,产生严重的粘渣。

在采用不同气体保护时,由于保护气成分的变化影响熔渣的微观结构,从而造成保护气体对焊丝的脱渣性能影响很大。

因此,研究保护气体对含铌不锈钢药芯焊丝脱渣性的影响规律对调配新配方焊丝具有一定的指导意义。

1　试验方法

文中采用对比的方法,选择市售的两种焊丝为

TFW-347L（1号和AT-Y347L（2号型不锈钢药芯焊丝与处于研究试验阶段的自制的GDQA347L（3

号焊丝在同等试验条件下进行试验。

焊后测定不同保护气氛下的脱渣率;收集熔渣,采用OLYM2PUS—PMG30金相显微镜观察熔渣的微观组织,观

察熔渣形貌,并研究了保护气体对347L不锈钢药芯焊丝的脱渣性的影响。

使用的试验设备及焊接材料有TFW-347L焊丝,AT-Y347L焊丝,及自制的GDQA347L焊丝,焊丝直径均为1.2mm。

三种保护气体:

纯Ar气,CO2及Ar气（80%和CO2（20%混合气体。

将200mmⅹ100mmⅹ10mm的18-8型不锈钢钢板置于试验台上,在选定的工艺参数（见表1下进行焊接,采用直流反接焊枪倾角80°。

焊丝的脱渣率的测定采用45°V形坡口内堆焊的落锤法试验,钢球重3kg,堆

表1　焊接工艺参数

Table1　Weldingparameters

保护气体类型

焊接电流

IΠA

电弧电压

UΠV

焊接速度

vwΠ（m・min-1

气流量

QΠ（L・min-1焊炬高度

hΠmm

Ar180~20026~280.415~2015~20CO2

160~18028~300.515~2010~15混合气体

160~180

28~30

0.5

15~20

10~15

焊后立即用钢球砸击焊道背面,砸击5次。

然后取渣制样,采用光学显微镜观察、分析熔渣的微观组

第27卷第11期2006年11月

焊　接　学　报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.27　No.11November　2006

织。

脱渣率按式（1计算

D=L-（L0+0.5L1+0.2L2L

×100%,

（1

式中:

D为脱渣率（%;L为焊道总长度（mm;L0为未脱渣长度（mm;L1为严重粘渣长度（mm;L2为轻微粘渣长度（mm。

2　试验结果

211　不同保护气体下的脱渣率

不同保护气体下脱渣性试验结果见表2。

1号,2号丝在不同的保护气下,脱渣率都较好;

而不同的保护气体对3号丝脱渣率的影响比较大。

表2　脱渣率（质量分数,%

Table2　Slagdetachabilityrate

焊丝型号

CO2气体保护

混合气体保护

Ar气体保护

TFW-347L98.598.8100AT-Y347L98.298.699.4GDQA347L

80.1

92.4

97.6

212　熔渣的宏观形态及类型

焊接熔渣呈褐色,其宏观形态大致有两种:

一种为瓷状,结构密实,致密度高;另一种为多孔状,结构疏松,质地较脆。

试验焊丝的脱渣类型有以下几种:

第一种焊后熔渣自动翘起,或伴有成段的横向开裂,熔渣全脱落或分段脱落,焊缝成形好;第二种焊后渣中出现松脆现象,能自动开裂成多段,轻轻敲击后就能脱落;第三种焊后经落锤冲击后,大部分已与焊缝脱开,但在焊道的边缘偶尔会出现细微的粘渣,不容易去除。

3号焊丝在Ar气保护下焊接综合工艺性能好,电弧稳定,焊缝成形较好,焊后渣成形致密少孔,经落

锤冲击后能整块脱落,几乎没有飞溅;在Ar+CO2保

护气体下焊接后,渣覆盖好,渣属于第二种,用铁锤轻轻敲击焊缝熔渣表面,熔渣基本能够块状脱落,飞溅

很小;而在CO2保护气下体焊接后,熔渣属于第三种虽然也易脱落,掉落的熔渣多为碎片,但焊缝边缘偶有细微粘渣存在,和前两种状态相比飞溅稍大,部分焊道渣壳翘起较早,焊道表面有轻微氧化现象。

1号,2号丝在不同的保护气下焊接,对脱渣的影响不大,区别在于用混合气体保护时焊接工艺性能优于在CO2保护气下焊接,Ar气保护时焊道成形不好。

213　熔渣微观结构

图1,2,3为1号,2号,3号丝在Ar气体保护、Ar+CO2混合气体保护和CO2气体保护下,熔渣内表面的微观形貌。

可以观察到,虽然不同的保护气体对1号,2号丝的脱渣性影响不大,但在显微镜下观察渣的微观结构与3号丝熔渣的微观组织的变化规律相同,即在不同的保护气氛下其微观形态都有明显的差异。

Ar气保护下熔渣的微观形态多为条带状,并且条带状体的尺寸长而宽、

面积大,有一定的方向性;而在混合气体保护时,微观组织中条带状体尺寸变小,方向性减弱;CO2保护时,熔渣的微观组织中条带状体更少,几乎无方向性可言。

3　分析与讨论

焊丝脱渣性取决于三个因素:

一是渣壳与焊缝金属间是否生成了尖晶石形氧化物;二是焊缝金属与熔渣间线膨胀系数之差的大小;三是熔渣松脆情况。

脱渣性好的条件是:

焊缝金属与熔渣间没有生成尖晶石氧化物,两者间线膨胀系数差值较大,熔渣松脆

[1~3]

。

图1　TFW-347L焊丝在不同保护气体下熔渣的微观组织

Fig.1　MicrostructureofslagofTFW2347Latdifferentshieldinggases

78焊　接　学　报第27卷

图2　AT-347L焊丝在不同保护气体下熔渣的微观组织

Fig.2　MicrostructureofslagofAT2347Latdifferentshieldinggase

s

图3　GDQA347L在不同保护气体下熔渣的微观组织

Fig.3　MicrostructureofslagofGDQA347Latdifferentshieldinggases

311　保护气氧化势对脱渣性的影响

从以上的试验结果可以看出,由于3号焊丝还

处于研制过程之中,不同的保护气氛对其脱渣有明显的影响。

在Ar保护下的脱渣性最好,混合气次之,而在CO2保护气下的脱渣性就有待提高。

1977年国际焊接学会根据各国使用的保护气

普查结果,提出按保护气的氧化势进行分类,规定

氧化指标=O2%+1

2

CO2%。

CO2气体在电弧高温下分解CO和O2,电弧气氛中同时有CO2,O2和CO存在

[4]

。

因此保护气的氧化

势增强,会使焊丝中的Cr,Nb,Al等元素的烧损量增大,过渡系数减小,容易生成尖晶石氧化物,就会对焊丝的脱渣造成影响。

O2高温下进一步分解为游离态的氧原子,当温度为3000K时,CO2保护气氛中将含有将近20%的氧,所以CO2气体在高温时有很强的氧化性,这样在焊接的过程中,很容易使铁氧化

[5]

。

（1与CO2直接作用

Fe+CO2（g=FeO+CO（g。

（2与高温分解出的原子氧作用

O+Fe=FeO。

由于这个变化,气相中的氧可透过熔渣层传递给金属熔池,氧化铁在熔渣和金属之间发生着强烈的交换,上述反应的进行使得焊缝表面氧化,生成一层FeO氧化膜,它的晶格结构是体心立方晶格,它搭建在焊缝金属α-Fe的体心立方晶格上,这层氧化膜牢固地粘在金属表面上。

由于渣中存在着能形成尖晶石形化合物的二价（NbO,MnO等和三价金属氧化物（Cr2O3,Al2O3等,它们便形成具有体心立方结构的尖晶石形化合物（MeO・Me2O3,它们的体心立方晶格又搭建在焊缝金属表面上的氧化铁的晶格上,与氧化铁牢固地结合在一起。

这样,氧化膜就像粘结剂一样,把熔渣和焊缝金属牢固的粘在一起,使熔渣很难清除。

Ar气是惰性气体,焊接时既不参与化学反应,

也不溶解于液态金属中,在保护气体中,氩弧是最稳定的。

Ar中含O,H量很低,所以Ar气保护时,可以认为氩气泡对熔池中的氧气来说就像一个小的真空室一样,这一小的真空室的氧的分压几乎等于零,根

据西华特定律[6]

熔池中的氧不断的向氩气泡中扩散,随着氩气的溢出而被去除,有利于焊缝中的脱氧,因此不会烧损焊丝的合金,不利于生成尖晶石形氧化物,焊接冶金反应变得简单和容易控制,对焊丝

第11期赵雁潮,等:

保护气体对含铌不锈钢药芯焊丝347L脱渣性的影响79

的脱渣无疑有很大的好处。

所以Ar保护气氛下的

脱渣性最好。

Ar+CO2混合气体保护时,和纯Ar相比,保护气中的氧化势有所增强,焊缝中的含氧量增高,会加大焊丝中的Nb,Mn,Si等元素的烧损量,过渡系数减小,这样就会对焊丝的脱渣造成影响;但和纯CO

2

保护相比,由于CO

2在混合气体中所占的比例比较小,混合气体的氧化势增强有限,所以只是影响到熔渣的生成状态,并没有造成粘渣。

312　熔渣微观组织对脱渣性的影响

347L不锈钢药芯焊丝的渣系为钛型渣系,焊丝

熔渣中钛酸盐主要以FeTiO

5和CrTiO2等形态存在。

这些组织按含Ti量的多少,可分为带状、条状等,其主要特点是组织方向性强,结构密实,而组织形态的不同对熔渣的脱渣性有很大的影响。

由试验结果可知在熔渣组织中,当其条带状体的尺寸长、面积大时,脱渣性要高。

从图1~图中可以观察到,Ar保护下的微观结构是方向性强的条带状,强化了固态渣纵向的连接。

这类组织的存在,不仅使渣的线膨胀系数与焊缝的差别增大,还使得熔渣在凝固过程产生较大的纵向拘束力,致使渣壳自动剥离。

这是因为冶金结晶理论表明[7],结晶凝固时,晶粒粗大或组织不均匀材料中所引起的内应力比晶粒细小材料中的大。

物相的不等轴度越大,方向性越强,所产生的内应力就越大,脱渣就越容易。

Ar保护气体下的渣组织粗大,冷却时收缩量比较大,因此渣和焊缝金属之间的线膨胀系数差值较

大,脱渣容易。

采用混合气体和CO

2

保护气体焊接

时,随着保护气氧化势的增强,渣中TiO

2

含量减少

和含铌氧化物含量增加,渣中FeTiO

5与针状CrSiO2交织在一起,方向性消失,此时脱渣性恶化,焊缝边缘出现细微粘渣物;而且细小的组织很有可能造成渣的结构疏松和多孔,这种渣内部结合力太小,在冷却过程中不能使渣壳与金属在表面上分离,往往是渣壳内部先破裂,一层薄渣粘在焊缝上,这是造成其粘渣的另一个原因。

4　结　　论

（1在三种不同保护气体下的不锈钢药芯焊丝的脱渣性不尽相同,在Ar气保护下的脱渣性最好,混合气保护下的脱渣性次之,CO

2保护气的脱渣性最差。

（2CO2保护气高温下变为活性气体,具有很强的氧化性,是造成3号丝脱渣困难的主要原因。

（3熔渣的微观组织对不锈钢药芯的脱渣性有很大的影响,在熔渣组织中,当其条带状体的尺寸长、面积大时,冷却时收缩量大,对脱渣有利。

参考文献:

[1]　LiZhuoxin,ChenBanggu,LeiWangjun,etal.Studyontheeffects

oftheflux2coredcompositionontheslagdetachabilityofbasicself2shieldedflux2coredwire[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2001,37（10:

75-80.

[2]　孙　咸,赵兴国,陆　路.熔渣的化学成分和组织特征对脱渣性

的影响[J].太原工业大学学报,1993,24（3:

30-36.

[3]　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:

40-45.

[4]　唐伯钢,尹士科,王玉荣.低碳钢与低合金高强度钢焊接材料

[M].北京:

机械工业出版社,1987.

[5]　曲　英.炼钢学原理[M].北京:

冶金工业出版社,1980.

[6]　殷树言.气体保护焊技术问答[M].北京:

机械工业出版社,

2004.

[7]　周振丰,张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:

机械工业

出版社,1988.

作者简介:

赵雁潮,男,1980年出生,硕士研究生。

主要从事不锈钢药芯焊丝的研制及开发,发表学术论文2篇,申请专利1项。

Email:

zyc27027@

80焊　接　学　报第27卷

weldedjointofaliquefiedpetroleumgassphericaltankmadeof16MnRsteel.Thehydrogendiffusionwithouttheeffectofweldingresidualstresswasalsotakenintoaccountandcompared.Thismethodprovidesareferenceformasteringthecriterionofhydrogeninducedcrackingofweldedjoint.Theresultshowsthatundertheweldingresidualstressfield,thehydrogendiffusesandaccumulatestowardthehigherstresszone,attainingstabilitythroughaperiodoftime.Thereisalowhydrogenconcentrationvaluearoundtheheataffectedzone,wheretheresidualstressgradientandconcentrationgradientareformed,whichcancausethehydrogenlong2rangediffu2siontothehighstresszone.

Keywords:

　hydrogendiffusion;weldingresidualstress;nu2mericalsimulation

EvaporationlossofMgelementin5A06aluminiumalloyelec2tronbeamwelding　　WANGXing2jun,HUANGWen2rong,WEIQi2long,SHENXian2Feng（InstituteofMachineryManufactur2ingTechnology,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,China.p61-64

Abstract:

　DistributionofMginmeltpoolanditseffectonmechanicalpropertiesofweldareinvestigatedin5A06aluminiumal2loyelectronbeamwelding,andtheinfluenceofweldingparametersonevaporationlossofMgelementisanalyzed1Thefollowingresultsareobtained:

withthefusionpenetrationincreasing,thecontentofMggrows,whichmeansthatevaporationlossofMgreduces,andmicro2hardnessincreases;withincreasingofacceleratingvoltageandbeamcurrent,thefusionpenetrationincreases,andtheevaporationlossrateofMgdecreases;andwithincreasingofweldingspeed,theevaporationlossrateofMgreduceswhilefusionpenetrationdimin2ishes1InordertominimizeevaporationlossofMg,theconsiderableincreasingofacceleratingvoltage,beamcurrentandweldingspeedarepreferred1

Keywords:

　5A06aluminiumalloy;electronbeamwelding;evaporationlossofMg

Formationofcirclebandinterfaceofthermosonicflipchipbonding　　WANGFu2liang,HANLei,ZHONGJue（SchoolofMechanicalandElectronicalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China.p65-68,72

Abstract:

　Thethermosonicflipchipbondinghasbeenreal2izedunderthepressureconstrainpatternofflipchip.Fragmentofpad,circlebandandridgehavebeenobservedonthebondinginter2face.Theridgeindicateshighbondingstrength,andfragmentofpadindicatesremoveofinterfacesurface,andthecirclebandindicatesdistributionofbondingstrength.WiththeFEAtool,thevalueanddistributionofstresswerecalculatedunderdifferentbondingphases,andtheformationtheoryofthecirclebandinterfacehasbeenre2vealedonthetermofstress.Theedgeofbondinginterfacehasbetterstressconditionsforsurfaceremoveandatomdiffusion,whichtheprimaryfactorfortheformationofcirclebandinterface.Andthethermo2sonicvibrationchangedthedistributionofstressandstressfield,whichcausedtheedgeofbondinginterfaceinbetterstressconditions,andpromotedtheformationofcirclebandinterface.

Keywords:

　thermosonicflipchipbonding;pressurecon2strainpattern;circlebandinterface;finiteelementmethod

Two2dimensionspectrumentropyfeatureformetalmagneticmemorysignal　　DIXin2jie1,LIWu2shen1,BAIShi2wu1,2,LIUFang2ming1,2,XUEZhen2kui2（1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.ResearchInstituteofPipeline,ChinaPetroleumCorporation,Lang2fang065000,Hebei,China.p69-72

Abstract:

　Metalmagneticmemory（MMMisoneofthemostpotentialnon2destructivetestingmethodswhichcandiagnoseweldingcrackinearlystage.Thedistributionregularitiesofmetalmagneticmemorytwo2dimensionspectrumentropywereinvestigatedintensiontestconditionwiththeX70pipelinesteel.Usingthefea2tureofamplitudespectrumentropyandbraycentrefrequency,thesupportvectormachinemethodcandistinguishthedifferentstateofstressconcentration.Withthedetectioninstance,thediagnosticmethodofstressconcentrationstateinweldwasgai