CN102069326B - 环保型交直流两用碱性低氢焊条 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环保型交直流两用碱性低氢焊条。研制出的焊条既可以降低焊接烟尘，又具有良好交直流两用的焊接工艺性能，同时还具有较高焊条熔敷效率和相应化学成分与良好力学性能。因此，本发明有益于节能减排、降低环境污染和国计民生。本发明的组成包括：药皮、焊芯，所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、45号雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱，其重量份数为：大理石24～34份、萤石21～32份、铁粉4～16份、碳酸钡3～10份、人造金红石2～7份、长石1～4份、中碳锰铁5～9份、钛铁5～12份、45号雾化硅铁4～7份、合成云母1～2份、钛白粉1～3份、纯碱0.5～1.5份，焊芯采用H08A。本发明作为一种焊条。
Description
技术领域：
本发明涉及一种环保型交直流两用碱性低氢焊条。
背景技术：
焊接技术广泛地应用在航天航空、船舶、压力容器、锅炉、石油化工、桥梁、车辆、建筑、重型机械等领域，是近代先进制造方法之一，在国民经济建设中占有举足轻重的地位。焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础、有广泛应用范围的产业。
由于大多数焊接工艺在应用中具有“产生被焊金属和焊接材料共同熔化”这一特殊属性，所以焊接材料在焊接过程中都会不同程度地产生和释放出一定的烟尘和有害气体。其中电焊条制造是在金属焊芯外包覆一层由大量的矿物质、铁合金粉、化工产品和粘结剂组成的药皮。电焊条在焊接时其电弧温度高达5000℃，使得被焊金属和焊药一起熔化产生过热蒸气，脱离电弧区并被迅速氧化和冷却，凝聚成细小粒子悬浮在空气中，既为焊接烟尘。在进行焊接操作的过程中还会产生一定数量的有害气体，散发到空气中，对环境造成污染。
对比我国和先进国家焊条标准，可以发现：我国在用碱性低氢型焊条以直流型为多，而国外更注重交直流两用的低氢药皮焊条的开发。如日本“神钢”焊条中，产品的样本例值大都使用交流施焊，熔敷金属的冲击韧性维持一个比较高的水平。估计该DXX16药皮中氟化钙含量较低，有利于环保，使用交流电源焊接可以节省能源。
我国已经成为钢材和焊接材料生产的世界第一大国。2009年我国表观钢材消费量超过5亿吨，焊接材料总产量超过400万吨，其中焊条产量为230万吨，占总产量的53％左右。一个相当长的时期内，在我国的多种焊接材料生产中，焊条还将一直占有主要的地位，而且焊条生产量的绝对值还会增加。可以预计，今后的几十年里，我国每年还会使用200多万吨电焊条，向空气中排放1万多吨的焊接烟尘。
因此，研制出既可以降低焊接烟尘，又具有良好交直流两用的焊接工艺性能，同时还具有较高焊条熔敷效率和良好力学性能的低氢焊条，缩小我国量大面广焊接材料产品与发达国家产品的差距，是一个利于节能减排、降低环境污染，有益于国计民生的任务。
发明内容：
本发明的目的是提供一种环保型交直流两用碱性低氢焊条，既可以降低焊接烟尘，又具有良好交直流两用的焊接工艺性能，同时还具有较高熔敷效率和相应化学成分与良好力学性能。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯，所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱，其重量份数为：大理石24～34份、萤石21～32份、铁粉4～16份、碳酸钡3～10份、人造金红石2～7份、长石1～4份、中碳锰铁5～9份、钛铁5～12份、45号雾化硅铁4～7份、合成云母1～2份、钛白粉1～3份、纯碱0.5～1.5份。
所述的环保型交直流两用碱性低氢焊条，所述的焊芯采用H08A。
有益效果：
1、本发明在选择金属碳酸盐时，本发明采用的是大理石与碳酸钡，而不选用菱苦土，其原因是菱苦土的发尘量较大。随着大理石的增加，焊条的发尘量也急剧增加，单纯从降尘角度考虑，希望大理石的含量越低越好，但碱性焊条中其含量不能太低，否则将不利于脱氢和焊缝的保护，焊接时将产生气孔，焊缝的低温冲击韧性也难以保证。多种碳酸盐的加入能改善熔滴的过渡形态，提高焊条的熔化速度，调整熔滴的粘度使熔滴的表面张力减小，从而使飞溅减少，获得很好的工艺性能。
2.焊条渣系中难以确定的是CaF2的含量，其含量过低焊缝气孔敏感性加大，熔渣流动性不好，焊缝中扩散氢含量增加，焊条的冲击韧性降低。其含量过高，则焊条发尘量增大，烟尘中的可溶性氟也增加，难以满足试验要求。
3.本发明从降低发尘量的角度出发，TiO2的含量高些为好。从改善电弧稳定性来看，也希望焊条药皮中氟化物的含量低些，TiO2的含量高些，但TiO2的含量不能太高，因为TiO2含量过高会降低熔渣的碱度，引起焊缝中扩散氢含量增加，导致焊缝的低温冲击韧性下降。TiO2的来源主要有金红石与钛白粉，它们都是很好的造渣剂，能使熔渣变成短渣。钛白粉还是极好的粘塑剂，有利于改善焊条的压涂性能。
4.硅可以与碱金属和碱土金属形成玻璃状进入渣中。因此，在药皮中提高硅酸盐不但可以降低烟尘，同时还可以降低烟尘的毒性。根据这一论点，本发明在众多的药皮辅料中选择了长石。加入该辅料还可以改善焊缝的脱渣性能，并且有利于焊条的全位置焊接。
5.铁粉、锰铁、钛铁、硅铁等常用的铁合金在加入量不大时都有一定的降尘、降毒作用，且比一般矿物粉剂作用强的多。钛铁是药皮中常用的脱氧剂，它是一种活泼元素，对氧的亲和力大，脱氧效果好。所以本发明在焊条药皮中适当加入了多种金属粉。
6.本发明充分考虑选定辅料作用之后，确定药皮渣系以CaOCaF2-BaO-TiO2-SiO2为主。在此基础上，采用均匀设计的思想方法，使用中国数学会均匀设计分会推荐的计算机软件，大量、系统地安排试验，并通过包含因子一次项、二次项以及全部交互项的逐步回归分析研究而确定本发明的特定配比。
表1是采用均匀设计方法表U25(59)给出的在高维空间里试验点(药皮配方)的分布(第1轮试验，25个配方，9个自变量)。
表1均匀设计试验实施计划
表2是在表1的基础上根据经验和回归优化后增加4个试验，进而得到的29组重要的工艺性能数据。
表2环保型交直流两用碱性低氢焊条试验数据
(第1、2轮试验，29个配方，6项工艺性能指标)
下面分别是统计回归得到的6项工艺性能指标对应于11种药皮辅料的数学模型、方差分析与含义解释。
(1)电弧稳定性
回归方程Y1：WENHUX
方差分析表
复相关系数R＝0.768421677 剩余标准差S＝3.9108E+00
调整的决定系数Ra＝+0.52221719
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对稳弧性的影响存在着较为复杂的规律性，是多维空间里的连续性曲线。①长石对稳弧性的作用最为显著，为正相关；②大理石与碳酸钡之间的交互作用对稳弧性有好的作用，也为正相关；③萤石的二次项对稳弧性的影响为负相关；④长石的二次项对稳弧性的影响也为负相关；⑤中锰与钛白粉之间的交互作用对稳弧性的影响则表现为负相关。
(2)飞溅
回归方程Y2：FEIJIAN
方差分析表
复相关系数R＝0.613459498 剩余标准差S＝4.1157E+00
调整的决定系数Ra＝+0.30149246
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对飞溅的影响存在着较为复杂的规律性：①大理石与中锰之间的交互作用、萤石与钛铁之间的交互作用对飞溅的影响都为正相关；②大理石与钛白粉之间的交互作用、萤石与长石之间的交互作用对飞溅的影响都为负相关。
(3)焊道成型
回归方程Y3：CHENGX
方差分析表
复相关系数R＝0.694213813 剩余标准差S＝3.8029E+00
调整的决定系数Ra＝+0.46274515
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对焊道成型的影响存在着较为复杂的规律性，是多维空间里的连续性曲线。①大理石与碳酸钡之间的交互作用对焊道成型为正相关；②碳酸钡与硅铁之间的交互作用对焊道成型为负相关。
(4)脱渣
回归方程Y4：TUOZHA
方差分析表
复相关系数R＝0.666472615 剩余标准差S＝3.6722E+00
调整的决定系数Ra＝+0.40143080
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对脱渣性的影响存在着较为复杂的规律性，是多维空间里的连续曲线。①大理石与长石之间的交互作用对脱渣性的影响为正相关；②金红石与长石之间的交互作用、长石与中锰之间的交互作用对脱渣性的影响则都为负相关。
(5)发尘量
回归方程Y5：FACHENL
方差分析表
复相关系数R＝0.685080702 剩余标准差S＝1.3002E+00
调整的决定系数Ra＝+0.42851523
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对成形的影响存在着较为复杂的规律性，是多维空间里的连续曲线。①钛铁对发尘量的影响为正相关；②大理石与钛铁之间的交互作用、钛铁的二次项作用则都为负相关。
(6)熔敷效率
回归方程Y6：RONGFUXL
方差分析表
复相关系数R＝0.815051465 剩余标准差S＝1.7457E+00
调整的决定系数Ra＝+0.62402596
由方程可以看出，药皮辅料之间的组合关系对熔敷效率的影响存在着较为复杂的规律性，是多维空间里的连续性曲线。①云母对熔敷效率的影响为正相关；②钛铁自身二次项对熔敷效率的影响也为正相关；③大理石与萤石之间的交互作用、钛铁与云母之间的交互作用对熔敷效率的影响则都为负相关。
7.本发明也给出了11种药皮辅料对稳弧性、飞溅、成形、脱渣、发尘量、熔敷效率这6个工艺性能指标的影响规律曲线，用以直观、粗略地观察焊条药皮辅料对不同指标的影响趋势。见附图1～11所示意。
8.本发明给出了焊条熔敷金属化学成分与药皮辅料的关系--分别建立了5个元素化学成分指标与11种焊条药皮辅料之间的数学模型。经过方差分析，表明5个回归方程呈高度显著。
表3是交直流两用碱性低氢焊条11个配方施焊所得熔敷金属化学成分的数据。
表3环保型焊条(11个配方，5个元素化学成分)试验数据
下面分别是统计回归得到的5个元素化学成分与11种药皮辅料的数学模型和方差分析结果。
(7)含碳量
回归方程Y7：C×100
方差分析表
复相关系数R＝0.934327865 剩余标准差S＝4.3837E-01
调整的决定系数Ra＝+0.85885396
(8)含硅量
回归方程Y8：SI×10
方差分析表
复相关系数R＝0.964221218 剩余标准差S＝3.7251E-01
调整的决定系数Ra＝+0.92191395
(9)含锰量
回归方程Y9：MN
方差分析表
复相关系数R＝0.993310922 剩余标准差S＝4.0663E-02
调整的决定系数Ra＝+0.98333324
(10)含硫量
回归方程Y10：S×100
方差分析表
复相关系数R＝0.862446924 剩余标准差S＝8.8694E-02
调整的决定系数Ra＝+0.74381470
(11)含磷量
回归方程Y11：P×100
方差分析表
复相关系数R＝0.890178053 剩余标准差S＝8.9731E-02
调整的决定系数Ra＝+0.79241697
9.本发明给出了焊条力学性能及熔敷金属扩散氢含量与药皮辅料的关系--分别建立了4个力学性能指标及熔敷金属扩散氢含量与11种焊条药皮辅料之间的数学模型。
表4是交直流两用碱性低氢焊条11个配方施焊所得力学性能及熔敷金属扩散氢含量数据。
表4力学性能及熔敷金属扩散氢含量数据
下面分别是统计回归得到的4个力学性能指标及熔敷金属扩散氢含量与11种焊条药皮辅料之间的数学模型和方差分析结果。
(12)抗拉强度
回归方程Y1：RM
方差分析表
复相关系数R＝0.953390337 剩余标准差S＝2.0541E+00
调整的决定系数Ra＝+0.89883682
(13)屈服强度
回归方程Y2：REL
方差分析表
复相关系数R＝0.925739364 剩余标准差S＝2.3108E+00
调整的决定系数Ra＝+0.84110375
(14)断后伸长率
回归方程Y3：A
方差分析表
复相关系数R＝0.825449239 剩余标准差S＝1.2310E+00
调整的决定系数Ra＝+0.64596272
(15)冲击吸收能量
回归方程Y4：KV2
方差分析表
复相关系数R＝0.952179557 剩余标准差S＝8.8540E+00
调整的决定系数Ra＝+0.84440985
(16)熔敷金属扩散氢含量
回归方程Y5：KSQ
方差分析表
复相关系数R＝0.959185048 剩余标准差S＝4.5924E-01
调整的决定系数Ra＝+0.90004495
附图说明：
图1是大理石对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X1为大理石的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图2是萤石对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X2为萤石的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图3是铁粉对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X3为铁粉的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图4是碳酸钡对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X4为碳酸钡的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图5是金红石对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X5为金红石的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图6是长石对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X6为长石的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图7是中碳锰铁对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X7为中碳锰铁的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图8是钛铁对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X8为钛铁的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图9是45号雾化硅铁对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X9为硅铁的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图10是合成云母对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X10为云母的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
图11是钛白粉对6个工艺性能指标的影响趋势，图中：纵坐标为6个工艺性能指标，其中Y1为稳弧性、Y2为飞溅、Y3为焊道成型、Y4为脱渣、Y5为发沉量、Y6为熔敷效率，横坐标X11为钛白粉的百分含量，其它11个自变量Xi取其他组分含量范围的中间值。
具体实施方式：
实施例1：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯。所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱，其重量份数为：大理石24份、萤石21份、铁粉4份、碳酸钡3份、人造金红石2份、长石1份、中碳锰铁5份、钛铁5份、45号雾化硅铁4份、合成云母1份、钛白粉1份、纯碱0.5份，采用焊芯H08A，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
实施例2：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯。所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱，其重量份数为：大理石34份、萤石32份、铁粉16份、碳酸钡10份、人造金红石7份、长石4份、中碳锰铁9份、钛铁12份、45号雾化硅铁7份、合成云母2份、钛白粉3份、纯碱1.5份，采用焊芯H08A，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
实施例3：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯。所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱。利用均匀设计的计算机软件在全排列栏目下设置各工艺性能指标的限定范围，寻找出优秀药皮配方，如表5所示意。
表5优化工艺性能指标全排列搜索配方结果举例
根据表5，选择焊条药皮组分重量份数为：大理石30.2份、萤石28.5份、铁粉4.7份、碳酸钡5.7份、人造金红石2.6份、长石1份、中碳锰铁5.9份、钛铁7.2份、45号雾化硅铁4.2份、合成云母1份、钛白粉1.8份、纯碱1份，采用焊芯H08A，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
实施例4：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯。所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱。利用均匀设计的计算机软件在全排列栏目下设置焊条熔敷金属化学成分指标的限定范围，寻找出优秀药皮配方，如表6所示意。
表6优化化学成分指标全排列搜索配方结果举例
根据表6，选择焊条药皮组分重量份数为：大理石27.3份、萤石23.7份、铁粉7份、碳酸钡7.9份、人造金红石6.8份、长石2份、中碳锰铁7.3份、钛铁6.4份、45号雾化硅铁6.1份、合成云母1.3份、钛白粉2.3份、纯碱1份，采用焊芯H08A，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
实施例5：
环保型交直流两用碱性低氢焊条，其组成包括：药皮、焊芯。所述的药皮的组成包括：大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱。利用均匀设计的计算机软件在全排列栏目下设置焊条力学性能及扩散氢含量指标的限定范围，寻找出优秀药皮配方，如表7所示意。
表7优化力学性能及扩散氢含量指标全排列搜索配方结果举例
根据表7，选择焊条药皮组分重量份数为：大理石27.3份、萤石23.7份、铁粉5.7份、碳酸钡5.9份、人造金红石6.8份、长石2.9份、中碳锰铁7.2份、钛铁10.1份、45号雾化硅铁6.6份、合成云母1份、钛白粉2.5份、纯碱1份，采用焊芯H08A，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
Claims (1)
1.一种环保型交直流两用碱性低氢焊条，由药皮和焊芯组成，其特征是：所述的药皮由大理石、萤石、铁粉、碳酸钡、人造金红石、长石、中碳锰铁、钛铁、 45 号雾化硅铁、合成云母、钛白粉、纯碱组成，其重量份数为：大理石 34 份、萤石 32 份、铁粉 16 份、碳酸钡 10 份、人造金红石 7 份、长石 4 份、中碳锰铁 9 份、钛铁 12 份、 45 号雾化硅铁 7 份、合成云母 2 份、钛白粉 3 份、纯碱 1.5 份，采用焊芯 H08A ，制作成环保型交直流两用碱性低氢焊条。
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