CN113231759A - 一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条及其制备方法，由不锈钢焊芯和含稀土药皮两部分组成，含稀土药皮由固体组分和液体组分组成。固体组分：41wt％大理石、35wt％萤石、11wt％硅铁、2wt％金云母、2wt％硅微粉、1wt％碳酸钠、2‑5wt％稀土氧化物和3‑6wt％白云石，液体组分为钾钠水玻璃；不锈钢焊芯中碳≦0.04wt％、硅≦0.05wt％、锰≦1.00wt％、铬为18.0‑21.0wt％、镍为9.0‑11.0wt％，余量为铁；将固体组分粉料混合均匀后，加入钾钠水玻璃混合均匀，将含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上，自然晾干24小时，再经烘干制得含稀土不锈钢焊条。本发明制备得到的不锈钢焊条强度高、韧性大，具有电弧稳定性好、飞溅量小、溶渣覆盖性好及脱渣性能优良的优点，能够满足高强装甲钢焊接领域的应用需求。

Description

一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域。具体地说是涉及到一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条及其制备方法。

背景技术

目前，高强装甲钢是一种用于我国军事作战装备的保护性合金材料,在重型坦克、装甲车等大型复杂武器装备中得以广泛的应用，其中多数高强装甲钢结构件是采用传统手工电弧焊来实现可靠的永久连接。装甲钢作为装甲车辆的主要焊接结构材料，需要具有足够的强度和刚度，以承受各种负荷，满足其防护这一主要作用的应用需求。装甲钢板在战斗中常常受到不同程度的轰击，作为车体装甲板连接手段的焊缝，将承受巨大的载荷。焊缝比较重要的一个功能是要保证车体装甲板在受到很强地动能冲击时仍能保持可靠的连接，因此这就要求装甲钢的焊接接头需具有一定的强度和良好的塑性。由于装甲钢的碳当量较高，并且合金元素含量较大，焊接性较差。目前，对于高强装甲钢的焊接材料主要有奥氏体不锈钢焊条、铁素体不锈钢焊条和奥氏体/铁素体双相不锈钢焊条。

对于高强装甲钢来说，焊条选择的原则是尽量避免焊接裂纹的产生、焊接工艺性良好和焊缝力学性能满足要求。虽然，传统的奥氏体焊条的脱硫、脱磷能力较强，焊缝含氢量较低，在焊前预热的条件下能够满足装甲钢焊接接头的抗裂性和力学性能。但是，传统的不锈钢焊条普遍存在工艺性能较差的缺点，如存在电弧稳定性和脱渣性较差、飞溅较大导致金属损失严重、焊缝成型质量不高等问题，这些将会直接影响高强装甲钢焊接接头的质量和生产效率。

目前，我国国防军工科技实力向更高水平的不断发展，对装甲防护装备制造提出了更高的要求。高强装甲钢用的不锈钢焊条的升级换代已经迫在眉睫。众所周知，焊条的性能(焊接工艺性能和焊缝金属力学性能)主要受药皮成分的影响，通过改善和优化传统的不锈钢焊条药皮成分配方能够提高焊条的工艺性能，提高电弧的稳定性、减小飞溅量，同时能够细化焊缝中的奥氏体组织，减少马氏体脆化组织，最终得到具有更高强韧性的高强装甲钢的焊接接头。因此，如何改善焊条药皮成分来优化和提高传统不锈钢焊条的性能，是相关领域科技人员工作的当务之急。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种工艺性能优良、电弧稳定性好、飞溅量小的高强高韧性的焊条及其制备方法，以克服现有技术的不足，满足高强装甲钢焊接的应用需求。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，由不锈钢焊芯和含稀土药皮两部分组成；所述含稀土药皮由固体组分和液体组分组成；所述固体组分由41wt％大理石、35wt％萤石、11wt％硅铁、2wt％金云母、2wt％硅微粉、1wt％碳酸钠、2-5wt％稀土氧化物和3-6wt％白云石组成；所述不锈钢焊芯中碳含量小于或等于0.04wt％、硅含量小于或等于0.05wt％、锰含量小于或等于1.00wt％、铬含量为18.0-21.0wt％、镍含量为9.0-11.0wt％、余量为铁；所述液体组分为钾钠水玻璃。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，所述钾钠水玻璃的模数为2.8-3.0M，所述钾钠水玻璃的波美度为48.0-49.5°Bé；所述液体组分占固体组分质量的20-25wt％；所述固体组分中，除稀土氧化物以外的其它固体组分的粒度为0.01-0.10mm。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，所述稀土氧化物为氧化铈和/或氧化镧；所述稀土氧化物为氧化铈和氧化镧的混合物时氧化铈与氧化镧的质量比为1:1；所述稀土氧化物的粒径小于或等于100nm。

一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，所述氧化铈的制备方法包括以下步骤：

步骤1-1：将大理石、萤石、硅铁、金云母、硅微粉、碳酸钠、稀土氧化物和白云石混合均匀得到混合粉料；

步骤1-2：向混合粉料中加入钾钠水玻璃，搅拌混匀得到含稀土药皮；

步骤1-3：将含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上，自然晾干24小时，再经烘干制得含稀土不锈钢焊条。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，在步骤1-1中：所述混合粉料中，所述大理石的含量为41wt％、所述萤石的含量为35wt％、所述硅铁的含量11wt％、所述金云母的含量2wt％、所述硅微粉的含量2wt％、所述碳酸钠的含量1wt％、所述稀土氧化物的含量2-5wt％、所述白云石的含量为3-6wt％；所述稀土氧化物为氧化铈和/或氧化镧；所述稀土氧化物为氧化铈和氧化镧的混合物时氧化铈与氧化镧的质量比为1:1；所述稀土氧化物的粒径小于或等于100nm；

在步骤1-2中：所述钾钠水玻璃的浓度为的模数为2.8-3.0M，所述钾钠水玻璃的波美度为48.0-49.5°Bé；所述钾钠水玻璃的添加量占所述混合粉料质量的20-25wt％；所述混合粉料中，除稀土氧化物以外的其它固体组分的粒度为0.01-0.10mm；

在步骤1-3中：所述不锈钢焊芯中碳含量小于或等于0.04wt％、硅含量小于或等于0.05wt％、锰含量小于或等于1.00wt％、铬含量为18.0-21.0wt％、镍含量为9.0-11.0wt％、余量为铁。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，所述氧化铈的制备方法包括以下步骤：

步骤2-1：取硝酸铈固体配置成浓度为0.1mol/L的硝酸铈溶液置于容器中，向容器中缓慢滴加EDTA，边滴加边搅拌，得到无色溶液；所述EDTA的加入量为溶液中硝酸铈物质的量的2.5倍；

步骤2-2：将上述无色溶液在90℃的水浴条件下加热30min，使溶液中的铈以沉淀的形式析出，过滤得到沉淀物和滤液；

步骤2-3：将沉淀物洗涤后放入70℃的烘箱中干燥；

步骤2-4：将干燥后的沉淀物放入马沸炉中，480℃条件下煅烧1.5h，经粉碎后得到氧化铈粉体。

所述氧化镧的制备方法包括以下步骤：

步骤3-1：将硝酸镧配置成0.1mol/L的溶液、柠檬酸配置成0.3mol/L的溶液，将等体积的柠檬酸溶液缓慢滴加到硝酸镧溶液中，并在65℃水浴条件下充分搅拌，直至溶液转变为粘稠状胶体；

步骤3-2：将粘稠状胶体置于真空干燥箱中干燥，105℃烘箱中干燥24h，得到氧化镧前驱体；

步骤3-3：将氧化镧前驱体充分研磨后置于马沸炉中，850℃条件下焙烧5h，得到氧化镧晶体，进一步粉碎后得到氧化镧粉体。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，在步骤1-3中，使用药皮涂覆装置将所述含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上；

所述药皮涂覆装置，包括外液压压涂组件、内螺旋压涂组件和补料组件，所述内螺旋压涂组件设置在所述外液压压涂组件内，且所述内螺旋压涂组件和所述外液压压涂组件同轴线设置，所述补料组件的出料端与所述外液压压涂组件的侧壁连通；所述补料组件向液压压涂组件内提供所述含稀土药皮，所述含稀土药皮在所述内螺旋压涂组件中进行初步压合，并在所述外液压压涂组件中进行二次压合。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，所述内螺旋压涂组件包括内缸体、内端头、端盖和螺旋轴，所述螺旋轴同轴设置在所述内缸体内，所述端盖的侧壁与所述内缸体的第一端固定连接，所述内缸体的第二端与所述内端头的第一端固定连接，所述端盖的侧壁中部开设有轴孔，所述螺旋轴的第一端转动连接在所述端盖侧壁的轴孔内，且所述螺旋轴的第一端穿出所述轴孔，所述螺旋轴的侧壁中部套接有轴承，所述轴承外圈的周向固定连接有内支撑架，所述内支撑架的另一端与所述内缸体的内侧壁固定连接，所述螺旋轴的内壁两端同轴设置有深沟球轴承，所述深沟球轴承内穿设有一个内轴芯，所述内轴芯的第二端与所述内缸体的第二端对齐，所述内轴芯的第一端穿出所述内缸体的第一端，所述内轴芯的内径大于焊芯的外径，所述内缸体的第二端外侧壁固定连接有外支撑架，所述内缸体的第一端侧壁连通有进料斗；

所述内端头的第二端同轴固定连接有内模头，所述内轴芯的第二端内壁固定连接有送丝模头，所述送丝模头的内径与焊芯的外径相匹配，所述螺旋轴的第一端与所述端盖的内侧壁之间设置有密封圈；

所述内缸体的形状为圆柱状，所述内缸体的内径由其第一端向第二端逐渐减小，所述螺旋轴的外径由其第一端向第二端逐渐减小，且所述螺旋轴表面的螺旋叶片螺距由其第一端向第二端逐渐减小。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，所述外液压压涂组件包括壳体、外端头和挤压环板，所述壳体的第二端与所述外端头的第一端固定连接，所述挤压环板活动设置在所述壳体内，所述挤压环板与所述壳体同轴设置，且所述挤压环板的外周向侧壁与所述壳体的内壁密封连接，所述外端头的第二端固定连接有外模头，所述挤压环板的第一端侧壁固定连接有第一液压缸，所述第一液压缸的活塞杆端部与所述挤压环板的侧壁固定连接，所述第一液压缸的轴线与所述壳体的轴线平行；所述壳体与所述内螺旋压涂组件的内缸体同轴设置，所述挤压环板的内周向侧壁与所述内螺旋压涂组件的内缸体的外侧壁密封连接，所述第一液压缸的缸体与所述内螺旋压涂组件的端盖固定连接，所述内螺旋压涂组件的外支撑架端部与所述壳体的内侧壁固定连接，所述壳体的第一端端部固定连接有固定杆，所述固定杆的第一端与所述内螺旋压涂组件的端盖固定连接；

所述外液压压涂组件的外模头内径大于所述内螺旋压涂组件的内模头内径，且所述外模头与所述内模头同轴设置。

上述一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，所述补料组件包括进料筒、送料筒、闸板和第三液压缸，所述进料筒的第一端与所述送料筒的第二端固定连接，所述进料筒和所述送料筒同轴设置，所述送料筒的第一端通过支架固定连接有第三液压缸，所述第三液压缸的活塞杆端部贯穿所述送料筒的第一端并固定连接有压板，所述压板活动设置在所述送料筒内，所述压板的周向侧壁与所述进料筒的内侧壁搭接，所述进料筒的第二端中部设置有阀体，所述阀体内活动连接有闸板，所述闸板的侧壁固定连接有连接杆，所述连接杆的第二端固定连接有第二液压缸，所述第二液压缸的活塞杆端部与所述连接杆的第二端固定连接，所述第二液压缸的缸体侧壁固定连接有固定架，所述第二液压缸的缸体通过所述固定架与所述阀体的侧壁固定连接；所述进料筒的第二端与所述外液压压涂组件的壳体侧壁固定连接并相互导通，所述补料组件的数量为两个或两个以上，且两个或两个以上的补料组件沿所述外液压压涂组件的壳体轴线均匀分布，每个所述补料组件的送料筒侧壁均开设有进料口。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)本发明制备的药皮具有如下作用：

在焊接过程中，如果进入焊缝中的氮和氧过多，则会形成气孔并且增加焊缝的脆性，而焊条药皮可以在电弧的高温作用下保证焊缝金属不受空气中的氧和氮的侵入，从而避免氮和氧与铁化合成氧化铁和氮化铁，起到保护焊缝金属的作用；

电弧实质上是一种气体放电现象，焊件与焊枪中的电极短路使焊条熔化发射热电子，从而使气体产生电离使电弧引燃，电子被阳极吸收，持续放电，形成稳定的电弧，而焊条药皮可以使得电弧在相对稳定的环境下燃烧，起到稳定电弧的作用；

焊接过程中，焊条中的合金成分会因为一定的高温化学反应烧损，而焊条药皮中加入的合金组分则可以补偿这部分损失。在熔敷金属中，大多含有硅元素、碳元素和锰元素，焊条药皮这种促使焊缝金属的合金化作用就在一定程度上保证了焊缝金属可以达到所要求的强度；

焊条药皮可以焊接电弧的弧柱更加集中。焊条药皮中添加的粘结剂可以确保焊条药皮在焊接过程中形成稳定的药皮套筒，而药皮套筒能使电弧柱更加集中，并且具有一定的方向性。这不仅增加了电弧柱的穿透力而且保证了焊接位置的稳定性；

焊条药皮可以形成熔渣。熔渣在焊接时覆盖在熔池和熔滴的表面，隔绝空气，防止氧和氮的侵入，凝固后的熔渣又覆盖在焊缝上，进一步避免了空气对焊缝的损害作用；熔渣还具有改善工艺性的作用，尤其是在引弧、稳弧和减少飞溅方面，同时，熔渣还有利于脱氧、脱硫、脱磷和去氢的进行，促使焊缝金属合金化；此外，熔渣的表面张力、凝固点等可以使得焊条在立焊、仰焊等焊接位置进行焊接；这些都在一定程度上使得焊条可以适应各种位置的焊接、易于操作，并且具有优良的脱渣性和良好的焊缝成型；

焊条药皮具有造气的作用。焊条药皮中的碳酸盐类物质和有机物等可以产生气体，能够起到对焊接区域进行保护的作用，从而避免焊接区域受到空气的侵袭；焊条药皮还可以起到提高焊缝金属致密性及其力学性能的作用，以及粘结、成型和绝缘的作用。

(2)本发明制备得到的含稀土不锈钢焊条具有如下优点：

在焊条药皮中添加稀土氧化物，除了使焊条具有电弧稳定、脱渣性得到改善等优点外，稀土氧化物在焊缝熔敷金属中还起到了净化作用，改善了焊缝金属显微组织，减少了夹杂物，提高了焊缝熔敷金属的综合力学性能，可满足军工领域用高强装甲钢的焊接和其它稀土高强钢的焊接；

当自制稀土氧化物的含量为5％时，含稀土不锈钢焊条的电弧形态逐渐趋于连续型敞开型电弧，焊接过程中电弧电压、电流较为稳定，在150A焊接电流下焊接电弧状态相对稳定；含稀土不锈钢焊条焊接时焊接飞溅数量相对较少、熔渣覆盖性较好、焊条的脱渣性相对较好，焊接焊缝成型也相对较好。

本发明在药皮中添加了自制的氧化铈，与市售的氧化铈相比，自制的氧化铈为立方状萤石结构，粒度较小且均匀，且具有较大的比表面积。因此，在电弧焊中，立方状的氧化铈晶体会使焊缝金属晶体结晶时的晶粒更加细化，再加上氧化铈晶体的比表面积较大，可以大大增加晶界面积，而晶界面积的增大有利于提高焊缝的冲击韧性。另外，具有立方晶系结构的氧化铈晶体在电弧焊的高温环境下可以瞬间分解为活性很高的铈原子，这种高活性铈原子能够快速吸收焊缝中包含的氧、硫、磷等杂质，达到净化焊缝、进一步提高焊缝强度及韧性的作用。同时，由于高活性铈原子对氧的吸收，使焊缝表面很难生成金属氧化膜，这就避免了熔渣中的尖晶石型化合物附着在焊缝金属的表面，从而使熔渣不再粘在焊缝上，表现出较好的脱渣性，因而焊缝成型也较美观。本发明用自制的氧化镧也起到了类似的作用，在焊接过程中，不仅能够稳定电弧燃烧、净化焊缝，还能提高焊缝的强度及抗冲击性。

本发明还提供了一种不锈钢焊条药皮涂覆装置，通过设置内螺旋压涂组件，利用螺旋轴在焊芯的表面进行初步压合药皮。由于焊芯通过螺旋轴的中部进入，焊芯的轴线与螺旋轴的轴线重合，焊芯和压合方向不存在夹角，使得焊芯和药皮的同心度提高。焊芯通过内轴芯进入内螺旋压涂组件时，由于内轴芯和螺旋轴之间为转动连接，即螺旋轴转动时，内轴芯可以不进行转动，从而避免焊芯与转动的螺旋轴内壁摩擦，避免焊芯发生偏转、倾斜，同时利用内轴芯端部的送丝模头，进一步提高焊芯进行初步药皮压合时的同心度。通过设置外液压压涂组件，利用液压动力推动含稀土药皮进行二次压合，将含稀土药皮压合在具有初步压合药皮的焊芯表面，二次压合的药皮对初次压合的药皮施加压力，提高初次压合药皮与焊芯的结合力，并在液压动力的作用下，外层含稀土药皮挤压初次压合药皮使两次压合形成完整的药皮。该装置由于采用两次压合的方式进行压合药皮，初次压合具有较高的同心度，两次压合时单次的压合厚度小于传统的一次压合厚度，当二次压合出现物料不均匀时，由于单次压合的厚度较薄，物料对焊芯的作用力较小，能够保证压合的同心度，即使出现二次压合不同心的情况，由于二次压合较薄，初次压合同心度较高，依然能够保持整体药皮压合的同心度。通过设置补料组件，能够对外液压压涂组件进行补充含稀土药皮，使外液压压涂组件在生产过程中能够保持含稀土药皮充足，实现连续压合，避免停工补料影响生产效率。

附图说明

图1-1本发明实施例中1#焊条在电流130A时的电弧形态；

图1-2本发明实施例中2#焊条在电流130A时的电弧形态；

图1-3本发明实施例中3#焊条在电流130A时的电弧形态；

图1-4本发明实施例中4#焊条在电流130A时的电弧形态；

图1-5本发明实施例中5#焊条在电流130A时的电弧形态；

图2-1本发明实施例中1#焊条在电流150A时的电弧形态；

图2-2本发明实施例中2#焊条在电流150A时的电弧形态；

图2-3本发明实施例中3#焊条在电流150A时的电弧形态；

图2-4本发明实施例中4#焊条在电流150A时的电弧形态；

图2-5本发明实施例中5#焊条在电流150A时的电弧形态；

图3-1本发明实施例中1#焊条在电流170A时的电弧形态；

图3-2本发明实施例中2#焊条在电流170A时的电弧形态；

图3-3本发明实施例中3#焊条在电流170A时的电弧形态；

图3-4本发明实施例中4#焊条在电流170A时的电弧形态；

图3-5本发明实施例中5#焊条在电流170A时的电弧形态；

图4-1本发明实施例中1#焊条130A时的电流电压波形；

图4-2本发明实施例中2#焊条130A时的电流电压波形；

图4-3本发明实施例中3#焊条130A时的电流电压波形；

图4-4本发明实施例中4#焊条130A时的电流电压波形；

图4-5本发明实施例中5#焊条130A时的电流电压波形；

图5-1本发明实施例中1#焊条150A时的电流电压波形；

图5-2本发明实施例中2#焊条150A时的电流电压波形；

图5-3本发明实施例中3#焊条150A时的电流电压波形；

图5-4本发明实施例中4#焊条150A时的电流电压波形；

图5-5本发明实施例中5#焊条150A时的电流电压波形；

图6-1本发明实施例中1#焊条170A时的电流电压波形；

图6-2本发明实施例中2#焊条170A时的电流电压波形；

图6-3本发明实施例中3#焊条170A时的电流电压波形；

图6-4本发明实施例中4#焊条170A时的电流电压波形；

图6-5本发明实施例中5#焊条170A时的电流电压波形；

图7-1本发明实施例中2#焊条130A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图7-2本发明实施例中3#焊条130A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图7-3本发明实施例中4#焊条130A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图7-4本发明实施例中5#焊条130A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图8-1本发明实施例中2#焊条150A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图8-2本发明实施例中3#焊条150A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图8-3本发明实施例中4#焊条150A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图9-1本发明实施例中2#焊条170A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图9-2本发明实施例中4#焊条170A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图9-3本发明实施例中5#焊条170A时的电弧电压、电流概率密度分布；

图10-1本发明实施例中2#焊条在电流130A时的短路时间频数分布及相关参数；

图10-2本发明实施例中3#焊条在电流130A时的短路时间频数分布及相关参数；

图10-3本发明实施例中4#焊条在电流130A时的短路时间频数分布及相关参数；

图10-4本发明实施例中5#焊条在电流130A时的短路时间频数分布及相关参数；

图11-1本发明实施例中2#焊条在电流150A时的短路时间频数分布及相关参数；

图11-2本发明实施例中3#焊条在电流150A时的短路时间频数分布及相关参数；

图12-1本发明实施例中2#焊条在电流130A时的电弧形态；

图12-2本发明实施例中5#焊条在电流130A时的电弧形态；

图13-1本发明实施例中2#焊条130A时的焊接飞溅的焊后形态；

图13-2本发明实施例中5#焊条130A时的焊接飞溅的焊后形态；

图14-1本发明实施例中3#焊条在电流150A时的电弧形态；

图14-2本发明实施例中4#焊条在电流150A时的电弧形态；

图15-1本发明实施例中3#焊条150A时焊接飞溅的焊后形态；

图15-2本发明实施例中4#焊条150A时焊接飞溅的焊后形态；

图16-1本发明实施例中2#焊条在电流170A时的电弧形态；

图16-2本发明实施例中3#焊条在电流170A时的电弧形态；

图17-1本发明实施例中2#焊条170A时焊接飞溅的焊后形态；

图17-2本发明实施例中3#焊条170A时焊接飞溅的焊后形态；

图18-1本发明实施例中1#焊条130A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图18-2本发明实施例中2#焊条130A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图18-3本发明实施例中3#焊条130A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图18-4本发明实施例中4#焊条130A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图18-5本发明实施例中5#焊条130A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图19-1本发明实施例中1#焊条150A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图19-2本发明实施例中2#焊条150A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图19-3本发明实施例中3#焊条150A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图19-4本发明实施例中4#焊条150A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图19-5本发明实施例中5#焊条150A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图20-1本发明实施例中1#焊条170A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图20-2本发明实施例中2#焊条170A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图20-3本发明实施例中3#焊条170A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图20-4本发明实施例中4#焊条170A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图20-5本发明实施例中5#焊条170A时的熔渣覆盖及脱渣状态；

图21本发明中药皮涂覆装置立体结构示意图；

图22本发明中药皮涂覆装置正视结构示意图；

图23本发明中药皮涂覆装置正视剖面结构示意图；

图24本发明中补料组件的正视剖面结构示意图。

图中附图标记表示为：1-外液压压涂组件；101-壳体；102-外端头；103-外模头；104-固定杆；105-第一液压缸；106-挤压环板；2-内螺旋压涂组件；201-内缸体；202-内端头；203-内模头；204-端盖；205-螺旋轴；206-内轴芯；207-密封圈；208-送丝模头；209-进料斗；210-内支撑架；211-外支撑架；3-补料组件；301-进料筒；302-闸板；303-固定架；304-连接杆；305-第二液压缸；306-压板；307-送料筒；308-第三液压缸；309-进料口。

具体实施方式

第一部分：用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条及其制备方法

1.1用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法

用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，包括如下步骤：

步骤1-1：将大理石、萤石、硅铁、金云母、硅微粉、碳酸钠、稀土氧化物和白云石混合均匀得到混合粉料；

步骤1-2：向混合粉料中加入钾钠水玻璃，搅拌混匀得到含稀土药皮；钾钠水玻璃的浓度为的模数为2.8M，所述钾钠水玻璃的波美度为48.0°Bé,钾钠水玻璃的添加质量为混合粉料总质量的25wt％。

步骤1-3：将含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上，自然晾干24小时，再经烘干制得含稀土不锈钢焊条。

在混合粉料中，大理石的含量为41wt％、萤石的含量为35wt％、硅铁的含量11wt％、金云母的含量2wt％、硅微粉的含量2wt％、碳酸钠的含量1wt％，稀土氧化物与白云石含量之和为8wt％，且稀土氧化物为氧化铈和/或氧化镧，稀土氧化物与白云石按照不同的比例添加，制备得到的4种含稀土焊条分别标号为1#、2#、3#和4#，各焊条的具体配方见表1。在表1中，除氧化铈和氧化镧外，其余各组分的粒度均在0.01-0.10mm之间；1#和3#焊条所用的氧化铈为市售球状纳米氧化铈粉体，粒径小于100nm，2#和4#焊条所用的氧化镧和氧化铈均为本发明自制的，其中，氧化铈的制备方法如下：

步骤2-1：取0.1mol/L的硝酸铈溶液置于容器中，向容器中缓慢滴加EDTA，EDTA的加入量为溶液中硝酸铈物质的量的2.5倍；边滴加边搅拌，得到无色溶液；

步骤2-2：将上述无色溶液在90℃的水浴条件下加热30min，使溶液中的铈以沉淀的形式析出，过滤得到沉淀物和滤液；

步骤2-3：将沉淀物洗涤后放入70℃的烘箱中干燥；

步骤2-4：将干燥后的沉淀物放入马沸炉中，480℃条件下煅烧1.5h，在超微粉碎机中粉碎得到氧化铈粉体。经测定，所得氧化铈粉体为立方晶系的立方状萤石结构，粒径在40-100nm之间。

氧化镧的制备方法包括以下步骤：

步骤3-1：取0.1mol/L硝酸镧溶液、0.3mol/L的柠檬酸溶液，将等体积的柠檬酸溶液缓慢滴加到硝酸镧溶液中，并在65℃水浴条件下充分搅拌，直至溶液转变为粘稠状胶体；

步骤3-2：将粘稠状胶体置于真空干燥箱中干燥，105℃烘箱中干燥24h，得到氧化镧前驱体；

步骤3-3：将氧化镧前驱体充分研磨后置于马沸炉中，850℃条件下焙烧5h，得到氧化镧晶体，在超微粉碎机中粉碎得到氧化镧粉体。经测定，所得氧化镧粉体为六方相结构，粒径小于100nm。

其中，在步骤1-3中，1#和3#焊条的压涂方式采用油压机进行压涂，2#和4#焊条采用本发明特制的药皮涂覆装置进行涂覆，其中药皮涂覆装置的结构见图21-图24。

如图21和图22所示，药皮涂覆装置包括外液压压涂组件1、内螺旋压涂组件2和补料组件3，所述内螺旋压涂组件2设置在所述外液压压涂组件1内，且所述内螺旋压涂组件2和所述外液压压涂组件1同轴线设置，所述补料组件3的出料端与所述外液压压涂组件1的侧壁连通。

如图23所示，所述内螺旋压涂组件2包括内缸体201、内端头202、端盖204和螺旋轴205，所述螺旋轴205同轴设置在所述内缸体201内，所述端盖204的侧壁与所述内缸体201的第一端固定连接，所述内缸体201的第二端与所述内端头202的第一端固定连接，所述端盖204的侧壁中部开设有轴孔，所述螺旋轴205的第一端转动连接在所述端盖204侧壁的轴孔内，且所述螺旋轴205的第一端穿出所述轴孔，所述螺旋轴205的侧壁中部套接有轴承，所述轴承外圈的周向固定连接有内支撑架210，所述内支撑架210的另一端与所述内缸体201的内侧壁固定连接，所述螺旋轴205的内壁两端同轴设置有深沟球轴承，所述深沟球轴承内穿设有一个内轴芯206，所述内轴芯206的第二端与所述内缸体201的第二端对齐，所述内轴芯206的第一端穿出所述内缸体201的第一端，所述内轴芯206的内径大于焊芯的外径，所述内缸体201的第二端外侧壁固定连接有外支撑架211，所述内缸体201的第一端侧壁连通有进料斗209，所述内端头202的第二端同轴固定连接有内模头203，所述内轴芯206的第二端内壁固定连接有送丝模头208，所述送丝模头208的内径与焊芯的外径相匹配，所述螺旋轴205的第一端与所述端盖204的内侧壁之间设置有密封圈207，所述内缸体201的形状为圆柱状，所述内缸体201的内径由其第一端向第二端逐渐减小，所述螺旋轴205的外径由其第一端向第二端逐渐减小，且所述螺旋轴205表面的螺旋叶片螺距由其第一端向第二端逐渐减小；通过设置内螺旋压涂组件2，能够利用螺旋轴205在焊芯的表面进行初步压合含稀土药皮，由于焊芯通过螺旋轴205的中部进入，焊芯的轴线与螺旋轴205的轴线重合，焊芯和压合方向不存在夹角，使得焊芯和含稀土药皮的同心度提高，焊芯通过内轴芯206进入内螺旋压涂组件2时，由于内轴芯206和螺旋轴205之间为转动连接，即螺旋轴205转动时，内轴芯206可以不进行转动，从而避免焊芯与转动的螺旋轴205内壁摩擦，避免焊芯发生偏转、倾斜，并利用内轴芯206端部的送丝模头208，能够进一步提高焊芯进行初步含稀土药皮压合时的同心度。

所述外液压压涂组件1包括壳体101、外端头102和挤压环板106，所述壳体101的第二端与所述外端头102的第一端固定连接，所述挤压环板106活动设置在所述壳体101内，所述挤压环板106与所述壳体101同轴设置，且所述挤压环板106的外周向侧壁与所述壳体101的内壁密封连接，所述外端头102的第二端固定连接有外模头103，所述挤压环板106的第一端侧壁固定连接有第一液压缸105，所述第一液压缸105的活塞杆端部与所述挤压环板106的侧壁固定连接，所述第一液压缸105的轴线与所述壳体101的轴线平行；所述壳体101与所述内螺旋压涂组件2的内缸体201同轴设置，所述挤压环板106的内周向侧壁与所述内螺旋压涂组件2的内缸体201的外侧壁密封连接，通过设置外液压压涂组件1，能够利用液压动力推动粉料进行二次压合，将粉料压合在具有初步压合含稀土药皮的焊芯表面，二次压合的含稀土药皮对初次压合的含稀土药皮施加压力，提高初次压合含稀土药皮与焊芯的结合力，并在液压动力的作用下，外层粉料挤压初次压合含稀土药皮使两次压合形成完整的药皮，所述第一液压缸105的缸体与所述内螺旋压涂组件2的端盖204固定连接，所述内螺旋压涂组件2的外支撑架211端部与所述壳体101的内侧壁固定连接，所述壳体101的第一端端部固定连接有固定杆104，所述固定杆104的第一端与所述内螺旋压涂组件2的端盖204固定连接，所述外液压压涂组件1的外模头103内径大于所述内螺旋压涂组件2的内模头203内径，且所述外模头103与所述内模头203同轴设置；由于采用两次压合的方式进行压合含稀土药皮，初次压合具有较高的同心度，两次压合时单次的压合厚度小于传统的一次压合厚度，当二次压合出现物料不均匀时，由于单次压合的厚度较薄，物料对焊芯的作用力较小，能够保证压合的同心度，即使出现二次压合不同心的情况，由于二次压合较薄，初次压合同心度较高，依然能够保持整体压合的同心度。

如图24所示，所述补料组件3包括进料筒301、送料筒307、闸板302和第三液压缸308，所述进料筒301的第一端与所述送料筒307的第二端固定连接，所述进料筒301和所述送料筒307同轴设置，所述送料筒307的第一端通过支架固定连接有第三液压缸308，所述第三液压缸308的活塞杆端部贯穿所述送料筒307的第一端并固定连接有压板306，所述压板306活动设置在所述送料筒307内，所述压板306的周向侧壁与所述进料筒301的内侧壁搭接，所述进料筒301的第二端中部设置有阀体，所述阀体内活动连接有闸板302，所述闸板302的侧壁固定连接有连接杆304，所述连接杆304的第二端固定连接有第二液压缸305，所述第二液压缸305的活塞杆端部与所述连接杆304的第二端固定连接，所述第二液压缸305的缸体侧壁固定连接有固定架303，所述第二液压缸305的缸体通过所述固定架303与所述阀体的侧壁固定连接；所述进料筒301的第二端与所述外液压压涂组件1的壳体101侧壁固定连接并相互导通，所述补料组件3的数量为两个或两个以上，且两个或两个以上的补料组件3沿所述外液压压涂组件1的壳体101轴线均匀分布，每个所述补料组件3的送料筒307侧壁均开设有进料口309；通过设置补料组件3，能够对外液压压涂组件1进行补充粉料，使外液压压涂组件1在生产过程中能够保持粉料充足，实现连续压合，避免停工补料影响生产效率。

药皮涂覆装置的工作流程：使用时，将壳体101与外部机架固定，并将螺旋轴205与外接动力传动连接，将含稀土药皮加入进料斗209，通过外部液压站控制第二液压缸305收缩，控制闸板302打开，通过进料口309向送料筒307内加入粉料，粉料通过送料筒307进入送料筒307和壳体101与内缸体201之间的空间，当加料完成后，控制第三液压缸308伸长，推动压板306向下压动粉料，使粉料进入壳体101与内缸体201之间，然后控制第三液压缸308收缩复位，并控制第二液压缸305复位，带动闸板302复位关闭；

将焊芯通过传送机构输入至内轴芯206并向前推动，螺旋轴205不断转动，向前推动含稀土药皮并压缩含稀土药皮，在内端头202处将含稀土药皮压合到焊芯的表面，形成药皮初步压合，控制第一液压缸105伸长，通过挤压滑板向前推动含稀土药皮压缩，使含稀土药皮向前挤压，在外端头102和内端头202之间处将含稀土药皮挤压在已经完成初步压合的药皮表面，完成二次压合；在使用时，外液压压涂组件1和内螺旋压涂组件2的含稀土药皮挤出压力应最大程度的保持一致；

当壳体101与内缸体201之间的挤压环板106接近补料组件3时，即需要向壳体101与内缸体201之间补充含稀土药皮，补充时，向进料口309内装入含稀土药皮，含稀土药皮进入进料筒301，然后控制第三液压缸308伸长，带动压板306压实含稀土药皮，第三液压缸308的工作压力应与第一液压缸105的工作压力相同，从而最大程度的减小补料时壳体101与内缸体201之间的含稀土药皮压力波动，然后控制第二液压缸305伸长，带动闸板302开启，同时第三液压缸308继续伸长，挤压含稀土药皮，将含稀土药皮推入壳体101与内缸体201之间，进行补料，壳体101与内缸体201之间含稀土药皮增加，此时，通过液压站提高第三液压缸308的工作压力，使壳体101与内缸体201之间含稀土药皮压力增加，通过液压站控制第一液压缸105在稳定的工作压力下缓慢收缩，将含稀土药皮压入壳体101与内缸体201之间，完成补料；当第三液压缸308接近闸板302时，液压站控制第二液压缸305推动闸板302复位，将进料筒301关闭，同时第一液压缸105恒压推动挤压环板106，继续控制含稀土药皮恒压挤出，然后液压站控制第三液压缸308带动压板306复位。

用本装置对焊条进行药皮涂覆可以有效保证焊条与药皮的同心度，有利于提高焊条在应用中的电弧燃烧的稳定性。

1.2用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条

表1为1.1部分所制备的4种含稀土不锈钢焊条的具体配方。表中带有“(自制)”标记的表示该组分为本发明自行制备。

表1中，各组分在焊条中发挥的作用如下：

大理石：大理石中碳酸钙含量在95％左右，同时含有极少量的硫和磷，含量小于5％。大理石在焊条药皮中主要充当造气剂和造渣剂，大理石在受到焊接热源的作用时，不断熔化形成熔渣保护熔池，在焊接时分解产生二氧化碳产生气体，从而起到隔绝空气，保证焊缝不被氧化、氮化的作用；同时，大理石还具有稳弧、提高熔渣碱度、脱硫和间接脱磷等作用。大量试验表明，大理石含量过多会使焊条药皮熔点增高、焊接速度变慢、焊缝成型粗糙，同时，在焊接过程中的飞溅会变大，耗电量也随之增大。

白云石：白云石的主要化学成分是CaMg(CO₃)₂。白云石中含有大理石的主要成分，其主要作用与大理石相似，但是白云石具有更强的耐候性。

萤石：萤石的主要化学成分是CaF₂，含量在95％左右，同时含有极少量的硫和磷，含量小于5％。萤石在碱性焊条中的作用相对重要，是一种重要的造渣剂，它能够降低碱性渣的熔点，同时降低熔渣的表面张力、粘稠度，增加渣的流动性等。此外，萤石还是一种强稀释剂，使焊缝中的气体容易逸出，从而减少气体杂质，具有一定的去氢作用。但是萤石也是一种高电离元素，会破坏电弧的稳定性，因此，药皮中萤石含量不能过量，以免影响焊接过程的稳定性。

硅铁：硅铁的主要成分是Si、Fe，其主要作用是补偿焊缝中金属有益元素的烧损和获得合金成分，以提高焊缝金属韧性。硅铁是很好的合金剂和脱氧剂，在药皮中添加硅铁还有利于使熔池金属脱氧。

氧化铈：具有稳定电弧燃烧、净化焊缝、改善焊缝脱渣性能、提高焊缝的强度和韧性等作用。

氧化镧：主要作用是稳定电弧燃烧、净化焊缝杂质、改善焊接脱渣性能以及提高焊缝的强度和韧性。

硅微粉：硅微粉的介电性能好，具有较高导热系数的同时，还有着相对较低的热膨胀系数，具有良好的造渣作用。

金云母：具有造渣、增加抗裂性、避免药皮开裂等作用。其次，金云母还能够改善药皮的压涂性能，稳定焊条电弧、细化熔滴，在焊接过程中改善焊接脱渣性能。但颗粒过粗的云母会导致药皮疏松，焊条易破头及擦伤，同时使药皮过粗，使表面质量差，所以需要选择合适的云母材料。

碳酸钠：主要成分为Na₂CO₃。在焊条药皮中添加一定量的碳酸钠可以提高焊缝的成型性，同时还具有造渣和稳弧的作用。

钾钠水玻璃：主要作为药皮的粘结剂，具有稳弧造渣的作用。若钾钠水玻璃的浓度过高或添加量过大，会造成焊条的焊速降低、飞溅大、渣的粘度提高，从而影响焊缝的机械性能。另外，钾钠水玻璃的浓度过高还会导致药皮快干性加强，易使焊条药皮偏心，还有可能导致药皮焊条在经高温烘干后药皮强度降低。

自制的氧化铈为立方状萤石结构，粒度较小且均匀，且具有较大的比表面积。因此，在电弧焊中，立方状的氧化铈晶体会使焊缝金属晶体结晶时的晶粒更加细化，再加上氧化铈晶体的比表面积较大，可以大大增加晶界面积，而晶界面积的增大有利于提高焊缝的冲击韧性。另外，具有立方晶系结构的氧化铈晶体在电弧焊的高温环境下可以瞬间分解为活性很高的铈原子，这种高活性铈原子能够快速吸收焊缝中包含的氧、硫、磷等杂质，达到净化焊缝、进一步提高焊缝强度及韧性的作用。同时，由于高活性铈原子对氧的吸收，使焊缝表面很难生成金属氧化膜，这就避免了熔渣中的尖晶石型化合物附着在焊缝金属的表面，从而使熔渣不再粘在焊缝上，表现出较好的脱渣性，因而焊缝成型也较美观。本发明用自制的氧化镧也起到了类似的作用，在焊接过程中，不仅能够稳定电弧燃烧、净化焊缝，还能提高焊缝的强度及抗冲击性。

表1

第二部分：用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条工艺性能分析

2.1材料和方法

2.1.1材料

为了分析稀土对不锈钢焊条工艺性能的影响，本部分选取包头一机集团神鹿牌A147电焊条(标记为5#焊条)作为对照，对第一部分所制备的含稀土不锈钢焊条进行焊接测试，对比其电弧稳定性、飞溅、熔渣覆盖性及脱渣性能。5#焊条的具体参数见表2-4：表2为5#焊条的熔覆金属化学成分、表3是5#焊条熔覆金属力学性能、表4为5#焊条的参考电流。

表2

表3

表4

2.1.2方法

选择100*150*5mm大小的Q235钢板为焊接测试的被焊材料，Q235钢板的化学成分如表5所示。

表5

在焊接测试过程中，采用焊条电弧焊进行焊接，同时配备高速摄像以及电流电压新号采集系统进行数据采集，其测试过程如下：

(1)将被焊材料Q235钢板表面的油污、锈迹等杂质清除干净；

(2)分别把1-5#焊条置于烘干箱中在350℃温度下烘干1小时，取出后置于150℃的焊条保温桶中保温待用；

(3)连接高速摄像，调整设备频率为1000，调整光圈至引弧位置清晰可见；

(4)连接电流电压信号采集系统，调整接受信号装置；

(5)试焊，在所有试验设备准备就绪后，进行试验焊接，调节焊接参数，调整焊接技巧，确定试验所需参数。本次测试采用参数为：在130A、150A、170A三种电流下分别进行焊接；

(6)按照测试参数依次进行焊接，自然冷却，清理焊缝。

2.2测试结果分析

2.2.1焊条电弧形态的高速摄像观察与分析

图1-1至图1-5、图2-1至图2-5、图3-1至图3-5分别为130A、150A、170A电流下焊接时，高速摄像电弧形态。按照电弧的形态，连续形电弧较为稳定，敞开形电弧能够增大接触面积，使焊接过程中熔滴受热面积增大，熔滴受到电弧的热作用而温度升高，进而导致熔滴表面张力减小，易于渣壁过渡的进行。图1-1中，焊接电弧大部分没有逸出药皮套筒，电弧飘移相对较小，同时可以看出电弧在药皮套筒周边相对运动，电弧燃烧形态比较平稳；图1-2和图1-4中，相对于图1-1电弧的弧根明显变大，电弧形态明显扩大，但仍然在药皮套筒内，电弧燃烧更加稳定；图1-3中，电弧的弧根进一步扩大，但是也可以看出电弧边缘有了一定的相对运动，所以电弧燃烧加剧；图1-5中电弧的弧根面积比较图1-1的弧根显著缩小，电弧趋于伸出药皮套筒，使得电弧燃烧更加猛烈，明显可以看到电弧的偏移以及飞溅的产生。图2-1至图2-5、图3-1至图3-5表现出了与图1-1至图1-5较一致的现象，但由于电流增大的原因，燃烧相对剧烈。在150A电流下，2#试验焊条和4#试验焊条电弧稳定性明显较好，加入自制稀土氧化物后明显提高了电弧稳定性。综合图1-1至图3-5来看，添加稀土氧化物可以使电弧变大，呈现出敞开型电弧形态，飞溅及烟尘降低，当添加的氧化铈为2％的市售球状纳米氧化铈时，电弧变得集中，燃烧更加剧烈，相对于其他含稀土氧化物焊条而言，电弧稳定性较差。而不加稀土氧化物的焊条在燃烧时产生了大量的飞溅及烟尘，电弧相比较来说更加不稳定。

加入稀土氧化物的焊条在焊接时电弧发生转变的原因可能是：加入稀土氧化物后，由于稀土元素易于失去最外层电子，且根据稀土为低电离电位元素的物理性质，使其能够在电弧作用时，提供较多的电子，降低电离电压，从而提高电弧的稳定性，减少飞溅。当电弧过于集中的时，会使熔滴受热减少、温度降低，从而表面张力增加；同时，电弧的集中还会使阴极斑点相对减小，导致焊条的焊芯金属蒸发速度快，推动熔滴在焊接过程中发生形变；而电弧形态会随着稀土氧化物的加入而变得趋于敞开型，但是如果稀土氧化物加入过量，电弧形态不断改变，会使熔滴表面张力和焊条焊芯的蒸发作用不断增大，同时使熔滴在焊条上的停留时间过长，在力的作用下容易被挤压出焊接区，导致飞溅量增加、电弧稳定性变差。因此，药皮中稀土氧化物的加入要适量。

2.2.2焊条焊接电流、电压波形图的分析

图4-1至图4-5、图5-1至图5-5、图6-1至图6-5分别为130A、150A、170A电流下焊接时焊条电流电压波形图组。电弧电压通常随着电弧的长度不断变化的，焊条电弧焊中，电弧长度控制相对较难，所以就需要较强的操作技术，电弧电压的稳定性受到药皮以及熔滴过渡的影响。由图4-1至图4-5可知，不加入稀土氧化物的图4-5和加入稀土氧化铈含量为5％的图4-1中，产生了长时短路现象较明显，电流电压波形图相对产生波动较大，从而影响电弧的稳定性。相对于图4-1来说，图4-2、图4-4的电弧波动较小，电弧电流电压相对较稳定。图4-3中，电流电压波形波动幅度稍大于图4-2、图4-4，其波动周期也明显较小，在同样的焊接时间内，存在着更明显的波动，从而电弧稳定性相对较差。综合来说，在130A时，自制稀土氧化物含量在5％左右时，电弧相对来说比较稳定。由图5-1至图5-5可以看出，相对于130A电流下的电流电压波形变化有所减小。如图5-2、图5-4所示，自制稀土氧化物加入的含量在5％时的电弧更加稳定；但稀土氧化物为2％的市售氧化铈时，明显引起了长时短路的产生，不加入稀土氧化物的图5-5和加入市售稀土氧化铈含量为5％的图5-1中，电流电压波形图相对产生波动较大，且有发生长时短路的倾向，使电弧稳定性受到了影响。当焊条和工件发生接触时，会发生短路现象。短路过渡的形态可以有长时短路和瞬时短路。长时短路大多可能是由焊接时操作失误产生的短路，除此之外，在焊接过程中，由于熔滴在做不规则运动，同时受到力的作用会发生偏移，也会导致长时短路的产生。另外，在焊接过程中，在焊条和母材熔化后的金属即将发生接触的瞬间或恰好接触的时候，也会产生短路，但这种接触很快就会脱离，这就产生了瞬时短路的现象。

由此可以说明，不含稀土氧化物焊条的焊接电流电压波动性比较大，如图-1所示，电弧不稳定，同时，短路发生频率较高，且经过整个焊接过程的焊接电压电流对比发现，短路现象没有周期性；如图4-2、图5-2和图6-2以及图4-4、图5-4和图6-4所示，加入稀土氧化物后，电压电流波动减小，短路频数相对减小，很少出现短路，且自制稀土氧化物表现出更好地稳定性；但如图4-3、图5-3和图6-3所示的加入稀土氧化物不足时，电流电压依然出现波动性，电弧也开始变得不稳定起来。所以可以认为，加入适量的稀土氧化物可以改善电弧的稳定性，减少电弧的短路次数分布。结合稀土的性质可知：在焊接过程中，可能由于当稀土元素适量时，因其低电离电位性质增加了电弧中的带电粒子，起到了稳弧作用，使得焊接电弧稳定性增加。

2.2.3焊条焊接时电弧电压、电流概率密度分布分析

图7-1至图7-4、图8-1至图8-3、图9-1至图9-3分别为130A、150A、170A电流下焊接时电弧电压、电流概率密度分布图组。电流电压的概率密度分布图反映了焊接电流电压的概率分布情况，是对焊接稳定性评判的一种重要手段。电流电压概率密度分布图为双驼峰曲线，其中较低的部分为熔滴短路时的电压电流概率密度分布图，而较高的部分才是焊接时的概率密度分布图。小驼峰的覆盖范围取决于低电压概率密度和短路时间的长短。通过加与不加稀土氧化物焊条的焊接过程可以发现，随着熔滴的大小变化，短路时间也随之不断变化，从而影响了短路形成的低电压概率密度变化。由图7-1至图7-4可以看出，不加稀土氧化物的小驼峰范围较大，说明存在的短路较多且范围较大，同时，大驼峰上也出现了覆盖范围广、概率密度不稳定的情况，出现了概率密度突变，引起了电压值的概率密度变化，从而说明了断弧现象的增多，使得电弧稳定性下降。图7-1和图7-3中，加入自制稀土氧化物后小驼峰区域几乎消失，且大驼趋于集中，说明电压密度相对集中，产生的电弧相对稳定。但当加入的稀土氧化物为2％的市售氧化铈时，出现了小驼峰覆盖区域，说明焊接过程中出现了短路现象，影响电弧的稳定性。

由图8-1至图8-3可知，电压概率密度图中小驼峰几乎消失，但图8-1、图8-3中，加入自制氧化铈和自制氧化镧各2.5％和加入自制稀土氧化物含量为5％氧化铈的电压波形图大驼峰更加趋于集中，电压密度相对集中，产生的电弧相对稳定，但是图8-2中的用于焊接的电压概率密度相对分散，说明当加入稀土氧化铈2％的市售氧化铈时，电弧波动趋于变大，存在着较大的短路概率，使焊接过程容易出现短路现象，影响电弧的稳定性。

如图9-1至图9-3所示，当焊接电流达到170A时，在焊接过程中4#、5#焊条的电压概率密度图又出现了小驼峰，也就是短路过程又再次出现，这就引起了电弧稳定性的变化，而2#焊条在焊接过程中小驼峰的覆盖范围较小，短路相对较少，但也存在焊接过程中的电压概率密度分布变大，相比图8-1至图8-3中2#焊条的稳定性下降。总的来说，在170A电流下，整体焊接电弧的稳定性相对于150A焊接电流下的电弧稳定性有所下降。

由此可以说明，本次测试所见均为短路过渡方式，图7-2、图8-2和图9-2以及图7-4、图8-4和图9-4中的小驼峰覆盖范围较小，说明焊接时的短路频率小，而图7-3、图8-3和图9-3中小驼峰的覆盖范围又有所增加，从而间接说明了在相同的电流下，加入适当稀土氧化物后，有助于使焊接电弧更加稳定、改善焊条的工艺性能。在不同焊接电流下，当电流为150A时，小驼峰出现的范围越来越小，说明焊接过程中的短路频数越来越少，焊接电弧越稳定，所以在150A电流时的工艺性能相对较稳定。

2.2.4焊条焊接时短路过程分析

图10-1至图10-4、图11-1至图11-2分别为130A、150A电流下焊接时短路时间频数分布及相关参数图组。通过对焊条焊接电流电压概率密度分布的分析可知，焊条在电弧焊过程中存在短路波形。由图10-1至图10-4可以看出，图10-1中出现的长时短路频数非常小，大部分都是瞬时短路。图10-3短路时间最大概率密度相对较小，图10-4中，长时短路频数明显较大，图10-1中瞬时短路频数明显高于长时短路。因此可知，焊条熔滴过渡的熔滴尺寸较小，在产生瞬时接触时发生短路后又直接引燃电弧保证电弧的连续性和稳定性，而不加稀土氧化物的5#焊条，长时短路频率较高，这说明稀土氧化物可以改善焊条电弧稳定性，提高焊条焊接性能。另外，2#焊条的瞬时短路频数占大多数，基本不存在长时短路，这说明该焊条较其余几组焊条的电弧稳定性更好。

由图11-1可以看出，图11-1的瞬时短路频数明显高于长时短路，这是因为焊条熔滴过渡的熔滴尺寸较小，在产生瞬时接触时发生短路后又直接引燃电弧，从而保证电弧的连续性和稳定性。而加入市售稀土氧化铈含量为2％的图11-2的3#焊条，长时短路频率较高，且存在时间分布不同、数量较多的长时短路。总的来说，当稀土氧化物为2％的市售氧化铈时，短路频率明显较大，焊接电弧的稳定性也较差。

由此可见，在焊接电流为150A、自制稀土氧化物添加量为5％时，焊接过程中的长时短频数最小，且长时短路发生的概率相对较小，而当焊接电流增大到170A时，且当稀土氧化物为2％的市售氧化铈时，焊接短路明显较多，电弧稳定性也较差。

2.2.5焊条飞溅产生的焊后形态及高速摄像观察

图12-1至图12-2、图14-1至图14-2、图16-1至图16-2是在三种焊接电流下，焊条在焊接过程中飞溅现象的高速摄像图，图13-1至图13-2、图15-1至图15-2、图17-1至图17-2是在三种焊接电流下，焊条焊后飞溅现象的实际状态图。图12-1和图12-2分别是加入自制氧化铈和自制氧化镧各2.5％的2#焊条和未加稀土的5#焊条的典型飞溅的高速摄像图，在图12-1中，产生的典型飞溅是在焊条熔化过程中产生的小颗粒飞溅，而图12-2中的飞溅尺寸对比图12-1来说相对较大，熔滴在向母材过渡的过程中容易飞出，产生较大颗粒的飞溅。从图13-1至图13-2也能看出，2#焊条产生的飞溅在焊后实物图中，产生的飞溅形态不存在大颗粒飞溅，而5#焊条产生的飞溅滴落到母材上的数量较多，尺寸相对较大。

图14-1和图14-2分别是加入2％市售氧化铈的3#焊条和加入自制氧化铈5％的4#焊条的典型飞溅的高速摄像图，在图14-2中，产生的典型飞溅依然是小颗粒飞溅，而图14-1中的飞溅尺寸较图12-1来说相对较大。这是因为电流增大时，熔滴在向母材过渡的过程中更容易受力飞出，从而产生较大的颗粒飞溅。从图15-1至图15-2也能看出，4#焊条产生的飞溅中存在少量大颗粒飞溅，而3#焊条产生的飞溅滴落到母材上的数量较多，尺寸也相对较大。也就是说，当加入2％的市售氧化铈时，与加入自制稀土氧化物的焊条相比，焊接飞溅数量较多，尺寸也相对较大。图16-1至图16-2、图17-1至图17-2是170A电流下焊接飞溅情况组图，从图中可以看到与图14-1和图14-2、图15-1至图15-2相似的规律，且由于电流增大，导致2#焊条在焊接过程中也产生了爆炸飞溅。这说明加入稀土氧化物后可以有效地减少焊接飞溅数量及飞溅尺寸。这主要是由于稀土单质原子特有的物理化学性质，使其可以被吸附到熔滴表面，降低熔滴表面张力，使熔滴过渡更加容易，因而也就降低了熔池金属在力的作用下被挤出的可能性，减少飞溅的发生。

2.2.6焊条熔渣覆盖性及脱渣性分析

图18-1至图18-5、图19-1至图19-5、图20-1至图20-5分别为130A、150A、170A电流下焊接时熔渣覆盖性及脱渣性图组。图18-3、图18-5所示，在130A电流下，加入2％市售氧化铈的3#焊条和未加入稀土氧化物的5#焊条产生了蹦渣现象，且未能完全脱渣，1#、3#、5#焊条的熔渣在经过后期清理后仍然存在部分熔渣无法脱落。而2#、4#焊条焊接出来的焊件在经过焊后处理后基本实现完全脱渣。在150A电流下，图19-1出现少量蹦渣，但脱渣性仍然较好，其它几组试验的熔渣覆盖性以及脱渣性都相对较好，而且整个脱渣过程相对较容易。在焊缝成形方面，未加稀土氧化物的5#焊条产生了咬边现象，相对来说，2#和4#焊条的焊缝成形较好。碱性焊条脱渣较为困难，焊条脱渣性差不仅会降低焊接生产率，还会导致夹渣缺陷。由此可知，未加入稀土氧化物时，焊缝未能完全脱渣，产生咬边等缺陷；加入稀土氧化物的时候，熔渣覆盖性均匀，只有少量蹦渣，并且熔渣成块状脱落，粘渣减少；当稀土氧化物含量增加时，熔渣覆盖的更加完全均匀，脱渣也较为容易，可以成块脱落。

综上所述，本发明所制备的含稀土不锈钢焊条与不添加稀土氧化物的不锈钢焊条相比，其工艺性能有很大的提升，尤其是当加入的含稀土氧化物为本发明自行制备时，工艺性能更优。本发明所提供的药皮涂覆装置可以将药皮分两次压涂到焊芯上，从而使所制备的含稀土不锈钢焊条的焊芯和药皮具有更好的同心度，进而有利于其工艺性能的提升。

Claims (10)

1.一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，由不锈钢焊芯和含稀土药皮两部分组成；所述含稀土药皮由固体组分和液体组分组成；所述固体组分由41wt％大理石、35wt％萤石、11wt％硅铁、2wt％金云母、2wt％硅微粉、1wt％碳酸钠、2-5wt％稀土氧化物和3-6wt％白云石组成；所述不锈钢焊芯中碳含量小于或等于0.04wt％、硅含量小于或等于0.05wt％、锰含量小于或等于1.00wt％、铬含量为18.0-21.0wt％、镍含量为9.0-11.0wt％，余量为铁；所述液体组分为钾钠水玻璃。

2.根据权利要求1所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，所述钾钠水玻璃的模数为2.8-3.0M，所述钾钠水玻璃的波美度为48.0-49.5°Bé；所述液体组分占固体组分质量的20-25wt％；所述固体组分中，除稀土氧化物以外的其它固体组分的粒度为0.01-0.10mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，所述稀土氧化物为氧化铈和/或氧化镧；所述稀土氧化物为氧化铈和氧化镧的混合物时氧化铈与氧化镧的质量比为1:1；所述稀土氧化物的粒径小于或等于100nm。

4.一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1-1：将大理石、萤石、硅铁、金云母、硅微粉、碳酸钠、稀土氧化物和白云石混合均匀得到混合粉料；

步骤1-2：向混合粉料中加入钾钠水玻璃，搅拌混匀得到含稀土药皮；

步骤1-3：将含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上，自然晾干24小时，再经烘干制得含稀土不锈钢焊条。

5.根据权利要求4所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，其特征在于，在步骤1-1中：所述混合粉料中，所述大理石的含量为41wt％、所述萤石的含量为35wt％、所述硅铁的含量11wt％、所述金云母的含量2wt％、所述硅微粉的含量2wt％、所述碳酸钠的含量1wt％、所述稀土氧化物的含量2-5wt％、所述白云石的含量为3-6wt％；所述稀土氧化物为氧化铈和/或氧化镧；所述稀土氧化物为氧化铈和氧化镧的混合物时氧化铈与氧化镧的质量比为1:1；所述稀土氧化物的粒径小于或等于100nm；

在步骤1-2中：所述钾钠水玻璃的模数为2.8-3.0M，所述钾钠水玻璃的波美度为48.0-49.5°Bé；所述钾钠水玻璃的添加量占所述混合粉料质量的20-25wt％；所述混合粉料中，除稀土氧化物以外的其它固体组分的粒度为0.01-0.10mm；

在步骤1-3中：所述不锈钢焊芯中碳含量小于或等于0.04wt％、硅含量小于或等于0.05wt％、锰含量小于或等于1.00wt％、铬含量为18.0-21.0wt％、镍含量为9.0-11.0wt％、余量为铁。

6.根据权利要求5所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，其特征在于，所述氧化铈的制备方法包括以下步骤：

步骤2-1：取硝酸铈固体配置成浓度为0.01mol/L的硝酸铈溶液置于容器中，向容器中缓慢滴加EDTA，边滴加边搅拌，得到无色溶液；所述EDTA的加入量为溶液中硝酸铈物质的量的2.5倍；

步骤2-2：将上述无色溶液在90℃的水浴条件下加热30min，使溶液中的铈以沉淀的形式析出，过滤得到沉淀物和滤液；

步骤2-3：将沉淀物洗涤后放入70℃的烘箱中干燥；

步骤2-4：将干燥后的沉淀物放入马沸炉中，480℃条件下煅烧1.5h，经粉碎后得到氧化铈粉体；

所述氧化镧的制备方法包括以下步骤：

步骤3-1：将硝酸镧配置成0.1mol/L的溶液、柠檬酸配置成0.3mol/L的溶液，将等体积的柠檬酸溶液缓慢滴加到硝酸镧溶液中，并在65℃水浴条件下充分搅拌，直至溶液转变为粘稠状胶体；

步骤3-2：将粘稠状胶体置于真空干燥箱中干燥，105℃烘箱中干燥24h，得到氧化镧前驱体；

步骤3-3：将氧化镧前驱体充分研磨后置于马沸炉中，850℃条件下焙烧5h，得到氧化镧晶体，进一步粉碎后得到氧化镧粉体。

7.根据权利要求4所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条的制备方法，其特征在于，在步骤1-3中，使用药皮涂覆装置将所述含稀土药皮压涂于不锈钢焊芯上；

所述药皮涂覆装置包括外液压压涂组件(1)、内螺旋压涂组件(2)和补料组件(3)，所述内螺旋压涂组件(2)设置在所述外液压压涂组件(1)内，且所述内螺旋压涂组件(2)和所述外液压压涂组件(1)同轴线设置，所述补料组件(3)的出料端与所述外液压压涂组件(1)的侧壁连通；所述补料组件(3)向液压压涂组件内提供所述含稀土药皮，所述含稀土药皮在所述内螺旋压涂组件中进行初步压合，并在所述外液压压涂组件中进行二次压合。

8.根据权利要求7所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，所述内螺旋压涂组件(2)包括内缸体(201)、内端头(202)、端盖(204)和螺旋轴(205)，所述螺旋轴(205)同轴设置在所述内缸体(201)内，所述端盖(204)的侧壁与所述内缸体(201)的第一端固定连接，所述内缸体(201)的第二端与所述内端头(202)的第一端固定连接，所述端盖(204)的侧壁中部开设有轴孔，所述螺旋轴(205)的第一端转动连接在所述端盖(204)侧壁的轴孔内，且所述螺旋轴(205)的第一端穿出所述轴孔，所述螺旋轴(205)的外侧壁中部套接有轴承，所述轴承外圈的周向固定连接有内支撑架(210)，所述内支撑架(210)的另一端与所述内缸体(201)的内侧壁固定连接，所述螺旋轴(205)的内壁两端同轴设置有深沟球轴承，所述深沟球轴承内穿设有一个内轴芯(206)，所述内轴芯(206)的第二端与所述内缸体(201)的第二端对齐，所述内轴芯(206)的第一端穿出所述内缸体(201)的第一端，所述内轴芯(206)的内径大于焊芯的外径，所述内缸体(201)的第二端外侧壁固定连接有外支撑架(211)，所述内缸体(201)的第一端侧壁连通有进料斗(209)；

所述内端头(202)的第二端同轴固定连接有内模头(203)，所述内轴芯(206)的第二端内壁固定连接有送丝模头(208)，所述送丝模头(208)的内径与焊芯的外径相匹配，所述螺旋轴(205)的第一端与所述端盖(204)的内侧壁之间设置有密封圈(207)；

所述内缸体(201)的形状为圆柱状，所述内缸体(201)的内径由其第一端向第二端逐渐减小，所述螺旋轴(205)的外径由其第一端向第二端逐渐减小，且所述螺旋轴(205)表面的螺旋叶片螺距由其第一端向第二端逐渐减小。

9.根据权利要求7所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，所述外液压压涂组件(1)包括壳体(101)、外端头(102)和挤压环板(106)，所述壳体(101)的第二端与所述外端头(102)的第一端固定连接，所述挤压环板(106)活动设置在所述壳体(101)内，所述挤压环板(106)与所述壳体(101)同轴设置，且所述挤压环板(106)的外周向侧壁与所述壳体(101)的内壁密封连接，所述外端头(102)的第二端固定连接有外模头(103)，所述挤压环板(106)的第一端侧壁固定连接有第一液压缸(105)，所述第一液压缸(105)的活塞杆端部与所述挤压环板(106)的侧壁固定连接，所述第一液压缸(105)的轴线与所述壳体(101)的轴线平行；所述壳体(101)与所述内螺旋压涂组件(2)的内缸体(201)同轴设置，所述挤压环板(106)的内周向侧壁与所述内螺旋压涂组件(2)的内缸体(201)的外侧壁密封连接，所述第一液压缸(105)的缸体与所述内螺旋压涂组件(2)的端盖(204)固定连接，所述内螺旋压涂组件(2)的外支撑架(211)端部与所述壳体(101)的内侧壁固定连接，所述壳体(101)的第一端端部固定连接有固定杆(104)，所述固定杆(104)的第一端与所述内螺旋压涂组件(2)的端盖(204)固定连接；

所述外液压压涂组件(1)的外模头(103)内径大于所述内螺旋压涂组件(2)的内模头(203)内径，且所述外模头(103)与所述内模头(203)同轴设置。

10.根据权利要求7所述的一种用于高强装甲钢焊接的含稀土不锈钢焊条，其特征在于，所述补料组件(3)包括进料筒(301)、送料筒(307)、闸板(302)和第三液压缸(308)，所述进料筒(301)的第一端与所述送料筒(307)的第二端固定连接，所述进料筒(301)和所述送料筒(307)同轴设置，所述送料筒(307)的第一端通过支架固定连接有第三液压缸(308)，所述第三液压缸(308)的活塞杆端部贯穿所述送料筒(307)的第一端并固定连接有压板(306)，所述压板(306)活动设置在所述送料筒(307)内，所述压板(306)的周向侧壁与所述进料筒(301)的内侧壁搭接，所述进料筒(301)的第二端中部设置有阀体，所述阀体内活动连接有闸板(302)，所述闸板(302)的侧壁固定连接有连接杆(304)，所述连接杆(304)的第二端固定连接有第二液压缸(305)，所述第二液压缸(305)的活塞杆端部与所述连接杆(304)的第二端固定连接，所述第二液压缸(305)的缸体侧壁固定连接有固定架(303)，所述第二液压缸(305)的缸体通过所述固定架(303)与所述阀体的侧壁固定连接；所述进料筒(301)的第二端与所述外液压压涂组件(1)的壳体(101)侧壁固定连接并相互导通，所述补料组件(3)的数量为两个或两个以上，且两个或两个以上的所述补料组件(3)沿所述外液压压涂组件(1)的壳体(101)轴线均匀分布，每个所述补料组件(3)的送料筒(307)侧壁均开设有进料口(309)。

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