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焊条电弧焊过程中316L不锈钢焊条质量传递与焊缝外观
摘要：316L不锈钢焊条在焊条电弧焊中质量传输和焊缝成形过程的研究。通过实验测量熔敷金属和对焊接过程的观察，熔敷过程中，镍的熔敷系数在88.09%至99.41%之间。与此同时，金属钼的熔敷系数为84.60%至92.51%之间，铬的熔敷系数为71.59%到77.64%，锰的熔敷系数为20.88%到30.15%，硅的熔敷系数为6.72%到10.47%。熔敷过程中，焊条焊芯质量的转移与药皮成分以及焊接电流的一些关系也得到了建立。根据实验数据和观察结果，本次研究分析讨论了焊缝的成形性能，包括铺展性、飞溅、脱渣性、焊缝的表面氧化程度等。
Ⅰ.引言
由于具有良好的耐腐蚀性能，不锈钢被广泛应用于化学设备，发电设备的支撑结构，容器以及管道等。在不锈钢当中，奥氏体不锈钢具有相对良好的机械性能，特别是在延展性和韧性上，奥氏体不锈钢有出色的表现。除此之外，奥氏体不锈钢还有良好的可加工性，可成型性，可焊性，因此，奥氏体不锈钢也被广泛用于焊接组件和焊接结构之中。由于导热性相对较低，又有较高的热膨胀系数，所以奥氏体不锈钢在焊接时需求特殊的焊接预防措施和适当的焊接材料作为填充金属以防止焊接变形，残余应力和焊道以及热影响区的焊接缺陷。除焊缝成型外，焊缝的化学成分金属对于维持焊缝的机械性能性能和耐腐蚀性能有非常重要的作用。对于手工电弧焊而言，焊接时熔敷过程主要取决于焊条药皮的成分以及各个焊接参数。同时这也决定了最终和焊缝的化学成分。尽管可以根据经验估算在手工电弧焊过程中的熔敷过程，但为了能够得到熔敷过程中关键元素较为精确的传递系数，特别是对于一些能带来良好的焊接质量和较为简单的焊接操作过程的酸性焊条，这是十分有必要的，因为它们对焊接工程设计和焊接材料开发是有价值的。
一般而言，焊条药皮都是金红石型或者是基本型。前者主要是由TiO₂，Al2O3 ，SiO₂和可以实现稳定焊接过程的碳酸盐组成。而后者，原则上一般含有萤石，氧化镁，碳酸盐和硅酸盐。使用这种焊条药皮时，焊缝的裂纹敏感性会降低，因为焊缝中的氢气可以控制在非常低的水平。近年来，药皮成分的发展开始倾向于将金红石型和基本型药皮的优点相结合，形成了一种由TiO₂，Al2O3 ，SiO₂，和萤石组合而成的新型药皮。通过对这种新型药皮的研究，我们开发了一些具有具有稳定性和高焊接质量的不锈钢焊条，特别是在抗冲击性能方面，有一定的成果。但是，这种新型不锈钢焊条的药皮质量传递过程不是很清楚。影响这种新型不锈钢焊条的熔敷过程以及焊缝成型过程的因素到底有哪些，仍然需要进行实验来研究。
在这篇论文中，我们集中研究了316L奥氏体不锈钢。研究的主要目标是手工电弧焊过程中，药皮中的重要化学元素，例如硅，锰，铬，镍，钼的熔敷系数。根据实验测量结果和观察结果，特别强调了焊缝表面的焊缝成型性和焊缝表面的氧化色，这些都与药皮成分和焊接电流有关。接下来我们将讨论手工电弧焊过程中的金属熔敷和冶金的现象。
Ⅱ.材料与实验过程
根据传统的制造工艺过程，我们选择了我们的焊接材料合作伙伴的不锈钢焊条。焊芯的尺寸为4.00mmtimes;35mm，其主要的合金元素成分标注在表一种。其药皮的成分是由水玻璃联结在一起的，其成分大致包括了碳酸盐，氧化物，氟化物和金属粉末。为了节约成本，一些纯化合物和氧化物被一些人工合成的化合物所取代，例如大理石，萤石，云母，长石，冰晶石和金红石等。实验中所使用的所有矿物和金属粉末都用450mu;m的筛目进行筛分。根据实验目的，不锈钢焊条所使用的药皮成分经过了特别的设计，并将其分为以下几组列在表二之中。表中Current-1，Current-2， Current-3分别对应于90A，130A，170A的焊接电流。
不同药皮的不锈钢焊条，其熔渣的碱度用以下的公式来进行评定：
此公式中，所有的氧化物和氟化物都是以质量百分数来进行表示，当B值大于1时为碱性，当B值小于1时为酸性，当B值等于1时为中性。
将药皮涂裹覆盖在焊芯上后，为了防止药皮表面开裂，应将焊条放在313K，393K和623K的温度下进行烘干。采用时间逆变器直流电弧焊机WS—400进行焊接操作，其焊接参数大致如下：焊接电流为130A，焊接电压在32v至36v，焊接速度为4mm/s，焊接时弧长为1mm—3mm。根据估计，焊接热输入大致在0.78—0.88Kj/mm的范围之内（当选用的焊接电流为90A时，焊接热输入大致在0.54—0.61Kj/mm；当选用的焊接电流为170A时，焊接热输入大致在1.02—1.15Kj/mm）。实验中所有的焊接操作都是由同一个专业的焊接工人以相同的方式进行操作的，以此来避免操作上的失误给实验带来不必要的误差。焊接时，焊芯熔化并熔敷在在316L不锈钢母材上。根据AWS A5.4/A5.4M的规定，对熔焊层中未稀释的金属元素进行化学分析。熔焊层的长度为50mm，宽度为16mm，高度为30mm，熔敷金属化学成分的分析应用的是电感耦合等离子体发射光仪谱法来进行分析。手工电弧焊过程中，焊条与母材之间的熔敷过程可以用下述方程进行定量描述：
其中，eta;代表熔敷系数，代表焊缝中的目标元素的质量百分比，和表示焊芯和药皮中该元素的质量百分比，是焊条药皮与焊芯和重量比。由于焊芯和药皮中每种金属元素的质量百分比都是已知的，因此，如果确定了熔敷金属的化学组成，那么，可以直接确定熔敷系数。
焊缝的延展性，熔渣的剥离性和焊接表面的氧化程度是非常重要的判断指标，它们代表着焊接过程的质量和焊条的可操作性能。从焊接照片之中，我们可以直接从焊缝的宽度来判断焊缝的延展性的好坏。由于在本次的实验之中，只需要比较焊缝之间的相对值，因此所有的焊接照片，都采用的是相同的放大倍数。在进行测量时，沿着照片上焊缝的两个边界绘制两条平行的直线（测量时，只取中间的一段焊缝，因为初始和结束时的焊缝在焊缝时没有中间段的稳定）。画出的两条平行线应该尽可能的和边界线重合，两条平行线之间的距离作为焊道的宽度。
通过焊缝表面的氧化色调，可以初步判断焊缝表面的氧化程度。已经可以确定的是，当不锈钢在空气中进行焊接时，不锈钢在563K（290℃）时，表面会变成浅黄色，在663K（390℃）时，表面会变成棕色，在873K（600℃）时，表面会变成深蓝色的一系列氧化过程。在不同的温度下，在不同的氧化环境之中，焊接过程形成的焊缝氧化物的组成都是不一样的，因此它们会表现出不同的颜色。很明显的便可以看出，在较低的温度和较弱的氧化环境之中，焊缝氧化物的颜色较浅，而在较高的温度和较强的氧化环境之中时，焊缝氧化物的颜色较深。对于手工电弧焊而言，最重要的因素就是熔渣脱离焊缝时的温度。在熔渣脱离焊缝时，焊缝表面会暴露在空气之中，因此会发生氧化反应。而焊条的药皮成分和焊接过程中的焊接参数对熔渣脱离焊缝的温度有着决定性的影响，从而决定了焊缝表面的氧化程度。因此，从焊缝表面的氧化颜色，我们可以分析在焊接过程中，熔渣是否对焊缝进行了隔离性保护以及熔渣脱离焊缝的温度是否恰当等。
Ⅲ.实验结果
A．不锈钢焊条的传质系数
表Ⅲ中对本次研究中所有的焊条药皮的金属成分组成进行了统计。因此，对于药皮中的金属的质量传递系数，例如硅，锰，铬，镍，钼等，可以使用表Ⅰ到表Ⅲ之中的数据来计算，这些数据都被总结在表Ⅳ之中。这些数据呈现在如下的草图之中（如图1所示），可以从草图中看出在手工电弧焊过程中，不同不锈钢焊条药皮中金属元素的传质系数的范围。其中，硅元素的传质系数最低，仅仅只有8.6%，而金属镍的传质系数高达93.75%。钼，铬，锰则有一个适中的传质系数，他们的传质系数，依次为88.56%，74.62%，25.52%。因此，在不锈钢焊条药皮中，它们的质量传递系数按照从大到小排序是：＞＞＞＞。
B.碱度对传质系数和焊缝外观的影响
药皮的碱性取决于药皮中氧化物和氟化物的相对比例。因为CaO是强碱性氧化物，因此CaCO组被设置来研究碱性对药皮中各个元素的传质系数和焊缝外形的影响，在实验过程中，CaCO的质量百分数分别是6%，12%，18%。如表Ⅳ所示，熔渣的碱度依次为0.57,0.67,0.77。虽然熔渣的碱度变化不大，但是可以从图2中看出，硅，锰，铬，镍，钼的传质系数出现了变化。当碱度从0.57提高到0.77时，药皮成分中，铬，钼，镍的传质系数也有小幅度的提升，而与此同时，硅和锰和传质系数略有下降。显然，铬，钼，镍，锰的传质系数对碱度的变化很敏感。当碱度从0.57提升到0.77时，铬的传质系数仅仅提高了1.06个百分点。相对的是，镍和钼的传质系数分别提高了1.17和1.34个百分比。相比之下，在碱度变化相同的情况下，硅的传质系数降低了1.73个百分比。锰对碱度的变化更为敏感，当碱度提升时，锰的传质系数会迅速降低。当碱度为0.57时，锰的传质系数可以达到29.49%，而当碱度为0.77时，锰的传质系数下降到了20.88%。
焊缝的外观与碱度也有一定的关系。在图3中，通过仔细的观察比较焊缝，可以发现，当碱度上升的时候，焊缝的宽度会变窄，这表明，在手工电弧焊过程中，焊缝的延展性变差。除此之外，这三道焊缝的的表面氧化色都相同，这表明焊条药皮的保护效果是可观的。CaCO 一组的焊缝表面氧化色是蓝紫色的，证明焊缝的表面保护效果不是太好。CaCO 三组的焊缝表面氧化色是正常的金属颜色，但是有一点点蓝色的污渍，但这也显示出这次保护很好。当碱度从0.57提升到0.77时，很清楚的可以看到焊缝表面的氧化现象变弱。换言之，焊条药皮的碱度如果越高，那么焊缝表面可以得到更好的保护。
C.金属含量对药皮传质系数以及焊缝外观的影响
Mn-1组到Mn-3组，Cr-1组到Cr-3组，Ni-1到Ni-3（表Ⅲ）组设置，旨在确定锰，铬，镍对焊条药皮的传质系数和焊缝外观的影响。为了便于评估，此前实验中列出的所有药皮成分，都在相同的基础上进行了实验设计。在这次研究测试之中，通过对三种金属进行研究，发现传质系数取决于焊条药皮中各种金属的含量。如图4（a）和（b）中所示，药皮中的Mn和Ni对传质系数有着显著的影响。药皮中Mn的含量从5%提升到12%（按重量百分比计）时，Mn的传质系数也从25.76%提升到29.25%。Ni也表现出了相同的现象，当药皮中Ni的含量从2%提升到10%（按重量百分比计）时，Ni的传质系数也从88.09%提升到93.97%。如图4（c）中所示，不同于Mn和Ni，当药皮中Cr的含量从22%提升到30%（按重量百分比计）时，Cr的传质系数从73.30%下降到了72.70%。考虑到实验误差的影响，我们可以确定，焊条药皮中的Cr的传质系数不受焊条药皮中Cr的含量的影响。
由于金属Mn的熔点较低，如果Mn含量较高时，可以预测的是熔池中熔融金属具有较低的表面张力，这样会使熔融金属有较高的铺展性并且能够得到较宽的焊缝。但是在本次实验研究之中，当Mn的含量从5%提升到12%时，并不能观察到焊缝宽度有明显的变化。药皮中Ni的含量从2%提升到10%（按重量百分比计）时，Ni对焊缝宽度的影响也不明显。然而，当改变药皮中的Cr的含量时，可以检测到焊缝的变化。在图5中可以看出，Cr-3组中的焊缝明显比其余两组焊缝要细，这表明，当Cr含量为30%（按重量百分比计）时，会导致熔融金属的流动性和铺展性降低。此外，可以观察对比不同分组的Cr含量实验的焊缝表面的影响，Cr-1组的焊缝显示出蓝紫色，Cr-2组的焊缝是淡蓝色和一些深黄色区域，Cr-3组的焊缝是稻草黄色和一些正常的金属颜色。很明显可以得出结论，当药皮中Cr的含量提升时，焊缝的氧化程度会降低。
D.焊接电流对传质系数和焊缝外观的影响
为了评估焊接电流对不锈钢焊条药皮传质系数的影响，实验中设计了如表Ⅱ所示的名为“current”的药皮，且其在焊接工艺和焊接质量方面具有非常好的性能。在这次的焊接操作之中，分别使用了90A，130A，170A三个不同的等级。对于设计的这种焊条药皮，130A一般是在这可选择的焊接电流的范围之内，但是90A和170A电流则超出了可以选择的电流范围。如图6所示，在很大的焊接电流时，不锈钢焊条的药皮和焊芯中的所有元素都与焊接电流有着一定的关系。当焊接电流从90A提高到170A时，Mn的传质系数发生了很明显的下降，从27%下降到了20.88%。在图6（d）中可以看出，Cr的传质系数在焊接电流发生增长时同样也出现了下降的倾向，但是其下降的幅度没有Mn那么大。如图6（a）中所示，Si，Mo，Ni的传质系数表现的则恰恰相反，当焊接电流下降时，它们的传质系数反而发生了上升。然而，对于三种元素而言，它们的传质系数的上升幅度都很小，=0.4%，=1.1%，=1.27%。为了便于参考，这些传质系数都被记录在了表Ⅳ之中。从图7中可以明显看出焊接电流对焊缝表面有着不可否认的影响。用130A的电流进行焊接时，电弧的稳定性良好，熔渣也有较好的可分离性，与此同时，焊缝表面有较好的外观和宽度。正如所预测的，当使用较小的电流进行焊接时，由于焊接时的热输入较小，导致了焊缝的宽度较窄。由于焊接热输入较小，导致了熔池中的温度较低，使熔池中的熔融金属粘度较大，因此未能获得较好的铺展性。当使用较大的焊接热输入时，由于较大的焊接热输入会使焊缝变宽。与前者相比，较大和焊接热输入使焊缝的宽度增大了54%，这是由于较大的焊接热输入使熔池中的熔融金属的铺展性得到了提高。然而，较大的焊接热输入会引发剧烈的飞溅，同时也会降低电弧的稳定性。除此之外，大电流还会使熔渣的可分离性降低，甚至可以看到在焊缝上观察到燃烧过度的熔渣。
不同的焊接电流也会使熔渣的颜色发生变化。当使用9
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