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1、http:/颗粒度对 E4303 焊条焊接性能的影响顾玲燕，徐越兰，韩海林，许立讲南京理工大学材料系，南京 (210094)E-mail：摘要：调整普通 E4303 焊条药皮中中碳锰铁的颗粒度,从晶粒度,熔敷金属化学成分和焊接性能角度观察焊条性能的变化,得出改变合金颗粒度并不能得到各方面性能都优于原来焊条的结论。关键词：E4303，焊接，颗粒度，中碳锰铁0. 概述E4303 作为普通结构钢用电焊条，该焊条焊接过程电弧稳定，熔深适中，熔渣流动性良好，焊波整齐，脱渣容易，飞溅少。是被广泛的应用在建筑、桥梁及日常生活等各种领域中的焊接材料。设计的 E4303 电焊条药皮类型为钛钙型，主要组成为 30
2、%以上的氧化钛，20%以下的碳酸盐，30%左右的硅酸盐，4%以下的有机物和 9%15%的锰铁1。电焊条的焊接工艺、熔敷金属的机械性能是通过药皮中的各种组分的物理冶金反应实现的。可想而知，药皮各个组分颗粒度的大小将对焊接过程及合金的过渡产生直接影响。本文研究了 E4303 电焊条药皮配方中中碳锰铁不同颗粒度对焊条性能的影响。1. 实验方法1.1 中碳锰铁颗粒度的确定：用酒精溶解和分离中碳锰铁粉末，在电子显微镜下观察颗粒度。其颗粒度范围如图 1 所示。从中选出两种颗粒度级别的中碳锰铁粉末，图 2 为微米级粉末（80 目150 目），图 3 为纳米级粉末（50250 纳米）。Volume (%)10
3、010090807060504030201000.010.11.010.0100.01000.0Particle Diameter (祄.)图 1 中碳锰铁颗粒度范围图 2粗中碳锰铁粉末图 3细中碳锰铁粉末-1-http:/现在普遍使用的中碳锰铁颗粒度范围是：40 目 100%通过，160 目小于 40%。1.2 以 H08A 为焊芯，采用南京广泰焊条厂的药皮配方，在 25T 小型油压机上如表 1压制焊条并按工艺烘干。表 1 焊条制作序号12中碳锰铁粗细根数331.3 将两块厚为 20mm 的 A3 钢试板进行对接焊，两板间隙为 25mm，间隙下放有衬垫，用制备好的焊条堆焊出高为 20mm 的
4、焊缝，取出 202015 的熔敷金属试块，并将焊缝的纵向面在磨床上磨光待用。1.4 对焊条进行断弧长度试验，再引弧性能试验。1.5 对焊缝进行能谱分析，晶粒度分析和冲击韧性分析。2. 焊条工艺性能比2.1 断弧长度试验将焊条引弧, 断弧后将焊道上的焊渣轻轻敲掉，并去除焊条端部熔渣，垂直测量焊条端部与焊道之间的距离。粗粉和细粉焊条各测定三根，取其算术平均值。引弧电流为 120-140A，电压为 35-40V，实验数据见表 2。表 2 断弧长度试验数据序号12第一根19.020.5第二根16.014.5第三根14.016.5平均断弧长度16.317.2根据 1989 年我国 E4303 焊条产品质
5、量评比实施细则中的断弧长度评分标准2，1 号焊条的得分为 0.5 分，2 号焊条的得分为 1 分。都不甚理想。2.2 再引弧性能试验将焊条在试板上施焊，当焊至 1/2 时立即断弧，待停弧一定时间后，再将焊条分别在另一块冷钢板轻轻接触，观察电弧可否引燃。同种另一根焊条延长停弧时间，继续试验，直至不能再引弧为止。焊接电流为 140A 左右，焊接电压为 25-35V，试验数据结果如表 3表 3 再引弧性能试验数据序号122s可可5s可可10s可不可根据 1989 年我国 E4303 焊条产品质量评比实施细则中的再引弧评分标准2，1 号焊条的得分为 10 分，2 号焊条的得分为 9 分。均比较满意。-
6、2-http:/3. 对焊缝组织的分析3.1 能谱分析焊接冶金过程中，焊条中的合金元素有一部分要过渡到焊缝金属中3。通过能谱分析来说明和评价中碳锰铁的过渡情况。图 4、图 5、图 6 分别为 0 号、1 号和 2 号试样的能谱成分分析图。图 4图 5图 60 号试样的能谱成分分析图1 号试样的能谱成分分析图2 号试样的能谱成分分析图从表中数据可以得知，1 号焊条的焊缝熔敷金属中不存在 Mn，Mn 合金的烧损非常严重，2 号焊条焊缝熔敷金属中 Mn 的过渡虽然存在，但仍低于 0 号焊条中的 Mn 含量。总的来说-3-ElementWt%At%SiK00.4500.89MnK00.5400.55F
7、eK99.0198.56ElementWt%At%MnK00.6700.68FeK99.3399.32ElementWt%At%FeK100.00100.00http:/改变颗粒度后合金过渡都变差了。一般说来，增大合金剂的颗粒度，可减小表面积，从而可减少氧化损失，提高合金过渡系数4。焊条的药皮中加入微米级和纳米级的中碳锰铁后，减小了晶粒尺寸，合金易于被氧化，烧损严重，减小了合金的过渡系数。至于为什么 Mn 在微米级变为纳米级的过程中由消失再到出现，具体机理还不得而知，需要进一步的从纳米角度来分析查证。3.2 金相晶粒度分析试块用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在光学显微镜下观察其金相组织，然后对金
8、相图片进行晶粒度分析。将晶粒度的测量采用定量金相的方法5。即在 100 倍放大情况下测量单位面积（1mm2）内晶粒的个数 N。（G 为标准图谱等级）G = 1+log(N 645)log 2图 7定量金相示意图0 号焊条为市售酸性焊条。1 号为加入微米级中碳锰铁粉末的焊条。2 号为加入纳米级中碳锰铁粉末的焊条。图 80 号试样图 9 1 号试样图 10 2 号试样对三块试样的金相分别进行定量金相分析，可以得到 0 号金相的晶粒度为 6.36，1 号金相的晶粒度为 2.62，2 号金相的晶粒度为 6.33。和市售的 0 号焊条相比，可以明显地看出加入微米级粉末的焊条晶粒变得异常粗大，而加入纳米级
9、粉末的焊条晶粒变得粗细很不均匀。前面能谱分析时，1 号焊条的含锰量为 0，Mn 在焊缝中不存在，晶粒的异常粗大。而 2号焊条的 Mn 含量变化不是很大，故晶粒度的变化也不是很大。说明了颗粒度对锰的过渡有影响，进一步 Mn 含量对晶粒度也有影响。焊接结构的脆断事故时有发生，为了防止发生脆性破坏，从安全角度考虑，对于韧性储备希望越大越好。在 1 号和 2 号焊条冲击试样上分别取 6 个点做冲击试验，得到的数据如表4 所示：-4-http:/表 4 V 形缺口冲击试验数据焊条冲击韧性值（-20）平均值1 号2 号81518267875984688466758382.266.0从表 4 中得知，2 号
10、焊条的冲击值和市售 0 号焊条 7080 J/cm2 差不多，但是 1 号焊条的冲击值就远远低于 0 号焊条。但都满足了国标的27 J/cm2（20）。在这些数据的基础上进一步做焊缝断口扫描电镜实验，得到结果如图 11、12 所示：图 11 1 号焊条(X2000)图 12 2 号焊条(X2000)可以看出 1 号焊条的焊缝断裂方式为解理断裂，只有少量的集中的韧窝，属脆性断口6；2 号焊条的焊缝断裂方式为准解理断裂，存在大量分散的韧窝，属脆性+韧性混合型断口。基本上都属于脆性断口。为什么冲击韧性值相差较大，同样要从纳米角度寻找原因。4. 结论综上所述，加入微米级粉末后，虽然再引弧性能不错，冲击
11、韧性也能维持正常水平，但是断弧长度不能让人满意，同时晶粒过于粗大，Mn 的过渡也变差；加入纳米级粉末后，虽然晶粒度和 Mn 的过渡变化不大，再引弧性能良好，但是断弧长度也不能达到要求，且冲击值显著下降。因此现在流行的 E4303 纳米焊条的说法有待商榷。参考文献123456彭愚立、杨天文,、于国宏. THJ422(E4303)焊条烟尘问题探讨J. 机械工人.热加工 , 2006,(08)文景、文援兰.电焊条研制技术.国防科技大学出版社,2001李建国、于春玲、薛海涛、王宝森. 稀土对焊缝组织和性能影响的研究J.兵器材料科学与工程 , 2001,(05)张子荣、李昇鹤.电焊条.机械工业出版社,1996秦国友.定量金相.四川科学技术出版社,1987陈伯蠡.金属焊接性基础.机械工业出版社,1982-5-http:/Changes of E4303 welding performances because ofpracticals sizeGu Lingyan，Xu Yuelan，Han Hailin，Xu LijiangDepartment of Material
