３６Ｖ低压碳钢焊条的研制王国珍，刘天佐，罗崇墉，曹崇东（甘肃工业大学焊接工程系，兰州７３ ００５０）（兰州长虹电焊条厂，兰州７３００３０）摘要试验研究了镁、钾及Ｅ４３０３型焊条 主要配方成分对交流电弧稳定性的影响，在此基础上通过正文试验和药皮成分的综合调配，研制成 功了在３６Ｖ（低空载电压下引弧及再引弧容易的焊条，该焊条交流稳弧性好，各项工艺性能良好 ，熔敷金属化学成分和机械性能满足国标要求的，同时具有熔敷效率高、耗电小和安全系数高的特 点。关键词焊条；低电压；碳钢；稳弧性；药皮配方分类号ＴＧ４２２．１随着我国经济建设的发 展，焊接越来越多地用于居室装修、家庭一般维修、农机具和建筑现场维修和野外小型结构件的连 接等。目前国内普遍使用的焊接设备体积大，重量重，不易搬运，焊机空载电压高（≥５５Ｖ）， 需要使用３８０Ｖ工业电源，安全系数低，给用户带来许多不便；因此亟待需要开发体积小、重量 轻和空载电压低，并可在２２０Ｖ民用电源上使用的便携式焊机。但普通焊条因电弧引燃和维持电 弧稳定燃烧所需电压高，在这种新型焊机上无法配套使用，需要研制一种能在较低空载电压下顺利 引弧，电弧能稳定燃烧，并且有较宽使用范围的Ｅ４３０３型焊条。３６Ｖ为工业安全电压，目前 关于能在３６Ｖ安全低空载电压下施焊的交流焊条在国内外还未见报道。本文通过在Ｅ４３０３型 焊条配方的基础上添加高效稳弧剂，并通过焊条工艺性能，熔敷金属化学成分和机械性能的综合调 配，研制开发这种新型焊条。１配方设计及试验以广泛使用的Ｅ４３０３型焊条配方作为基本配方 ，选择镁和钾作为高效稳弧元素，以镁合金和钾化合物的方式加入。为了搞清配方中主要成分对电 弧稳定性的影响，对配方中的镁、钾、金红石、大理石、长石和中碳锰铁进行单组元稳弧性试验。 各单组元配方压制成φ４焊条，用１８０Ａ的电流在由ＢＡ－５００型改装的３６Ｖ低空载电压交 流焊机上施焊，通过ＧＷＡＡ－１型焊接电弧分析仪记录焊接过程中的断弧时间及对应的断弧次数 ，来评价各单组元对电弧稳定性的影响。在单组元试验结果的基础上，为找到稳弧性最佳、工艺性 能良好的配方，设计了４因素和３水平正文试验，正交表如表１所示。对表中的９组配方，压制成 φ３．２的焊条，用１３０Ａ的电甘肃省计委新产品开发项目流在上述３６Ｖ空载电压的交流焊机 上施焊，记录断弧时间和次数，以评价各配方的电弧稳定性。在正交试验确定的电弧稳定性最好和 工艺性能良好的配方基础上，综合调整各组元含量，得到工艺和压涂性能优良，熔敷金属化学成分 和机械性能满足ＧＢ５１１７－８５标准中Ｅ４３０３型焊条要求的定型配方。２试验结果及讨论 ２．１各单组元对电弧稳定性的影响表２为各单组元对电弧稳定性影响的测试结果，其中Ｎ＿１， Ｎ＿２，Ｎ＿３，Ｎ＿４分别对应断弧时间为１≤ｔ≤２ｍｓ，４≤ｔ≤４０ｍｓ，４０ｍｓ≤ｔ ≤１ｓ和ｔ＞１ｓ时的断弧次数，Ｎ＿ｔ表示总断弧次数。当断弧时间ｔ超过某一值ｔ＿（ｍａｘ ）时，断弧次数为零，定义ｔ＿（ｍａｘ）为最大断弧时间。当ｔ＿（ｍａｘ）＝０时，无断弧， 电弧非常稳定柔和，稳弧性为优秀；当０＜ｔ＿（ｍａｘ）≤３ｍｓ电弧也很稳定，虽有断弧，但 因时间很短，工人难以感觉到，稳弧性为良好；当３＜ｔ＿（ｍａｘ）≤４０ｍｓ，电弧基本稳定 ，但断弧时间较长，电弧不柔和，稳弧性一般；ｔ＿（ｍａｘ）＞４０ｍｓ，电弧很不稳定，出现 人能感觉到的长时间断弧，甚至使电弧中途熄灭，稳弧性差￣［１］．各单组元对稳弧性的影响结 果及分析如下：１）随镁含量由０增加到９％时，断弧时间及对应的断弧次数均显著减少。当镁含 量超过６％以后，ｔ＿（ｍａｘ）≤２ｍｓ，电弧稳定性良好、稳弧效果十分明显，其稳弧机理是 镁的电离电位较低（７．６４４Ｖ），在电弧高温作用下发生热电离：产生镁离子并放出自由电子 ，增加了电弧气氛导送电荷的能力，使稳弧性提高￣［２］．另一方面镁的燃点较低，在电弧气氛 中燃烧放出大量的热使电弧中气体的热电离更容易发生，并且在交流电弧过零点时，电弧气氛温度 高，再引燃容易。从而，使稳弧性进一步提高。２）钾含量由０加到３．４％时，断弧时间和断弧 次数均减少，当钾含量超过２．３％以后，ｔ＿（ｍａｘ）≤２ｍｓ，稳弧性良好，但断弧次数较 高，其稳弧效果略低于镁，但仍十分显著。其稳弧机理主要是因为钾的电离电压很低（４．３３９ Ｖ），在电弧热的作用下很容易产生热电离，放出大量自由电子，使电弧气氛导电能力增强，电弧 稳定性提高。３）大理石含量由１０％增加到２２％时，断弧时间和次数减少，当大理石含量小于 １８％时，ｔ＿（ｍａｘ）＞１ｓ，有明显宏观断弧，稳弧性差。但当其含量达２２％时，ｔ＿（ ｍａｘ）≤２ｍｓ，但断弧次数较高，稳弧性一般。表明大理石有一定的稳弧作用，但效果不显著 。其原因是大理石（ＣａＣＯ＿３）在高温下首先分解为ＣａＯ，而只有部分ＣａＯ分解为Ｃａ￣ ［３］，分解出的Ｃａ电离电压较低（６．０９Ｖ），通过热电离放出自由电子使稳弧性提高，但 分解出的Ｃａ量较少，稳弧效果不显著。４）金红石含量从２０％增加到４４％时，ｔ＿（ｍａｘ ）＞１ｓ，电弧稳定性差，但金红石含量在２０％～３６％之间时，随金红石含量增加，断弧总次 数降低，表明金红石对电弧稳定性有一定改善作用。但当其含量增加到４４％时，断弧总次数又增 加，电弧稳定性又变差。产生这一结果的原因是：金红石的主要成分为在高温作用下，ＴｉＯ＿２ 部分分解为Ｔｉ其电离电位较低（６．８２Ｖ），通过热电离可改善电弧稳定性，但当金红石含量 进一步增加后，渣中自由ＳｉＯ＿２量增多，使电弧阴极区双电荷层遭到削弱，阻碍阴极电子发射 ，使稳弧性下降￣［３］。５）长石含量从６％增加到１５％时，ｔ＿（ｍａｘ）＞１ｓ电弧稳定 性差，但断弧总次数有降低趋势，说明长石对电弧稳定性有一定改善作用，原因是长石中含有Ｋ＿ ２Ｏ，Ｎａ＿２Ｏ低电离电压物质，通过热电离改善稳弧性，但因其含量很少，稳弧性的改善不明 显，而长石中的ＳｉＯ＿２对稳弧性不利。６）中碳锰铁加入量从８％增加到１４％时，ｔ＿（ｍ ａｘ）＞１ｓ电弧稳定性差，ｔ＞１ｓ的断弧次数减少，但断弧总次数增加．总体来看，中碳锰铁 的加入对稳弧性影响不大。原因是虽然锰的电离电位较低（７．４１Ｖ），但在酸性焊条中，锰铁 一般作为主要脱氧剂，易于和氧结合起脱氧作用，其稳弧作用不明显。２．２正交试验结果正交试 验稳弧性测试结果如表３所示。其中第６和第８号配方ｔ＿（ｍａｘ）≤２ｍｓ，断弧次数最少， 电弧稳定性最好，且引弧容易，焊缝成型良好，脱渣容易，飞溅较小．综合考虑在第６，第８号配 方的基础上进一步调整工艺性能、压涂性能，熔敷金属化学成分和机械性能，得到满足要求的定型 配方。２．３低压焊条工艺性能对低压焊条的再引弧性、断弧长度、飞溅系数、脱渣率、熔敷系数 和焊缝成型等各项工艺性能指标进行了测试，并与长虹Ｅ４３０３型焊条Ｊ４２２进行对比．测试 结果如表４所示。低压焊条是在３６Ｖ低空载电压的交流焊机上测试的，Ｊ４２２是在普通６０Ｖ 空载电压的交流焊机上测试的，焊条直径为φ３．２。表中再引弧时间是指焊接电弧熄灭后，到一 次擦划即可重新引燃电弧所经过的时间。该时间越长，表明焊条的再引弧性越好，焊机空载电压高 ，该时间长，低压焊条在３６Ｖ低空载电压下的再引弧性（３０ｓ）基本上达到了Ｄ２２在６０Ｖ 高空载电压下的水平（３５ｓ）．断弧长度是衡量电弧稳定性的一个指标，断弧长度越长，则电弧 稳定性越好，低压焊条的断弧长度（１９ｍｍ）高于Ｊ４２２（１３ｍｍ），表明其稳弧性比Ｊ４ ２２好，主要原因是在低压焊条药皮中加入了高效稳弧剂镁和钾。低压焊条的飞溅系数比Ｊ４２２ 稍大，可能与低压焊条中镁和钾等低熔点稳弧剂含量较多有关。低压焊条的脱渣率不比Ｊ４２２差 ，原因是低压焊条的焊接电压比Ｊ４２２低５～６Ｖ，在相同焊接电流时，其热输入功率较低．熔 渣温度低，粘度大，且低压焊条中硅酸盐含量较少，熔渣表面张力较高。从而使熔渣中气体逸出阻 力增大，使较多气体滞留于熔渣中，形成大量孔洞，减小了熔渣强度，增大了疏松度，在冲击振动 中，熔渣易裂而脱落，使脱渣性有所提高。低压焊条的熔敷系数比Ｊ４２２高，其原因是低压焊条 中加入了相当比例的高效稳弧剂，这些稳弧剂大多是一些化学性质较活泼的物质，易分解，易电离 ，易氧化燃烧放出热，且使焊条药皮熔点降低，从而使药皮熔化速度加快，熔敷系数提高，提高了 焊接生产率。低压焊条在焊缝成形方面与Ｊ４２２相比，焊缝波纹较粗，焊缝宽度较窄。其原因是 由于低压焊条电弧导送电荷能力较强，其焊接电压比Ｊ４２２焊条低５～６Ｖ，在焊接电流相同时 ，低压焊条电弧热输入功率较低，熔池温度低，铁水流动不如Ｊ４２２自如。但总体上焊缝成形良 好，无咬边等缺陷。２．４低压焊条熔敷金属化学成分和机械性能熔敷金属化学成分如表５所示， 机械性能如表６所示。低压焊条熔敷金属化学成分和各项机械性能均满足ＧＢ５１１７－８５中Ｅ ４３０３型焊条的要求。３结论１）在焊条药皮中加入一些镁和钾等易电离物质，可以得到在３６ Ｖ低空载电压下交流引弧及再引弧容易、电弧能稳定燃烧的Ｅ４３０３型焊条。２）通过综合调整 药皮成分，可使这种低压焊条的工艺性能良好，熔敷金属化学成分和机械性能达到Ｅ４３０３型焊 条的水平。３）研制的３６Ｖ低压焊条，具有熔敷效率高、交流稳弧性好、耗电小和安全系数高的 特点，既可与低空载电压的便携式焊机配套使用，也可在普通焊机上使用。参考文献｜｜１陈剑虹 ，樊丁，庞铁军．碱性低尘系焊条交流电弧稳定性的研究，机械研究与应用，１９８９（３）：７～１６２姜焕中．电弧焊及电渣焊．北京：机械工业出版社，１９８８．１９～２５３银舜生．碱性低氢电焊条交流稳弧性试验研究．焊接学报，１９８７，８（４）：１７１～１７９ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＣａｒｂｏｎＳｔｅｅｌＥｌｅｃｔｒｏｄｅＵｓｅｄａｔＬｏｗＶｏｌ
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