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J422焊条再引弧性能的研究


2009年 10月















# 57#
文章编号: 1003-1545( 2009) 05 -0057-04

J422焊条再引弧性能的研究
刘宁生 , 龙昌茂 , 叶克力 , 张婉云 , 龙小林 , 蒋成刚
( 1. 广西机电职业技术学院, 广西 南宁 摘
1 1 1 1 2 2

530007; 2. 桂林 桂冠焊接材料有限公司, 广西 桂林

541002)

要: 本文对 J422焊条再引弧性能的影响因素及其机理进行了研 究。试验 研究结果表 明, 焊条 的再引弧 性

能, 主要取决于其药皮中活性 T iO2 的含量, 并受 大理石 ( CaCO3 )的制 约。而焊 条再引 弧的导电 原因, 则是 焊 条药皮套筒内熔 渣中存在亚稳定的中间产物 T i 及其放出的自由电子。 O 关键词: J422焊条; 再引弧; 影响因素; 机理 中图分类号: TG 422. 1 文献标识码: A

焊条再引弧性能的优良与否, 取决于焊条药 皮套筒内溶渣中导电载流子的产生、 浓度及迁移 状况
[ 1]

1 1 .

J422焊条配方设计方案 该焊条药皮 中含有 T iO2 材料, 它约 占药皮

。已探明导电载流子是自由电子, 而导电

物质是溶渣中存在、 可释放自由电子的亚稳定中 间产物。本文在此基础上, 通过设计不同的 J422 焊条及进行的再引弧性能试验, 对再引弧导电的 具体物质, 即亚稳定的低价氧化物 T i 及其产生 O 的机理进行探 讨, 并对 J422焊 条再引弧性能影 响因素进行分 析, 从而为 改善和提高 J422焊条 再引弧性能, 提供理论依据和可行的操作方法。

干粉总 质量的 45 ~ 55 , 且主要以天 然金红 % % 石、 还原钛铁矿和钛铁矿的方式加入。在大理石 ( CaCO 3 )加入量不变的情况下, 改变含 T iO2 材料 的加入方式和加入量以设计不同的 J422焊条配 方。药皮 中 含 T iO2 的 材 料 不 变, 改 变 大 理 石 ( CaCO 3 ) 的加入量, 即改变 焊接溶渣的碱度, 设 计不同的 J422焊条配方。药皮中硅铝酸盐类材 料 ( 如云母、 长石、 白泥等 ) 、 碳锰铁及 有机物 中 等, 按 J422焊条配方设计原则进行设计和调整。 根据上述 方案, 设计的 再引 弧性 能试 验用 < 3 2 mm J422焊条配方见表 1 . 。 %
有机物 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 T iO2 33. 6 31 95 . 30. 1 28 24 . 26. 4 30. 3 30 96 . 30 96 . 30 96 . 30 96 . 30 96 . 再引弧时 间间隔 /s 55 40 20 8 1 22 61 36 16 5 2

1 再引弧性能试验用 J422焊条的 制备
表 1
焊条编号 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 天然金 红石 20 15 10 5 0 10 12 12 12 12 12 还原钛 铁矿 30 35 35 35 35 40 38 38 38 38 38 钛铁 矿 0 0 5 10 15 0 0 0 0 0 0

< 3 2 mm J422焊条配方 ( w ) .
大理石 10 10 10 10 10 10 4 8 12 16 20 硅铝酸盐 27 27 27 27 27 27 35 31 27 23 19 中碳锰铁 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7

收稿日期: 2009- 01- 09 作者简介: 刘宁生, 男, 1970年生, 讲师, 工学学士, 从事焊接专业教学及焊接材料与 工艺的研究。

# 58# 1 2 . J422焊条的制备















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J422焊条药皮中大理石 ( CaCO3 ) 加入量要控制 在 12 以下。 %

按表 1设计的焊条配方, 各配置 500 g 干粉 并干拌均匀, 然后加入一定量的钾钠水玻璃 ( 钾 钠比为 3: 1 2. 6M, 48bB ) 搅拌均匀, 在 25t小油 , 泵机上分别压涂 < 3 2 mm J422焊条, 并经 200e . @ 2h烘焙。

2

J422焊条再引弧性能试验
试验采用 BX - 500型交流焊机, 空载电压约

2 1 再引弧性能试验及评定方法 . 为 70V。 < 3 2 mm J422焊条焊接电流约为 130A。 . 焊条再 引弧性 能试验, 是 以焊 条引 弧焊接 10 s 动熄弧后, 在保持药皮套筒完整的情况下 主 至重新引燃电弧的时间, 即以再引弧的时间间隔 为判据, 评定焊条再引弧性能。再引弧时间间隔 在 15s以上者为优良。 2 2 再引弧性能试验结果及分析 . < 3 2 mm J422焊条再引弧性能试验结果, 即 . 再引弧时间间隔参见表 1 。 当药皮中 大理石 ( C aCO3 ) 为 10 时, 其药 % 皮中 的 T i 2 含 量 最 低 值 应 大 于 30 , < 3 2 O % . mm J422焊条具有优良的再引弧性能, 即再引弧 时间间隔大于 15s 且 T i 2 含量越高, 再引弧时 。 O 间间隔越长 ( 表 1中 1号 ~ 6号焊条和图 1) 。因 此, 药皮中的 T i 2 含量对 J422 焊条再引弧性能 O 有决定性影响。 药皮中不同种类的 含 T i 2 材料, 对焊条再 O 引弧性能的影响效果有明显不同。天然金红石 对提高焊条再引弧性能有显著促进作用, 还原钛 铁矿有一定促进作用, 而钛铁矿则严重降低 J422 焊条再引弧性能。当药皮中钛铁矿加入量达到 15% 时, 焊条再引弧性能几乎丧失 ( 表 1中 5号 焊条 )。 大理石 ( CaCO3 ) 对焊条再 引弧性能有很大 的抑制作用。当药皮中 T i 2 含量约为 31 时, O % 随着药皮中大理石 ( CaCO 3 ) 含量增加, 其再引弧 性能明显下降 (表 1中 7号 ~ 11号焊条和图 2) 。 当大理石 ( C aCO3 ) 加入量低于 12 时, 以还原钛 % 铁矿为药皮主要成分的 < 3 2 mm J422 焊条的再 . 引弧时间间隔在 15 s以上; 当大理石 ( C aCO3 )为 20% 时, 焊 条再 引 弧 时间 间 隔 仅为 2s 因 此, 。
图 2 药皮 中大理 石 ( C aCO 3 )含 量对 再引弧性能的影响

图 1 药皮中 T iO2 含量对再引弧性能的影响

3 从电学及冶金学初探 J422焊条 再引弧机理
3 1 关于焊条再引弧导电物质 T i 问题 . O 再引弧导电的亚稳定物质, 是一种在药皮套 筒内熔渣中存 在的、 焊接冶 金反应 时的中 间产 物, 即钛的低价氧化物 T iO。但由于焊接冶金过 程的特殊性和短暂性, 尚难以直接检测到 T i 的 O 存在, 然而 T i 的生成在钛渣的生产中已得到证 O 实。在钛渣的还原熔炼过程中, 产物内约有大于 3 ( w ) T i 生成 % O 加强。 T i 是具有类金属键的物质, 可以放出自由 O 电子, 并具 有与金 属相似 的导电 导热 性质
[ 4] [ 3, 4] [ 2]

, 并且使钛渣的导电性能大大



亚稳定的 T i 在氧化性气氛中只能短时存在, 随 O 即被氧化成稳定的氧化物 T i 2 。这一点与焊 O 条再引弧具有很强的时限性相吻合
[ 1]



第 24卷第 5期

刘宁生等: J422焊条再引弧性能的研究

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3 2 焊接冶金过程中生成 T i 的化学反应 . O 在 高 温 条 件 下, T iO2 生 成 T i 的 分 解 反 O 应为: 4T i 2 = 2T 2 O3 + O 2 O i 2T 2 O 3 = 4T i + O 2 i O 歧化反应 T i2 O3 = T iO + T iO2
[ 2]

浓度不均匀状态下, 在熔渣内部生成少量的 T iO 是完全可能的, 也可能在较短时间内稳定存在。 3 4 药皮中主要组成物对生成 T i 的影响 . O ( 1)含 T iO2 的材料。 T iO2 是给熔渣冶金反 应造成足够浓度或浓度起伏的关键。而 T i 2 的 O 存在方式, 即不同含 T i 2 的材料, 影响该含 T iO2 O 物质中 T iO2 参与生成 T iO 的难易程度。也就是 说, 只有在药皮中含有一定量活性 T i 2 前提下, O 熔渣反应过程才可能生成足够量的 T iO, 从而提 供足够量的带电粒子, 获得 优良的再引弧性能。 另外, 由于大 量 T i 2 存在于熔渣中 造成的微晶 O 结构
[ 5]

( 1) ( 2) ( 3) ,因

在 高温条件下, T i O3 比 T i 2 更 稳定 O 2

而在焊接冶金过程中极可能有部分 T iO2 分解成 T i O3。而在 T i2O 3 与 T i 2 构成的平衡 体系中, O 2 高温下也可能生成 T i 。 O 在高温条 件下, 硅还原 T i 2 生成 T i 的冶 O O 金反应为: 2 T iO2 + S i = S iO2 + 2T i O T i 2 + S i = [ T i] + S iO2 O ( 4) ( 5)

, 也会有利于导电粒子的 迁移, 即有利于

提高焊条的再引弧性能。 鉴于此, 天然金红石因含有大于 87 ( w ) 的 % T iO2, 故高钛型 J421焊 条具有优良的 再引弧性 能, 而在药皮中加入约 40 ( w ) 的钛铁矿的钛铁 % 矿型 J423焊条, 其再引弧性能极差。 ( 2)大理石 ( CaCO 3 )材料。 J422焊条再引弧 性能试验结果表明, 大理石 ( C aCO3 ) 是降低其再 引弧性能的, 但其机理较为复杂。 CaCO3 在焊接 冶金过程中分解是吸热反应, 故降低了药皮的熔 化温度、 熔渣的反应温度和电弧温度
[ 6]

反应 ( 4) 是生成 T i 的主要反应, 而反应 ( 5) 是 O 焊缝渗钛的主要反应。 ( 3) 在高温条件下, T i 2 与 C 生成 T iO 的反 O 应为: T iO2 + C = T iO + CO 随温度升高, 此反应发生的可能性增大 的反应为: F eT i 3 + 2C = F e + T iO + 2CO{ O 反应发生的可能性增大
[ 4]

( 6)
[ 4]



在高温条件下, 钛铁矿 ( FeT iO3 ) 还原成 T i O ( 7)

, 这显然

不利于生成 T iO。熔渣中 CaO 的增加, 使其碱度 上升, 降低了某些物质, 如 SiO2 的反应活度, 从而 影响到游离硅的生成, 抑制了反应 ( 4) 的进行, 即 不利于生成 T i 。 CaCO3 分解 反应生成的 CO2, O 加强了电弧气氛的氧化性, 也可能影响到 T i 的 O 生成。

随温度升高, 反 应自由能负值变化很大, 此 。但由于钛铁矿中含 有大量的 FeO 及药皮中含 C 量低等原因, 实际上 反应 ( 7) 难以进行。这也是在药皮中加入钛铁矿 不利于焊条再引弧性能的原因所在。 3 3 生成 T i 的焊接冶金条件 . O 生成 T i 需要较高的温度。在高温条件下, O 反应自由能 负值增 大, 反 应的热 力学推 动力增 大, 有利于生成 T iO。而在焊接冶金条件下, 熔渣 反应是在比较高的温度下进行, 故有生成 T iO 的 温度条件。 浓度推动力可以促进 T i 的 生成。在焊接 O 冶金条件下, 熔化状 态的熔渣存在时间短, 内部 扩散不充分, 存在一定的浓度起伏或不均匀性。 当反应物浓度较大 ( T i 2 含量高 ), 或者在某些局 O 部产生较大的浓度起伏时, 就有可能生成一定量 的 T i 。这就是生成 T i 的浓度条件。 O O 尽管电弧空间有较强的氧化性气氛, 给生成 T i 造成一定困难, 但在极高温度条件和强烈的 O

4 结论
( 1) J422焊条的再引弧性能与其药皮中含 T iO2 物质的加入方式和数量比例有关, 但主要取 决于药皮中活性 T i 2 的含量。活性 T i 2 的含量 O O 越高, 再引弧时间间隔越长, 即焊条再引弧性能 越优良。 ( 2) J422焊条再引弧导电的原因, 在于药皮 套筒内熔渣中有可以自由迁 移的导电电子。而 产生自由电子的导电物质, 则是一种亚稳定的熔 渣反应时的中间产物, 即钛的低价氧化物 T iO。 ( 3) 具有类金属键的亚稳定的 T i 的生成 O 条件, 一是取决于在焊接冶金过程中熔渣反应时

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与 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6]





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的温度; 二是熔渣中活性 T i 2 浓度。熔渣反应 O 温度越高和熔渣内反应物的浓度越大, 越容易生 成 Ti 。 O ( 4) 大理 石 ( CaCO3 ) 对焊 条的再引弧性能 有很大的抑制作用。一方面 CaCO3 的分解降低 了熔渣 反应 温度; 另一 方 面, CaCO3 分解 产物 CaO 和 CO2, 增加了熔渣的 碱度, 加强了电弧气 氛的氧化性, 这些都会影响 T i 的生成, 即影响 O 焊条的再引弧性能。 参考文献:

龙 昌茂, 叶克力, 刘宁生, 等. 碳钢酸性 焊接再引 弧 现象探析 [ J]. 材料开发与应用, 2009 24( 4) : , 莫畏. 钛 冶金 [M ]. 北京: 冶金工业出版社, 1979 . A S马尔福 宁 ( 苏 ) 著, 李文 山译. 矿 物物 理 学导 论 [ M ]. 北京: 地质出版社, 1984. 马慧 娟. 钛 冶 金 学 [ M ]. 北 京: 北 京 工 业出 版 社, 1982. 郭贻 诚. 非晶 态物 理学 [ M ]. 北 京: 北京 科学 出 版 社, 1984 . 李素兰. 酸 性焊 条药 皮主 要成 分对 熔化 温 度及 其 区间的影响 [ J]. 焊接, 1993( 4): 5~ 9 .

R esearch on the Restrik ing P roperty of J422 E lectrode 1 1 1 1 L IU N ing-sheng , LONG Chang-m ao , YE K e-li , ZHANG W an-yun , 2 2 LON G X ia-lin , JIANG Cheng-gang
( 1 Guangx i T echno log ical Co llege ofM achinery and E lectr ic ity N ann ing 530007, Ch ina . , ; 2. G uilin G uiguanW e ld ing M ater ils Co L td G uilin 541002, China) , Abstrac t T he facto rs o f e ffect on restriking and restriking m echanism o f J422 electrode are investigated in this paper T he results : . ind icate tha t the restrik ing property of the e lectrode depends on the content of active T i 2 and is i pacted by CaCO3 , the e lectric O m conduc tion in the restr ik ing is attributed to the m etastable inte r med iates in the slag s w hich ex ist in electrode coa ting m uff and so e free electrons produced. m K eywords J422 electrode R estrik ing I pact factors M echanism : ; ; m ;

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