朱丙坤　吴伦发　曹良裕　毕礼宝　张成杰(洛阳船舶材料研究所　洛阳471039)

摘　要　根据纤维素型焊条的特点和要求,对其压涂性能、工艺性能及其药皮组成分别进行了试验研究。

关键词　焊条　纤维素型　管道焊接

　　在管道焊接中,纤维素型焊条具有打底焊时可单面焊双面成形,全位置立向下焊时操作简便,生产效率高及适应工况能力强等优点,故在管线建设中现仍占很大的使用比例。“九五”期间,我国陆续建成十多条长距离输油、气管线,预计到本世纪末,我国的输油、气管线达3万公里,计划用200多万吨焊管,约2万吨焊材[1],因此纤维素型焊条的应用前景广阔。目前国内生产的纤维素型焊条的综合性能,尤其是工艺性能还不能令人满意,影响了它的推广应用,所以开发研制和不断完善国内纤维素型焊条具有重要意义。在此以Ｅ5010 Ｇ纤维素型焊条为例介绍管道焊接用高纤维素型全位置立向下焊条的研制情况。

1　纤维素型焊条的要求

    纤维素型焊条药皮薄且含有大量的有机物,多用于管道的全位置立向下焊,故对其性能要求很高:

(1)压涂性能要好。

(2)工艺性能优良。纤维素型焊条用于管道的全位置立向下焊时,要求电弧吹力大,立向下焊时不淌渣,熔池清晰,焊缝成型美观,且焊条前后段工艺性能无明显变化。

(3)焊缝无气孔,满足管道使用要求。

2　焊条性能的改进

2.1　压涂性能在研制过程中发现纤维素型焊条在压涂过程中易出现下列问题:

(1)表面质量差,即易出现“毛条”和表面粗糙现象;

(2)偏心率易超标,且不稳定;

(3)烘焙时药皮易“龟裂”。

2.2.1　焊条表面质量的改善

    纤维素型焊条易出现“毛条”的主要原因与药粉在压涂过程中粘性变大有关,而影响药粉粘性的主要因素有纤维素含量与钠水玻璃的浓度。试验表明,随着纤维素含量的增加,药粉湿混后粘性进一步增大且均匀性变差,而高浓度的钠水玻璃粘性大且在药粉中的分散也不均匀,在这两种情况下均易出现毛条。为了控制毛条的出现,在药皮中加入纤维素时,可适量加入其他有机物以代替部分纤维素(如4%～10%(ｗ,下同)的竹粉、ＣＭＣ等),从而可保持药皮中有机物的总含量以使焊条仍具有较大的电弧吹力;其次可调整钠水玻璃的浓度,若钠水玻璃的浓度低,则在焊条烘焙时药皮易龟裂,若钠水玻璃的浓度高,易出现毛条。经试验确定其浓度为38Ｂｅ～45Ｂｅ。

    纤维素型焊条表面粗糙,除与药皮中含有大量的有机物有关外,还与药皮中含有大量的粗颗粒成分有关。该焊条药皮弹塑性大,烘焙后收缩大,易使焊条药皮表面的粗颗粒成分凸起,尤其在钠水玻璃浓度低时更是如此。试验结果表明,减少药粉中的粗颗粒比例和适当增加钠水玻璃浓度以及增加压涂时的压力均是改善表面质量的有效措施。试验结果还表明,在药粉中加入一定量的滑性成分(如2%～10%滑石、云母等)对减少“毛条”和表面粗糙现象均是有效的。

2.1.2　偏心的控制  

    该焊条药粉的弹塑性很大,故在挤压过程中,粉缸中药粉四周的压力和致密度会不一致,且还会发生变化,加上焊条药皮薄,故在压涂过程中易使偏心超标且不稳定。因此,保持药粉湿混后有机物的分散均匀以及药皮在压涂过程中粉团致密度的均匀一致是控制偏心的重要方法。就药粉组成而言,影响药粉有机物分散均匀的主要因素是有机物的含量和水玻璃浓度,而影响粉团致密度的均匀一致的主要因素是预压团压力和压涂压力。试验证实,调整好纤维素加入比例和水玻璃浓度以保证药粉湿混后均匀一致以及增大药粉预压团压力和压涂压力,且在压涂过程中注意保持压涂压力的稳定均是控制偏心的有效措施。

2.1.3　烘焙时药皮“龟裂”的防止

    该焊条在烘焙过程中有时会出现药皮龟裂现象,这与药皮在烘焙过程中收缩大且水分不易挥发有关。而影响水分挥发的主要因素有烘焙升温速度、水玻璃的浓度及粗颗粒比例。烘焙升温速度越快,水玻璃越稀,则烘焙时因焊条药皮内外温度的差异大,越易使焊条药皮表面产生一层较致密的外壳,使散发水分的毛细通道不畅从而引起龟裂。而加入适量的粗颗粒成分有利于水分的挥发,从而可减少龟裂的发生。经试验将粗颗粒(颗粒直径大于0.28ｍｍ)成分比例确定为5%～20%之间。在采取了以上一系列措施的基础上,经实验室大量试制及工厂中试生产后表明,所研制的纤维素焊条压涂性能良好,而经工厂中试生产出的焊条表面光滑,无毛条和龟裂现象,并且焊条偏心率控制在2%以下。

2.2　电弧吹力要求

    纤维素型焊条有较大的电弧吹力,不但打底焊时可保证单面焊双面成型,而且在全位置立向下焊时可部分借助于吹力:一方面可“托着”熔池金属使之不下淌;另一方面可“吹开”熔池金属上方的熔渣使熔池清晰,从而使焊工操作方便,保证焊接质量;此外,较大的电吹力也可充分保护熔池金属。因此,电弧吹力大小是体现纤维素型焊条工艺性能优劣的重要方面。纤维素型焊条的电弧吹力主要来自于由焊接时电弧中分解出的气体所形成的气流动力,其主要影响因素有:(1)药皮中有机物的数量;(2)焊条中的水分含量;(3)碳酸盐分数。此外,还与焊条中的碳含量、套筒大小、药皮中的强氧化性成分和焊接规范有关。

    焊条中的有机物在电弧高温下分解生成ＣＯ2、ＣＯ、Ｈ2、烃和Ｈ2Ｏ等气体[2],它们是电弧中气体的主要来源,当其含量增多时,电弧吹力增大,但试验中发现不同种类的有机物在相同条件下,它们的电弧吹力是不同的,其中微晶纤维素的比竹粉、ＣＭＣ等的大。综合考虑压涂和工艺性能,加入的有机物以微晶纤维素为主,竹粉、ＣＭＣ等为辅,总加入量为20%～40%。药皮中的水分在电弧高温下分解出的氢和氧,不但可增大电弧吹力,而且也可增加电弧气氛的氧化性。药皮中的水分含量主要由烘焙工艺决定,若药皮含水量少(小于2%),则焊条工艺性能变差;若药皮含水量多,则焊接电弧不稳且飞溅增多,又不利于焊条的运输和保存。此外,在试验过程中还发现,若药皮含水量多(如10%左右,烘焙工艺为60℃×2ｈ),则焊条的前后段工艺性能变化较大,会造成后段焊条吹力小,熔池不清晰,易出现气孔等问题。这是因为含水量大时后段焊条中的水分在焊接中挥发较多的缘故,因此在确保电弧吹力的前提下应适量控制水分。文献[3]中指出,高纤维素型焊条的水分含量在5%～7%之间较为合适,为此需制订一个合适的烘焙工艺。焊条中的碳酸盐在电弧高温下分解出ＣＯ2、ＣＯ等气体,有利于提高电吹力,试验中发现,在其他成分不变的情况下,减少碳酸盐的含量(由16%减小为7%)会使电弧吹力减小。此外,在相同条件下,不同种类的碳酸盐对电弧吹力的影响也各有差异,这也许与其分解温度的不同有关。焊条中的碳在电弧阶段氧化成ＣＯ气体,从而可增大电弧吹力,但是,随着碳含量的增加,电弧的稳定性和飞溅也逐渐恶化。在焊接过程中焊条燃烧端所形成的套筒大小对电弧吹力也有影响,套筒长,可约束电弧气流发散,进而提高电弧挺度,这样也可增大电弧吹力。但在与奥地利的Ｆｏｘｃｅｌ纤维素型焊条的电弧特点的比较中发现,真正决定电弧挺度的因素是电弧本身的收缩效应,而焊条套筒的影响是次要的,这方面还有待今后进一步研究。焊条药皮中强氧化性成分的数量对电弧吹力也有影响,强氧化性成分数量充足,可使药皮在电弧阶段的氧化反应充分进行,从而可生成更多的气体,进而增大电弧吹力。