此次暑期实践活动在大西洋焊接材料股份****之成都分部技术中心进行，旨在了解各焊接材料的生产工艺流程和质量评定过程，以及各种实验设备如烧结炉、焊接设备、扫描电镜、万能材料试验机、冲击试验机等操作方法。
二、实践内容。
2.1 埋弧焊烧结焊剂的制备。
埋弧自动焊用焊剂，按生产方法可分为熔炼焊剂和非熔炼焊剂，非熔炼焊剂又分为陶瓷焊剂和烧结焊剂。熔炼焊剂是人造具有复杂成分的硅酸盐，在电炉或火焰炉中冶炼成具有一定组成的、玻璃状的半成品，经粉碎成特定颗粒度的物质，最后形成焊剂。烧结焊剂是20世纪80年代引进的一种新型焊接材料，与熔炼焊剂相比，具有耗能小、无污染、焊接工艺性能好、可以实现熔敷金属合金化、改善其力学性能等优点。
这种产品广泛应用于锅炉压力容器、化工容器、核电站、桥梁、管道等重要钢结构的焊接。
2.1.1 烧结焊剂的配方设计。
烧结焊剂的配方设计要根据使用对象的性能要求来确定，本实验中是以制备适用于x80管线钢埋弧焊的烧结焊剂为目标， x80管线钢组织性能和焊接性对焊剂的性能要求为：1）焊剂应具有良好的脱渣性能，以保证在焊接过程中无夹渣，减少清渣工作量；2)应具有良好的抗氧化性能，以降低熔敷金属中的氧化物夹杂，提高焊缝韧性；3)应具有良好的电弧稳定性，以减少焊接过程中的飞溅和渣池的沸腾；4)焊剂的吸潮度要小，以减少由焊剂带入熔池的氢含量，提高熔敷金属的韧性；5)具有适宜的粒度和松装比，以避免熔渣透气性差而压道，使得焊缝表面压痕。
对于焊缝韧性要求较高的管线钢焊缝来说，焊剂对主要作用应侧重于保护焊缝纯净，减少焊缝中的氧含量和氧化物夹杂以及焊剂中有害元素的带入，因此对焊剂的要求为：l)焊剂氧化性要低，以避免因氧化烧损而保证mn、ni等元素过渡；2)为满足焊缝对低温韧性的要求，焊剂应采用碱性渣系；3)由焊剂带入的s、p和si等限制性元素要少，以免引起韧性的下降。
常用制备烧结焊剂的原材料有萤石、电熔镁砂、铝钒土硅灰石、硅微粉、天然金红石、锆英砂、氧化硼、铜粉、锰铁、氧化铈、水玻璃等。对各种矿石原料的成分及纯度要求为：
萤石：caf2≥94%, sio2≤4.0%, s≤0.04%, p≤0.04%
电熔镁砂：mgo≥96%, sio2≤1.5%, s≤0.04%, p≤0.04%
铝钒土：al2o3≥85%, cao≤0.6%, sio2≤10%, tio2≤4.5%, s≤0.06%, p≤0.06%
硅灰石：cao: 40%-50%, sio2:48%-52%
硅微粉：sio2≥96%, al2o3≤1.0 %,fe2o3≤1.0%
天然金红石：tio2≥87.0%, s≤0.04%, p≤0.04%
锆英砂：zro2≥60%, sio2≥25%, c≤0.1%, s≤0.05%, p≤0.05%
低碳锰铁：mn:85%-92%，c: 0.2%-0.4%, si≤2.0 %,s≤0.02%, p≤0.3%
各种组分在的作用为：
caf2是一种碱性氧化物，在焊剂中属于造渣剂、稀释剂。在焊接中发生分解反应 (1) caf2+h2o→cao+2hf，caf2+[h] →caf+hf，caf2+2h→ca+2hf，,生成在高温下比较稳定的氢化物hf和[oh]，它们不溶于液态钢中，急剧降低钢中的[h]含量；(2)caf2+[o] →cao+2[f]。生成的[f]捕捉熔渣中还原反应而产生的[o]，抑制[o]向熔敷金属中过渡，从而降低熔敷金属中的[o]氧含量，改善焊缝的塑性和韧性[18]。
mgo是一种强碱性氧化物，也是一种良好的造渣剂。在碱性渣系中，它可提高焊缝金属的冲击韧性，降低扩散氢，当它的熔点过高，会增大熔渣粘度，提高熔渣凝固温度，降低渣的流动性，加入太多会影响焊缝成形和脱渣性。
cao是稳定的碱性氧化物，是高碱度烧结焊剂的主要造渣剂，对s、p的结合能力较强，可以排除焊缝金属中s、p的含量，但在高温下会影响焊缝成形和脱渣性。
a12o3是焊剂成分中常用的玻璃体造渣材料，具有提高电弧集中性的作用。a12o3是熔渣粘度的调整剂，能调整熔渣的流动性，具有增大熔渣表面张力的作用，焊剂中a12o3含量增加愈多，焊缝鱼鳞波纹愈细小，脱渣愈容易，但过高会使焊缝中易产生气孔和麻点，影响焊缝成形和质量。
mno在焊接过程中与sio2结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，且被还原的锰元素是焊缝中的主要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰还可与焊缝中的s结合，形成mns起到脱s的作用，减小焊缝形成热裂纹的倾向。
na2o是低电离氧化物，可提高电弧稳定性，且 na氧化物的熔点低，能稀释熔渣，降低焊剂的熔化温度，因而焊剂中加入na2o时能使壳脱落容易。
tio2：焊剂中加入tio2可降低渣的熔化温度，改善熔渣的流动性，促使焊缝金属还原产物的聚集并排除到熔渣中。
zro2的加入可以改善高碱性焊剂的脱渣性。
b2o3通过焊丝加入时烧损十分严重，所以通过焊剂加入，在焊接过程中b2o3会产生还原反应，还原为b，从而有利于焊缝金属中形成针状铁素体。
此外，为使焊剂获得其他如脱硫、抗h2s腐蚀等性能，可向焊剂中添加一定的合金元素，实现有利合金元素向焊缝金属的过渡，使焊缝金属获得良好的组织性能。常用的合金剂有稀土氧化物，因为稀土与微合金元素的相互作用对提高焊剂工艺性能和焊缝金属性能具有良好的作用。稀土元素降低碳、氮的活度，降低其脱溶量，使它们不能脱溶进入内应力区或晶体缺陷中去，减少了钉扎的间隙原子数。
同时稀土影响碳化物的分布形态大小数量和结构，因而提高了金属的力学性能。稀土铈与铌、钒、钛、碳、氮的活度相互作用系数为负值，即稀土降低了铌、钒、钛、碳、氮的活度，也可降低碳、铌的扩散系数，这些元素在钢中的溶解，不利于沉淀相的析出，因而稀土能抑制沉淀相析出和促进沉淀相溶解。铈与铌、钒、铜、钛的活度相互作用系数为负值，彼此降低活度和增加溶解度，铈有利于提高这些合金元素利用率。
焊剂渣系的确定：焊剂的渣系大体上分为锰硅型、钙硅型、铝钛型、铝碱型和氟碱型五类。硅锰型、硅钙型和铝钛型焊剂由于含有大量酸性氧化物，常为酸性焊剂，工艺性能较好，但焊缝低温冲击韧度较差；高铝型渣系焊剂多为中性焊剂，提高焊缝低温冲击韧度的潜力不大；而氟碱型渣系焊剂由于含有较多的碱性氧化物，属于高碱度焊剂，有利于清除焊缝中的s、p等杂质，而且与sio2结合有利于降低sio2的活度，使钢中的[si]与[o]更易形成sio2，促使焊缝脱氧，减少合金元素的烧损，从而与hsla钢焊丝配合，有利于提高焊缝的冲击韧性。
焊剂的碱度：反映的是焊剂中碱性氧化物与酸性氧化物的比值。它对焊缝低温韧性有很大的影响。
通过降低焊缝含氧量可以明显提高其低温韧性，而焊缝金属的含氧量与焊剂的碱度有关。碱度越大，焊缝中的含氧量越低，焊缝金属的冲击韧性越高。但是碱度也不能过高，因为碱度过高又可能使焊接工艺性能变差，难于施焊。
因此将所研制焊剂的碱度定于2.0-2.8之间。
2.1.2 烧结焊剂的制备。
根据根据上述理论，确定caf2- mgo-cao-al2o3-mno-tio2渣系的烧结焊剂，并确定了焊剂配方，然后根据相关标准制备试验用烧结焊剂。
烧结焊剂的制备过程为：配料→干搅拌→湿搅拌→造粒→低温烘干→烧结→筛分。
1) 配料：配料按配方在电子天平上分别称出所需原材料置于同一容器中，各种矿石粉末质量分数之和为100%。
2) 干混：将容器中已配好的配料过40目筛，然后搅拌数分钟，使各粉剂混合均匀。
3) 湿混：将钠钾混合型水玻璃按干粉料20%左右加入己经混合均匀的干粉料中，进行充分的湿搅拌使粉料成半固态。水玻璃加入量要根据粉料情况确定，加入量较少时，焊剂的成粒尺寸小、粉尘较多，影响颗粒强度，反之则粒度过大，同样影响成粒。
4) 造粒：通过手搓过筛造粒法造粒，将搅拌均匀的湿料在12目筛子中来回搓动成粒。然后在通风处晾晒，去除湿料中多余的水分。
5) 低温烘干：烘干的主要目的是蒸发湿料颗粒表面的附着水，去除焊剂中99﹪的水分。烘干温度控制在180℃-200℃，且升温的速度不能过快，控制在20℃左右为宜，升温速度过高可能结块。
6) 烧结：烧结的目的是进一步消除焊剂中的结晶水，将烘干的焊剂颗粒放入炉中加热到700℃-900℃，烧结时间在2-3小时。
7) 筛分：烧结好的焊剂通过12和60目的筛子，去除过大和过小颗粒。焊剂颗粒太大不能很好隔绝空气保护焊缝，造成合金元素过渡不良，焊剂颗粒太小则透气性不良，粉尘过大，且造成焊缝夹渣。
根据上述步骤则制成试验用焊剂。
2.1.3 焊剂性能测试。
制定合理的焊接工艺参数，在x80管线钢钢板试样上进行焊剂的工艺性能试验，试验焊剂焊接过程稳定，焊道均匀，焊缝成型好，焊缝表面质量优良，脱渣性很好，渣壳光滑平整，无咬边夹渣产生；其总体工艺性能优良。
根据国标对焊接接头化学成分、组织和力学性能测试，实验设备有spectrom10直读光谱仪、扫描电镜、wdw-100d微机电子万能试验机、dwc-80型冲击试验低温槽、jb-100冲击试验机、1号-5号金相砂纸、金相抛光机、dmie200m倒置金相显微镜，hvs-1000维氏显微硬度仪等。经过测试与分析，试验焊剂满足x80管线钢的使用性能要求。
2.2 焊条的制备。
电焊条由焊芯和药皮组成，在焊条的设计和制备中需要同时考虑到这两方面因素。同时，焊条药皮原料以及配方设计、性能测试与焊剂制备有很多相似之处。
2.2.1焊条配方设计。
设计原则：根据母材成分、力学性能指标、焊接件的工作条件（耐磨耐腐蚀等）、施焊设备与条件、成本与环保等确定设计方向。
设计方法：一般情况下，参考现有相近的焊条配方，加以创新改进；对具有特殊要求的，按设计要求进行化学成分计算，确定焊条药皮组成，与焊条工艺性能、力学性能和使用要求配合试验。在设计过程中，可通过正交法、计算机回归分析等进行焊条配方优化设计。
2.2.1设计步骤。
1）根据被焊钢材的使用性能确定焊缝的使用性能（力学性能、耐蚀耐磨耐热等）；
2）根据焊缝的使用要求拟定焊缝金属的合金系统与含量（如对抗拉强度、屈服强度、伸长率等的计算）；
3）根据工艺焊接性拟定焊缝金属的合金系统，这一过程要在整个焊条设计、试验、调整过程中反复进行；
4）根据焊缝金属的合金系统特性及使用要求，确定渣系和药皮类型，一般要求合金过渡系数高，焊缝杂质少、抗裂了的碱性渣系，若不要求合金的过渡，可采用工艺性能较好的酸性焊条；
5）根据焊缝金属性能、焊条工艺性能和制造工艺确定药皮初步配方，采用螺旋机或油压机制备焊条，并烘干。对焊条进行工艺性能试验-焊缝金属使用性能等测定，从而确定焊条的使用性能是否满足要求。
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