研究冶金厂技术废弃物对焊接电极质量和性能的影响 Rustam Saidov 和 Kamel Touileb

《Crystals》：Study of the Influence of Technological Waste of Metallurgical Plants on the Quality and Properties of Welding Electrodes Rustam Saidov and Kamel Touileb

　　摘要：本文研究了冶金工艺废弃物在焊条涂层中的应用及其对碳钢焊接接头质量和性能的影响。研究结果表明，在焊条的熔渣涂层中使用冶金工艺废弃物可以显著降低生产成本，而不会降低焊条的焊接性能或焊接接头的质量和性能。所研究的新焊条（IMAN-9）采用了冶金厂的生产废弃物制造。在涂层中添加了1%的纳米结构功能陶瓷ZB-1作为活化剂，以提高焊条的熔化能力。这种焊条具有低成本、良好的焊接性能，并能保证高质量的焊接接头和焊缝。本文还对比了使用IMAN-9焊条和全球市场上广泛使用的ESAB E6013焊条在低碳AISI 1017钢上的焊接接头性能。研究表明，与ESAB E6013焊条相比，IMAN-9焊条在焊缝金属渗透性、焊缝金属结构和焊接接头延展性方面表现更优。不过，在强度方面，IMAN-9焊条的焊接接头略逊于ESAB E6013焊条。

1. 引言
手工电弧焊（MMA）通常也称为药皮电弧焊（SMAW）或焊条电弧焊。焊接过程是在消耗性焊条和工件之间产生电弧来完成的。焊条涂层会形成一层保护性熔渣。这种技术易于学习，既可以在室内也可以在室外使用。市场上有各种类型的焊条可供选择，其涂层由根据待焊接材料类型选择的化学和矿物粉末混合物组成。涂层材料能够保护熔池，增强电弧稳定性，并提供有益元素以获得优质的焊接效果[1]。许多研究人员和科学家研究了焊剂和涂层成分对焊缝金属机械性能及其化学性质的影响，以满足工业需求，特别是在环保和经济效益方面[2,3]。焊接质量与焊接接头的机械特性密切相关。许多研究关注焊接参数和焊条类型对机械性能和焊接质量的影响。Sumardiyanto等人[4]研究了电流强度和焊条类型对低碳钢API 5L药皮电弧焊机械性能的影响，他们通过改变电流值（从90 A到100 A）并使用不同类型的焊条（如E6010、E7016和E7018）进行了实验。结果表明，使用E7016焊条在90 A电流下获得的焊缝金属抗拉强度最高，为617.155 MPa；而使用E6013焊条在100 A电流下获得的抗拉强度最低，为505.215 MPa。E7018焊条在90 A电流下获得的硬度最高，为194.40 VH；而E6013焊条在100 A电流下获得的硬度最低，为170.60 VH。

Talabi等人[5]研究了焊接参数（如焊接电流、电弧电压、焊接速度和焊条直径）对10毫米厚低碳钢板药皮电弧焊（SMAW）焊接接头机械性能的影响。他们发现，提高电弧电压和焊接电流有助于提高硬度，但会降低屈服强度、抗拉强度和冲击韧性。将焊接速度从40 mm/min增加到66.67 mm/min会使焊接样品的硬度增加。Wang等人[6]研究了不同电流强度对单道G115马氏体钢药皮电弧焊接头微观结构和机械性能的影响。结果表明，较大的焊接电流会导致焊缝金属维氏硬度降低。焊接接头的抗拉强度先降低后增加，而屈服强度和延伸率先增加后降低。建议使用100 A电流进行焊接，因为这种电流下焊接接头具有最高的屈服强度和最佳的延展性。Afzal Muhammad Saad等人[7]使用Taguchi L16阵列方法优化了焊接参数，以获得最佳的机械性能。主要发现表明：坡口角度影响抗拉强度，焊条直径影响冲击强度，焊接电流影响硬度和角变形。最佳参数为：160 A焊接电流、60°坡口角度、3.25 mm焊条直径、3 mm根部间隙和3 mm根部表面。实施这些最佳参数后，抗拉强度提高了10.53%，冲击韧性提高了14.28%，硬度降低了8.55%，角变形减少了33.33%。

另一个提高焊接质量的领域是通过开发新型焊条来实现。现代工业，包括焊接行业，面临着提高经济效益和减少环境影响的挑战。在这种情况下，人们对利用各种制造过程中的废弃物等二次资源的兴趣日益增加[8,9]。其中一个有前景的方向是应用冶金熔渣，这些熔渣在炼铁和炼钢过程中产生大量。熔渣是复杂的氧化物系统，具有多种物理化学性质，可以成功用于修改焊条涂层的成分和性能，从而提高沉积金属和焊接接头的质量。使用熔渣不仅降低了焊条的生产成本，还能使沉积金属具有独特的性能，如提高耐磨性、耐腐蚀性和机械强度。冶金熔渣是高温过程的副产品，由原材料杂质、燃料和熔剂与熔融金属相互作用形成。其成分非常多样，取决于初始原材料、生产工艺和熔渣形成条件[10,11,12,13]。高炉熔渣（炼铁熔渣）通常含有CaO（35–50%）、SiO2（25–40%）、Al2O3（10–20%）、MgO（1–10%）、FeO（0.5–5%）和其他氧化物。它们具有较高的耐火性，可作为钙、硅和铝的来源。炼钢熔渣（转炉熔渣、平炉熔渣、电渣）的成分更为多样，通常含有较高浓度的铁氧化物（FeO、Fe2O3，最高可达20–40%）、锰（MnO）以及磷（P2O5）和硫（S）。这些熔渣可以是合金元素（Mn、Cr、V）的来源，并影响焊接过程中的氧化还原反应。铁合金熔渣（如硅铁、锰铁）含有高浓度的SiO2、MnO、Cr2O3、V2O5，可作为硬质合金的宝贵来源。

熔渣的物理化学性质（如熔点、粘度、密度及其形成玻璃相的能力）在其焊接材料应用中起着关键作用。通常需要对熔渣进行预处理——粉碎、研磨、富集、造粒或热处理——以获得具有指定粒度和化学成分的颗粒，并减少有害杂质。焊条涂层具有多种重要功能，如稳定电弧、保护熔融金属免受氧化和氮化、合金化焊缝金属以及形成熔渣壳以保护焊接接头免受外部影响。熔渣中的氧化物（尤其是CaO、MgO、MnO）具有电离作用，有助于在直流电反极性焊接时实现更稳定的电弧燃烧，从而减少金属飞溅并改善电极金属的传输。熔渣是锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、钒（V）等元素的来源，这些元素会转移到熔池中，成为沉积金属的重要组成部分并改变焊缝金属的性能[14]。引入这些元素可以有针对性地修改焊缝金属的结构和性能，提高其强度、硬度和耐磨性。例如，添加铁合金熔渣可以生产出高合金耐磨表面层。熔渣中的金属氧化物（尤其是FeO、MnO、SiO2）可以与熔池中的氧气和硫反应，将其转移到熔渣相中，从而减少焊缝金属中的有害杂质，提高其延展性和冲击韧性。熔渣中的金属氧化物是良好的脱氧剂和脱硫剂[15]。焊接过程中形成的熔渣壳可以保护凝固的焊缝金属免受大气氧化和氮化的影响。此外，熔渣还影响金属的结晶速率、结构以及焊接接头的形状和尺寸。熔渣壳的性质（其粘度、固化速率、易于去除性）在很大程度上取决于涂层成分，包括熔渣成分的含量。

根据熔渣的类型及其在涂层中的含量，会对焊条和焊接接头的性能产生不同的影响。在高炉熔渣（如UONII型焊条）涂层中的使用有助于稳定电弧并形成光滑的焊缝。它们可以作为钙和镁的来源，从而改善焊缝金属的性能。然而，高SiO2含量可能导致形成更粘稠的熔渣壳，难以去除[16]。将炼钢熔渣（尤其是富含锰的熔渣）引入焊条涂层可以显著增加沉积金属中的锰含量，从而提高强度和硬度。高铁含量可以提高沉积速率，但必须控制有害杂质（S、P）的含量，因为它们可能对焊缝金属的延展性和冲击韧性产生负面影响[17]。富含铬、钒或镍的熔渣广泛用于焊条配方中，以生产耐磨和耐热的涂层。例如，添加铁铬熔渣可以使焊缝金属具有高硬度和耐磨性[18]。目前正在进行的研究包括使用改性熔渣以及经过特殊热处理或添加稀土元素的改性添加剂，以实现焊缝金属的超细晶粒结构并提高其综合性能[19,20,21]。

尽管冶金熔渣在焊条涂层中的应用具有明显优势，但也存在一些挑战。主要问题是其化学成分和物理性质的不稳定性，这使得难以保证焊条和焊接接头的一致质量。另一个重要任务是减少有害杂质（如硫和磷）的含量，因为它们可能导致焊缝金属脆化。有前景的研究方向是研究熔渣纳米颗粒对焊缝金属结构和性能的影响；通过纳米级难熔颗粒可以修改焊缝金属。纳米颗粒的尺寸小于100 nm，具有高比表面积，因此可以提供高反应性、高活性和低含量下的高表面能[22,23]。另一方面，优化技术和进化算法已被用于开发适用于特定应用的焊条（例如，用于焊接高强度钢、不锈钢或在恶劣环境中的硬质合金涂层）[24,25]。此外，利用计算建模技术预测熔渣成分对焊接接头性能的影响也是提高焊条性能的研究方向[26]。冶金熔渣是一种宝贵的二次资源，其在焊条涂层中的应用为降低生产成本、改善焊条技术性能和获得高性能焊接接头提供了广阔的机会[27]。有效利用熔渣需要深入理解其成分和性质，以及开发最佳的加工和掺入技术。进一步的研究旨在解决现有挑战并探索新的应用方向，以更全面和合理地利用这种二次资源。涂层的类型和化学成分显著影响焊接接头的机械强度。

本文旨在比较添加了1%纳米结构功能陶瓷的冶金熔渣焊条与广泛使用的E6013焊条的性能。利用工厂废渣，并通过加入纳米结构功能陶瓷来提高这些废渣的价值，是一个具有巨大潜力的新兴领域，有助于实现可持续、环保的生产方式。本文旨在鼓励开展有前景的研究，以开发新的可消耗电极。

2. 材料与方法
本研究使用的材料来源于冶金过程废弃物，其化学成分如表1所示。在使用前，这些废弃物在200°C下干燥60分钟，然后通过0.315毫米的筛网进行筛选。为了提高焊接电极的熔化能力，在涂层中加入了1%的纳米结构功能陶瓷ZB-1作为活化剂[28]。这种光催化剂的组成和制备技术详细记录在[29,30]中。焊接电极的涂层基底是根据TiO2-SiO2-CaO氧化物系统的熔化图确定的，具体成分如下：TiO2最高占比71.3%，SiO2最高占比17.7%，CaO最高占比11.0%，其基本指数（BI）为0.206（见图1[31]）。经过研究，确定了涂层的最佳组成，但由于涉及知识产权，具体成分未公开并正在申请专利。

实验是在一块尺寸为200毫米×100毫米×1.8毫米的低碳钢（AISI 1017）板上进行20厘米长的焊接。钢板先用丙酮清洗，然后采用SMAW（药皮焊条电弧焊）进行对接焊接。在SMAW过程中，仅调整电流；电弧电压由电弧长度决定，焊工需保持该电压。调整电流时需考虑电极的载流能力。所规定的电流仅适用于非合金钢和低合金钢；对于高合金钢和镍基合金，由于电阻较大，应选择较低的电流值。

电流计算规则如下：
- 直径3.2毫米时，电流应在90至150安培之间；
- 直径4.0毫米时，电流应在120至200安培之间；
- 直径5.0毫米时，电流应在180至200安培之间。

作为填充材料分别使用了直径2.6毫米的E-6013电极和直径2.2毫米的IMAN-9电极。SMAW操作时的焊接电流为40安培。低碳AISI 1017钢板、E-6013电极和IMAN-9焊条的化学成分分别见表2、表3和表4。

2.1. 形态与微观结构分析
焊接完成后，提取样品（避开焊缝的起始和结束点，见图2）。通过观察其形态分析了使用ESAB E6013和IMAN-9电极焊接的焊缝结构特征。实验前，样品先经过1200目砂纸打磨，再使用布砂机打磨至0.05微米的氧化铝表面光洁度。随后用硝酸乙醇溶液（95毫升乙醇和5毫升硝酸）蚀刻AISI 1017焊缝区域。利用Motic软件（版本2，Motic Images 3.0，中国厦门）通过光学显微镜观察焊缝特征。此外，使用JEOL JSM-7600F扫描电子显微镜（SEM）研究了两种焊缝熔合区的微观结构变化。Microvision Instruments公司的Image Processing 7.0（第6版）和Granix 6.1（第8版）软件用于测量E6013和IMAN-9电极焊缝的相比例及ASTM G（晶粒尺寸指标）（见图2）。

2.2. 拉伸试验
拉伸试验在室温（24°C）下进行，使用WAW-300E电液伺服万能试验机（济南测试设备IE，济南）。试验条件为：十字头移动速度0.5毫米/分钟，加载速率0.5千牛/秒，应变率1.6×10^-4秒^-1。试样符合ASTM E8M-04标准（见图3）。为确保不同焊缝类型的结果一致性，每种焊缝配置测试了三个样品。

2.3. 弯曲试验
弯曲试验使用WAW-300E计算机控制电液伺服万能试验机进行。根据ASTM E190-14标准制备了横向弯曲试样（见图4）。

2.4. 硬度试验
采用HVS-50数字硬度计进行维氏硬度测试，标准载荷为10千克力，保持时间为10秒，符合ASTM E-384-99标准。硬度测量沿水平线进行，压痕间距约为0.5毫米。测量位置位于焊缝表面下方1毫米处（见图5）。评估了IMAN-9和E6013焊缝的硬度分布，以了解焊缝区域的机械性能差异。

3. 结果与讨论
当使用E6013和IMAN-9电极对1.8毫米厚的低碳钢AISI 1017进行对接焊接（电流强度为40安培）时，其技术特点如下：
- 焊弧容易点燃并在整个焊接过程中保持稳定；
- 电极涂层均匀熔化，产生的飞溅物极少；
- 焊接过程中产生的熔渣有效引导了焊缝的成形；
- 无论使用E6013还是IMAN-9电极，焊缝金属均无裂纹或气孔等缺陷。

图6和图7展示了焊接接头的照片，分别显示了焊接面（图6a和图7a）和熔透面（图7b和图8b）。这些接头是用E6013和IMAN-9电极焊接的。初步观察发现，两种电极焊接的焊缝表面光滑，焊缝形状一致；但E6013电极焊接的焊缝宽度较窄，表面光洁度较高，表明其熔融金属的润湿性更好，脱氧效果更佳（见图6和图7）。

图8显示了E6013电极和IMAN-9电极焊接的焊缝宏观图：E6013电极焊接的焊缝表面光滑且完全熔透，而E6013电极焊接的焊缝熔透不完全。图6中的截面图进一步证明了IMAN-9电极的优异熔透能力。

在手动电弧焊（MMA）过程中，使用E6013和IMAN-9电极对1.8毫米厚的低碳钢AISI 1017进行焊接，结果如下：电弧燃烧稳定，涂层熔化均匀，飞溅物少，焊缝成形良好，无可见缺陷（裂纹、气孔）。IMAN-9电极焊接的焊缝表面较浅（见图7），表明其脱氧性能更优。

从正面和背面观察，两种电极焊接的焊缝均形成均匀的高质量焊缝。图9展示了1.8毫米AISI 1017低碳钢焊缝的截面图：E6013电极焊接的焊缝熔透不完全，而IMAN-9电极焊接的焊缝完全熔透。IMAN-9电极更高的熔透能力可能与电极涂层中富含氧化铁有关。氧化铁可影响电弧中的气体电离，从而影响电弧稳定性和金属熔透深度。其他氧化物及其比例以及整体熔渣系统对焊缝形成也有复杂影响。此外，氧化铁还影响熔渣的粘度和熔点，进而调节金属转移速率和熔透深度。在确定废渣用量时，还需考虑熔渣的流动性，以确保焊池自由形成并得到有效保护，但熔渣不能过于液态，以免冲散熔融金属。

图9显示了E6013电极焊接的焊缝宏观图。IMAN-9电极焊接的焊缝一次即可完全熔透，而E6013电极则需要多次焊接。通过比较两种电极焊接接头的机械性能发现：E6013电极焊接的焊缝硬度显著高于IMAN-9电极（见表5）。表5显示，E6013电极焊接的焊缝硬度更高（见表6）。图10显示了五个压痕点的硬度分布，两种电极的硬度曲线相对稳定，表明化学成分均匀，冷却速率一致。E6013电极的硬度曲线在261.5至276 HV之间，而IMAN-9电极的硬度曲线在最终压痕点略有上升（205.5 HV），可能是由于局部微观结构不均匀所致。两种电极的硬度差异（E6013平均269.83 HV，IMAN-9平均190.92 HV）表明E6013电极具有更好的耐磨性和结构刚性，但硬度较高可能导致延展性较低，脆性增加（见图10）。

图11和图12展示了E6013和IMAN-9电极焊接钢的拉伸试验结果，所有试样均在基材处断裂。表7显示了E6013和IMAN-9电极焊接接头及原始AISI 1017钢的屈服强度差异。使用IMAN-9电极焊接的焊缝平均屈服强度低于使用E6013电极焊接的焊缝。较高的屈服强度可能表明材料的延展性较低，使其更加脆，容易在无明显变形的情况下突然断裂。表7. 抗拉试验强度，屈服强度–YTS [MPa]。抗拉强度测试显示，使用IMAN-9电极焊接的接头抗拉强度略低于使用E6013电极焊接的接头（见表8）。而原始的AISI 1017钢的抗拉强度高于焊接样品的抗拉强度。表8. 抗拉试验强度–UTS [MPa]。表9中的抗拉试验结果显示，使用IMAN-9电极焊接的接头比使用ESAB E6013电极焊接的接头具有更高的延伸率（δ [%]）。这些结果证实了使用IMAN-9电极焊接的接头比使用ESAB E6013电极焊接的接头具有更高的延展性。此外，还根据标准使用导向弯曲试样在测试夹具中进行了弯曲试验。载荷施加在根部，从而使焊缝表面处于拉伸状态。试样使用万能拉伸机弯曲成U形。该试验通过检查弯曲后的裂纹或其他表面缺陷来评估材料的延展性。这些试验结果表明，使用E6013和IMAN-9电极焊接的样品都能弯曲180°而不会损坏。结果表明两种电极类型的弯曲角度都很高（见表10和图13）。图13. 使用ESAB E6013电极（a）和IMAN-9电极（b）焊接的样品的弯曲试验。使用ESAB E6013电极焊接的焊缝金属的微观结构（图14a）特征是较大的、更细长的铁素体颗粒（浅色区域）和珠光体（深色带）。铁素体的晶界清晰，针状结构更为明显。相比之下，使用IMAN-9电极焊接的焊缝微观结构（图14b）显得更细小、更均匀。铁素体和珠光体颗粒比ESAB E6013电极样品更细小、不那么细长。图14. 使用ESAB E6013电极（a）和IMAN-9电极（b）焊接的试样的焊缝区域SEM图像（×500）。与使用E6013电极焊接的接头相比，使用IMAN-9电极焊接的接头具有更好的机械性能，这可能归因于焊缝金属中更细小的针状铁素体微观结构和珠光体在整个焊缝体积中的均匀分布。图15中的图像是由Microvision Instruments的显微镜拍摄的。通过ASTM G指标测量了使用E6013和IMAN-9电极焊接的样品中的铁素体相比例和平均晶粒尺寸。表11中的测量结果显示，使用E6013电极焊接的焊缝区域中铁素体比例高达20.3%，晶粒尺寸为ASTM G 18；而使用IMAN-9电极焊接的焊缝区域中铁素体比例降至16.1%，晶粒尺寸为ASTM G 19。因此，两种电极微观结构的主要区别在于晶粒的大小和形状。使用ESAB E6013电极焊接的焊缝具有较大且细长的晶粒，而使用IMAN-9电极焊接的焊缝具有较小且更均匀的晶粒。作者认为，在焊接电极涂层材料中使用冶金过程废弃物具有经济和实际意义。使用这些废弃物可以通过减少昂贵原材料的用量将涂层材料的成本降低多达30%。此外，由于使用IMAN-9电极焊接时电弧穿透力更强，从而节省能源并减少焊接电极的消耗，提高劳动生产率。4. 结论本研究比较了使用含有1% PNFC品牌IMAN-9掺杂的冶金厂废弃物制成的电极与ESAB E6013电极焊接的对接接头的形态和机械性能。研究结果总结如下：1. 对使用开发的IMAN-9电极和市售E6013电极焊接的接头进行比较分析后发现，IMAN-9电极具有更好的焊缝金属穿透力、焊缝金属结构和接头延展性。然而，使用IMAN-9电极焊接的接头的强度特性略低于使用ESAB E6013电极焊接的接头。2. 研究发现，IMAN-9电极的增强穿透能力可能是由于电极涂层中含有丰富的氧化铁冶金尾矿。电极涂层中的氧化铁增加了电弧中的离子化颗粒，影响了电弧稳定性和金属穿透力。3. 使用IMAN-9电极焊接的焊缝金属硬度低于使用E6013电极焊接的焊缝金属硬度，但高于基材硬度。4. 使用IMAN-9电极焊接的接头抗拉强度略低于使用E6013电极焊接的接头。在这两种情况下，试样的断裂都发生在基材中。相反，使用IMAN-9电极焊接的接头的相对延伸率高于使用E6013电极焊接的接头。5. 研究表明，使用IMAN-9电极焊接的焊缝金属微观结构比使用ESAB E6013电极焊接的焊缝金属微观结构更细小、更均匀。整体结构更为致密，各个元素之间的区别不明显。6. 结果表明，在焊接电极涂层中使用冶金过程废弃物相比广泛使用的E6013电极具有经济和实际优势。因此，使用含有冶金废弃物的IMAN-9电极可以通过减少涂层中昂贵原材料的用量将成本降低多达30%。此外，由于电弧穿透力增强，使用IMAN-9电极焊接可以节省能源、减少焊接电极消耗，并提高焊接结构和产品的生产效率。需要进一步研究IMAN-9电极在各种焊接条件下的长期性能和应用。新的IMAN-9电极品牌是从冶金厂废弃物中制备的。因此，再利用冶金废弃物有助于降低成本并保护环境。