焊接技术是十九世纪末发展起来的一种重要的金属加工工艺。随着科学技术的不断提高和工业的发展,对焊接技术不断提出更高的要求,从而促使焊接工艺方法、焊接新能源、焊接材料的迅速发展。目前在国外已将新兴工业矿物硅灰石作为一种新的焊接材料。尤其是在美国和日本发展得更快,硅灰石的独特物化性能和显著的经济效益引起了人们的普遍重视。湖北大冶硅灰石资源丰富,矿石质优,每年采出矿石近万吨,除了用于硅钙板、纤维水泥、改性塑料外,尚有部分出口。

硅灰石是一种天然产出的偏硅酸钙矿物,分子式为CaSiO3,化学成份理论值SiO2占比51.75%,CaO占比48.25%,硅灰石具有高温型假硅灰石和低温型两种。而低温型的多型晶又可分为三斜晶系硅灰石和单斜晶系的变态副硅灰石。在工业上得到应用的多为低温型灰石。

我国于20世纪70年代在湖北大冶首次发现硅灰石矿，陆续在全国发现10与座硅灰石矿，湖北大冶的冯家山矿也是目前存在品质较好，储量较大的束状纤维硅灰石矿。

硅灰石受热呈直线型膨胀。硅灰石的化学成份主要是SiO2和CaO,以接近的组合参于药皮组分,完全符合钦钙型熔渣组分要求,在渣系状态图中均落在钦钙型三元氧化物熔渣组分范围内。

硅灰石不同掺入量的试验结果

按药皮中含硅灰石的4%，6%，9%，10%,12%的五组焊条,其焊接试验结果如下

4%组：电弧平稳,没有吹力,飞溅大,焊条熔化速度慢,焊缝不平,成型一般。

6%组：电弧平稳,吹力较小,焊条熔化速度稍有提高,但有跟渣现象,成型一般。

9%组：电弧稳定,吹力大有提高,焊条熔化速度快,由原来的每根焊条70秒降到60秒,熔池出现沸腾现象,飞戮小,脱渣性能好,成型美观。

10%组：电弧吹力明显增大,焊条熔化速度快,由原来每根焊条的秒降到秒,熔池也比较活,飞溅适中,成型美观。

12%组：铁水出现稀释,立仰焊操作困难。

从上述结果看出,以硅灰石掺加量9%和10%两组焊接效果最好。这与国外文献中报道的的最佳掺入量是吻合的。硅灰石对娜接工艺性能的改兽在药皮中掺入适量的硅灰石,对焊接工艺性能具有明显提高,这主要是由于硅灰石的引入,改变了熔渣的化学成分和结构。

由于化学成分的变化,从而使熔渣的熔点、粘度、表面张力,脱渣性等物理性能和冶金性能更适于焊接要求,达到稳定电弧,减少飞溅易于脱渣,提高熔化,熔敷系数,适于全位焊接,成型好,质量高。其工业试验结果如下：

①提高焊接电弧的稳定性,增大吹力。电弧稳定性是控制焊接质量和焊接能否连续顺利进行的关键。在其他条件相同时,焊条药皮组成对稳定电弧起决定作用。药皮中加入电离位低的硅灰石,可进一步降低电弧气氛的电离位,进而起稳弧作用。

②减少熔渣的飞蛾,提高焊接的熔数效率控制焊接时的熔渣飞戮和发烟、发尘量,是提高焊接工艺性能的一项重要指标。

影晌飞戮的因素很多,除焊接电源、焊条规格等条件外,药皮的含水量和熔渣的粘度则是增加飞戮的主要原因。一般铁钙型焊条熔滴都是以比较细粒的顺粒过渡,故飞戮较小。硅灰石加入药皮减少飞戮的机理,就在于硅灰石不含结晶水、化合水和吸附水,进一步减少了药皮中的水份,从而减少了飞戮。试验测定硅灰石新焊条的飞戮率

另外在药皮中加入硅灰石,是以CaSiO3代替释低电弧电压的CaCO3,从而提高电弧的电压和电弧的吹力,使熔滴由短路过渡转变为细粒过渡,提高了焊接的熔化速度。还有硅灰石的化学放热反应,也能进一步加快焊条的熔化速度,从而取得了理想的熔化、熔数系数,为研制新的高效焊条创造了条件,试验测得硅灰石新焊条的熔化,熔敷系数

③改善焊条的脱渣性脱渣性是焊条的重要工艺性能之一,它的难易程度直接影响焊接效率,这主要受熔渣的线膨胀系数和氧化性能强弱控制,在钦衰钙型焊条中加入呈直线膨胀的膨胀系数很小的硅灰石,必然要降低熔渣的线膨胀系数,这样与焊缝金属的膨胀系数形成显著差异,故此易于脱渣.

④提高各种位置焊接的适应性在焊接的生产实践中,经常遇到横、立、仰焊和更为复杂位置的焊接,为此研制全位焊条是非常重要的,影响横、立、仰焊的因素主要是熔渣的凝固温度范围和粘度,表面张力等。在药皮中加入硅灰石偏硅酸钙复合物,相应的减少了自由氧化物含量,,使熔渣活性减小,加上硅灰石结晶相变温度范围很窄大约40℃,这样就使熔渣能在很短的时间内,克服重力作用,使熔滴顺利向熔池过渡,并迅速凝固,而得到良好的横、立、仰焊性能。

⑥提高焊缝成型质量

一般低碳钢钦钙型焊条都具有良好的焊接成型特点,其焊缝表面光滑,波纹细质美观,无咬边等缺陷,但由于各厂所采用的药皮原料不同,熔渣的主要性能存在着一定差异,导致焊缝的成型也就不一样了。过去为了提高焊缝的成型质量,主要是在配方中加入适量的金红面和铁白粉等,但尚未得到最理想的成型质量,试验引入硅灰石后,助熔作用提高了熔渣的流动性,使表面张力有所下降,并使熔渣的熔点和粘度得到适中调整,以及前面提到的稳定连续燃烧的电弧减少飞溅,因而获得比较理想的焊缝成型,试验结果见表十三同时值得提出的是,由于硅灰石本身不含有各种水份,这样就减少了由于原料代入药皮中的水,从而降低了药皮中氢的含量,,再加上CaSiO3分解放出大量CO2,又可进一步去氢,这样就避免了由氢而引起的氢脆性、白点、气孔,显微裂纹和冷裂缝等焊接缺陷,保证了焊接的良好成型。

在氧化钦钙型焊条药皮中,采用新兴工业矿物硅灰石代表传统原料所研制的新焊条在提高焊缝金属强度和改善焊接工艺性能等方面都取得了较好的技术经济效果,这不仅有理论上的研究意义,还可增加产品市场的竞争能力,尤其是引入硅灰石后,减少了价格昂贵的人造金红石,大幅度降低成本,将会收到显著的经济效益。