Effection of the Si-Ba Alloy in the Electrode Coating on the Microstructure and Properties of Welding Material
XU Yong-gang YANG Chuan-yun LI Wei
（Dept. of Material Forming and Controlling Engneering,Sichuan Univ ersity）
Abstract： A small mount of Si-Ba alloy in the electrod e can modify the microstructure of the welding metal and the distribution of car bides.Through this way,the mechanical properties of the material can be improved .
Key words： Si-Ba alloy; microstructure of welding metal; properties
在焊接材料的制造过程中加入少量合金是人们提高焊缝组织性能的主要手段之一。而合金化 的主要方式是将合金成分加入药皮，利用焊接电弧下焊缝金属物理冶金过程，实现合金元素从药皮向焊缝中过渡，以使焊缝金属性能得以提高。
Si-Ba是两种重要的合金元素，其中后者还是碱土金属。它们具有较高的脱氧、脱硫和脱磷 的作用，其中Ba所形成的化合物具有较高的熔点而可用作铸造领域内的变质剂，这已得到了确认［1］。但是，在焊接领域内，这方面的应用报道很少。为此，笔者对在E5015药皮中加入少量Si-Ba合金(含25%～28%Ba)后给焊缝组织和性能带来的变化进行了分析测试，尤其是针对元素Ba对焊缝中晶粒的生长和对碳化物形态变化所起的影响方面进行了分析，从而对Si-Ba合金在焊接材料制造方面的实际应用作一探索。
2 试验方法
焊条按E5015焊条的制备工艺进行制备。焊条以H08A钢丝作为焊芯，其成分w(%)为：C≤ 0.1，Mn≤0.30，Si≤0.03，Cr≤0.2，Ni≤0.30，S、P≤0.03，余为Fe。药皮成分主要由大理石、氟石、钛铁、低度硅铁、锰铁、石英、钛白粉、云母、纯碱构成。将其混合粉末分两部分，其中一 部分中再加入2.5%硅钡粉末，然后依次按工艺制备焊条。
焊接时，以300×125×12(mm)的16Mn钢板为母材，作对接焊缝的焊接，其工艺参数如表1。
焊接后，对焊缝组织作化学成分分析；按与焊缝垂直方向制取标准拉伸试样 ；依次测定焊缝中心区、柱晶区、熔合线上、过热区的硬度值；利用扫描电镜分析焊缝组织以及拉伸试样的断口。
表1 焊接工艺参数
| 焊条直径 (mm) |
电源极性 | 层数 (层) |
电流 (A) |
电压 (V) |
焊接速度 (cm/min) |
| 4 | 直流反接 | 5～7 | 190～210 | 20～23 | 12～24 |
| 3 试验结果与分析
3.1 化学成分 表2 焊缝的化学成分(w，%) |
| C | Si | Mn | V | S | Cr | Ni | Ti | P | |
| 未加Si-Ba | 0.10 | 0.04 | 0.99 | ＜0.02 | 0.017 | ＜0.02 | ＜0.02 | ＜0.02 | 0.017 |
| 加Si-Ba | 0.09 | 0.77 | 3.02 | ＜0.02 | 0.014 | ＜0.02 | ＜0.02 | ＜0.02 | 0.037 |
| 3.2 组织和性能 扫描电镜图象(图1)显示了Si-Ba合金加入以后组织的形貌所发生的变化。图1a为未加 Si -Ba合金的微观组织，可见其晶粒粗大而且不均匀。图1b为加入Si-Ba合金以后的组织，晶粒明显细化，且更加均匀。 在通常情况下，由于母材的热传导作用，加上熔池的体积较小，焊缝的形成时间很短，其柱 状晶的特点十分突出。但加Si-Ba以后，少量Ba形成的化合物可以细化晶粒。据有关文献［2］记载，这类化合物熔点高， 在液态金属的结晶过程中可起到孕育形核的作用，提高形核率，并抑制晶粒的长大，使组织的性能得到提高。  图1 焊缝组织的微观组织形貌(a-不加Si-Ba；b -加Si-Ba) 更重要的是，碳化物的形貌也受到了强烈的影响。碳化物分布如图2所示。图2a为未加Si-B a的焊缝组织；图2b为加了Si-Ba的焊缝组织。首先，晶粒细化以后，使得晶界的面积更大 ，碳化物可以沿晶界更加充分、均匀、弥散地析出，形态细小。其次，Ba的化合物还改变了 碳化物的形态。一般情况下，碳化物在珠光体或铁素体中是以片状沿晶界析出长大的，但高熔点颗粒会阻碍碳化物的生长，使其形态发生扭曲，且很不规则。这种状态将使焊缝组织的性能，如硬度、强度、塑性和韧性发生很大的变化。 图2 焊缝组织中的碳化物形态(a-不加Si-Ba， b-加Si-Ba) 选取如图3所示的四个区域为对象，依次测量两种焊缝组织的洛氏硬度，其值如表3。可以看出，两条焊缝近缝区的硬度非常接近，说明加入Si-Ba以后，焊缝近缝区的性能并未发生很大的 变化。或者说，Si-Ba对焊缝向母材的过渡没有大的影响。但从焊缝区来看，加入Si-Ba的 焊缝硬度值比不加的高，而且也高于其自身母材。这一方面可能与焊缝中Mn含量的提高有关。 另一方面，在同一种焊缝中，当加入Si-Ba以后，焊缝硬度值分布出现明显的不均匀，越往焊缝中心，其硬度值越高。这说明，在成分偏析越严重的区域，如焊缝中心区域，合金元素的强化作用也越明显。 |
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图3 焊缝的分区图 表3 焊缝区硬度(HRC)分布 |
| 焊缝组织 | 中心区1 | 熔合线内侧2 | 熔合线3 | 熔合线外侧4 |
| 未加Si-Ba | 81 | 80 | 80 | 87 |
| 加Si-Ba | 105 | 100 | 95 | 88 |
| 从力学性能来看，Si-Ba使焊缝的力学性能得到改善。加入Si-Ba的焊缝，其拉伸试样的拉 伸强度为45.54MPa，伸长率为4.3%，而不加Si-Ba的拉伸试样其拉伸强度只有42.4MPa ，伸长率为2.4%。从拉伸试样来看，前者的断口附近有明显的缩颈和剪切唇产生，且断裂声轻微，而后者的断口平齐，呈冰糖状，断裂声响脆，说明前者韧性较高。从扫描电镜的结果(图4)也可看出，加入Si-Ba的焊缝断口(图4b)，其韧窝密集，韧窝的核心为粒状颗粒，而不加Si-Ba的焊缝断口( 图4a)，其沿晶界二次裂纹特征明显，属准解理断口，解理小面沿晶界形成，脆断特征明显超过前者。由此可见，加Si-Ba的焊缝组织强度和塑性都优于不加Si-Ba 的焊缝组织。
图4 拉伸试样断口图(a-不加Si-Ba；b-加Si-Ba) 综合以上所述，少量Si-Ba合金的加入，不仅可明显优化焊条形成的焊缝微观组织结构，而且也因此提高了焊缝组织的力学性能。4 结论 (1)少量Si-Ba的加入增大了焊缝组织中合金元素Si、Mn的过渡量，从而使焊缝的强度有了较大的提高。 作者简介：胥永刚(1969-)，男，讲师，工学硕士。 参考文献： |
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