利用火花直讀光譜儀快速檢測(cè)不銹鋼焊絲成分

王磊，李柱，張超，谷亞寧，李新宇，黃鑒瓊

1.中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088

2.北京金威焊材有限公司 天津 301906

1 序言

北京金威焊材有限公司是制造特種焊接材料的生產(chǎn)商。為了滿(mǎn)足客戶(hù)和市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品具有多品種、小批量、交貨時(shí)間短及技術(shù)條件范圍小等特點(diǎn)?；诋a(chǎn)品的要求，對(duì)原材料要求比較嚴(yán)格，特別是對(duì)不銹鋼焊絲原材料，不僅要求檢測(cè)速度快，而且要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2 檢測(cè)不銹鋼焊絲成分的主要方法

對(duì)于不銹鋼焊絲原材料的檢測(cè)，北京金威焊材有限公司檢測(cè)焊絲成分的方法主要有化驗(yàn)室滴定法、手持光譜檢測(cè)、火花直讀光譜儀檢測(cè)和火花直讀光譜儀檢測(cè)光譜塊成分間接檢測(cè)法等。

（1）化驗(yàn)室滴定法檢測(cè)焊絲成分 其檢測(cè)結(jié)果最為準(zhǔn)確，是焊絲成分檢測(cè)的仲裁方法。但這種方法檢測(cè)速度慢，在檢測(cè)過(guò)程中需要使用管制化學(xué)藥品，并且化驗(yàn)產(chǎn)生的廢液屬于危險(xiǎn)廢物，需要由有資質(zhì)的公司回收處理，這使得化驗(yàn)檢測(cè)的成本較高。另外，購(gòu)買(mǎi)、儲(chǔ)存，以及使用化學(xué)藥品和收集、儲(chǔ)存廢液也增加了企業(yè)的管理成本。

（2）手持光譜檢測(cè) 這是最為快速的檢測(cè)方法，檢測(cè)僅需要幾分鐘的時(shí)間。但這種方法的準(zhǔn)確性較差，不能作為定量分析，只能作為定性分析。另外，這種檢測(cè)方法只能檢測(cè)焊絲中金屬元素的含量，對(duì)非金屬元素的含量無(wú)法檢測(cè)。

（3）火花直讀光譜儀直接檢測(cè)焊絲成分 這種方法具有速度快、檢測(cè)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是，光譜儀檢測(cè)焊絲成分的結(jié)果受焊絲直徑、設(shè)備氣密性和激發(fā)面積等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

（4）火花直讀光譜儀檢測(cè)光譜塊成分的間接檢測(cè) 為了快速、準(zhǔn)確檢測(cè)不銹鋼焊絲成分，采用先將不銹鋼焊絲用鎢極氬弧焊的方法制備成光譜塊，然后使用火花直讀光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，這種方法能夠比較準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出光譜塊的化學(xué)成分，而焊絲在制備光譜塊過(guò)程中的燒損，除個(gè)別元素外，其他成分基本不會(huì)變化。

本文對(duì)火花直讀光譜儀直接檢測(cè)焊絲成分和使用鎢極氬弧焊制備光譜塊后再使用火花直讀光譜儀間接檢測(cè)焊絲成分進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)流程

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為德國(guó)斯派克MAXX火花直讀光譜儀。光譜可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)樣品的成分[1]，設(shè)備采用多光室設(shè)計(jì)，可較好地降低臨近元素的相互干擾，具有較高的準(zhǔn)確度。

3.2 火花直讀光譜儀檢測(cè)焊絲成分的方法

光譜可以使用專(zhuān)用夾具來(lái)快速檢測(cè)較大規(guī)格焊絲的成分，對(duì)于規(guī)格≥φ3.2mm的焊絲，可使用粗絲夾具（見(jiàn)圖1），直接激發(fā)焊絲端面來(lái)檢測(cè)焊絲的化學(xué)成分。

圖1 粗絲夾具

介于φ1.6～φ3.2mm的焊絲，由于焊絲端面面積較小，因此如使用粗絲夾具，則不能充分激發(fā)，從而會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)有較大偏差，甚至不能產(chǎn)生讀數(shù)，這時(shí)可采用細(xì)絲夾具，通過(guò)激發(fā)焊絲的側(cè)面來(lái)檢測(cè)焊絲的成分[2]，如圖2所示。

圖2 細(xì)絲夾具

當(dāng)焊絲規(guī)格介于φ1.6～φ2.4mm時(shí)，焊絲側(cè)面受激發(fā)面積較小，會(huì)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)，這時(shí)采用沖壓機(jī)將焊絲壓扁來(lái)增加激發(fā)面積，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，如圖3、圖4所示。

圖3 沖壓設(shè)備

圖4 焊位沖壓

對(duì)于φ1.6mm以下的焊絲，光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)不理想，可采用鎢極氬弧焊制備光譜塊，然后使用光譜檢測(cè)光譜塊的方法進(jìn)行成分檢測(cè)。

3.3 ICAL校準(zhǔn)

ICAL是描繪光譜儀曲線(xiàn)的一種校準(zhǔn)方法。ICAL校準(zhǔn)采用設(shè)備自帶標(biāo)準(zhǔn)樣品，激發(fā)出4個(gè)有效激發(fā)點(diǎn)，然后點(diǎn)擊接受即可完成ICAL校準(zhǔn)。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

（1）鎢極氬弧焊制備光譜塊燒損情況 光譜火花臺(tái)激發(fā)位置開(kāi)孔直徑為13mm，通常焊絲的直徑遠(yuǎn)小于這個(gè)開(kāi)孔直徑，因此常采用鎢極氬弧焊的方法制備光譜塊，然后通過(guò)光譜檢測(cè)光譜塊的成分來(lái)間接檢測(cè)焊絲成分，但在焊接構(gòu)成中會(huì)因一些元素?zé)龘p而造成成分偏差。為了摸清燒損情況，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作，試驗(yàn)用焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用焊接參數(shù)

為了得到未經(jīng)稀釋的熔敷金屬，制備的光譜塊如圖5所示。

圖5 光譜塊尺寸示意

要求光譜塊母材應(yīng)為Q355碳素鋼板，厚度為20mm，熔敷金屬采用鎢極氬弧焊的方法進(jìn)行堆焊，熔敷金屬長(zhǎng)度L≥50mm，寬度W≥30mm，高度H≥20mm。熔敷金屬表面應(yīng)平整，并無(wú)焊接缺陷。焊接完成后，應(yīng)使用銑床對(duì)熔敷金屬進(jìn)行加工，要求將表面加工平整，加工完成后，應(yīng)使用砂紙對(duì)表面進(jìn)行打磨。

將光譜檢測(cè)光譜塊的結(jié)果和對(duì)焊絲取屑進(jìn)行化學(xué)成分分析的結(jié)果，與焊絲原廠(chǎng)材質(zhì)書(shū)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鎢極氬弧焊光譜塊成分、焊絲成分化驗(yàn)數(shù)值和焊絲材質(zhì)書(shū)成分對(duì)比

（續(xù)）

（續(xù)）

從表2中發(fā)現(xiàn)，鎢極氬弧焊制成的光譜塊Mn元素相較于焊絲，會(huì)有少量的燒損，當(dāng)wC＞0.04%時(shí)，光譜塊的碳會(huì)有少量燒損，其他元素基本與原焊絲含量相當(dāng)。結(jié)合表1、表2可知，同品種、不同規(guī)格的焊絲采用不同焊接參數(shù)進(jìn)行焊接后，其熔敷金屬化學(xué)成分并沒(méi)有因焊接參數(shù)不同而產(chǎn)生較大偏差。基于上述結(jié)果，可以使用光譜檢測(cè)光譜塊的化學(xué)成分來(lái)間接檢測(cè)焊絲的化學(xué)成分。

（2）不同直徑焊絲通過(guò)火花直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比 火花直讀光譜儀臺(tái)面激發(fā)位置開(kāi)孔直徑為13mm，常用的焊絲規(guī)格有φ0.8mm、φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.6mm、φ1.9mm、φ2.0mm、φ2.4mm、φ3.2mm、φ4.0mm和φ5.0mm，這些焊絲的直徑均小于開(kāi)孔直徑，無(wú)法直接激發(fā)。因此，使用設(shè)備自帶的專(zhuān)業(yè)夾具進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)同爐號(hào)、不同規(guī)格的焊絲使用光譜對(duì)原焊絲進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)的規(guī)格分別為φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.6mm、φ2.0mm、φ2.4mm和φ3.2mm，并對(duì)φ1.2mm焊絲制備的光譜塊也進(jìn)行了成分檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 同爐號(hào)不同規(guī)格不銹鋼焊絲使用火花直讀光譜儀檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊絲規(guī)格≤φ1.6mm時(shí)，光譜儀不能直接對(duì)焊絲完成成分的檢測(cè)工作，φ1.6～φ2.4mm的焊絲通過(guò)沖壓機(jī)壓扁的方法可以完成成分檢測(cè)，但φ1.6mm焊絲的檢測(cè)結(jié)果存在一定偏差，結(jié)果與原廠(chǎng)材質(zhì)和化學(xué)法檢測(cè)焊絲的結(jié)果有一些差距。焊絲直徑越大，其結(jié)果與原廠(chǎng)材質(zhì)書(shū)和化學(xué)法檢測(cè)焊絲的結(jié)果越接近[3]。φ1.2mm焊絲使用鎢極氬弧焊制備光譜塊后，通過(guò)光譜進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果與原廠(chǎng)材質(zhì)書(shū)和化學(xué)法檢測(cè)焊絲的結(jié)果比較接近，可以作為快速檢測(cè)焊絲成分的方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）焊絲采用鎢極氬弧焊制備光譜塊，其成分與原焊絲成分基本相當(dāng)，其Mn含量較原焊絲略有燒損。當(dāng)wC較高（≥0.04%）時(shí)，會(huì)有少量燒損。

2）采用斯派克MAXX光譜儀檢測(cè)焊絲成分時(shí)，焊絲直徑越小，其偏差會(huì)越大，當(dāng)檢測(cè)小直徑焊絲時(shí)，應(yīng)使用沖壓機(jī)壓扁焊絲來(lái)增加焊絲的受激發(fā)面積，從而提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）當(dāng)細(xì)直徑焊絲不能激發(fā)時(shí)，使用鎢極氬弧焊制備光譜塊可以用來(lái)間接檢測(cè)焊絲成分。

4）焊絲的C、S推薦使用碳硫儀進(jìn)行測(cè)量，這樣可以快速得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。