Nachricht

Mar 16, 2024

Die Nanosilica-Behandlung sorgt für Feuchtigkeit

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9892 (2023) Diesen Artikel zitieren 353 Zugriffe auf Metrikdetails Die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Elektrodenummantelung ist bei der Herstellung von entscheidend

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9892 (2023) Diesen Artikel zitieren

353 Zugriffe

Details zu den Metriken

Die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Elektrodenumhüllung ist entscheidend für die Herstellung fehlerfreier, hochwertiger Schweißnähte beim Metallschutzlichtbogenschweißen von Stählen. Die Schweißindustrie steht seit langem vor der Herausforderung, dass basische Elektroden (z. B. E7018) sehr anfällig für Feuchtigkeitsaufnahme sind. In diesem Artikel zeigen wir, dass das Auftragen einer Nanosilica-Beschichtung auf die Oberfläche der E7018-Elektrodenabdeckung mithilfe einer Tauchbeschichtungstechnik die Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit der Elektrodenabdeckung wirksam verringern kann. Die Ergebnisse der Feuchtigkeitsmessung vor und nach 9-stündiger Einwirkung einer feuchten Umgebung mit 80 % Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 27 °C zeigen, dass die Feuchtigkeitsabsorptionswerte herkömmlicher und nanobehandelter E7018-Elektroden während der Einwirkung 0,67 Gew.-% und 0,03 Gew.-% betragen. , jeweils. Während eine Verringerung der Porengröße auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung den Widerstand gegen Feuchtigkeitsabsorption bis zu einem gewissen Grad verbessern kann, wurde festgestellt, dass sich das Benetzungsverhalten der Oberfläche der Elektrodenabdeckung durch die Nanosilica-Beschichtung von hydrophil zu hydrophob ändert Der wirksamste Mechanismus, der zur verbesserten Feuchtigkeitsaufnahmebeständigkeit der mit Nanosilica behandelten Elektrodenabdeckung beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Ansatz keine schädlichen Auswirkungen auf die chemische Analyse und die Zugeigenschaften des Schweißguts hat. Diese einfache Modifikation der Elektrodenhülle kann generell auf eine Vielzahl von Elektrodenhüllentypen angewendet werden, um hydrophobe, feuchtigkeitsbeständige Elektroden herzustellen.

Das Schutzgasschweißen (SMAW) ist eine äußerst vielseitige Fertigungstechnologie, die in verschiedenen industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle spielt, darunter beim Bau von Gebäuden, Brücken, Pipelines, Druckbehältern, Schiffen, Offshore-Strukturen und untergetauchten Meeresstrukturen1,2,3. 4,5,6. Während SMAW zum Schweißen von Nichteisenmaterialien verwendet werden kann, eignet es sich besonders gut zum Schweißen von Eisenmaterialien wie Gusseisen, Stahl und Edelstahl. Seine Fähigkeit, qualitativ hochwertige Schweißnähte unter schwierigen Bedingungen herzustellen, hat es zu einer beliebten Wahl in einer Vielzahl von Branchen gemacht. Wie jedoch in der Literatur gut dokumentiert7,8, kann das Vorhandensein von Wasserstoff in der Schmelzzone beim Schweißen von Stählen gefährlich sein, da es sowohl in der Wärmeeinflusszone als auch in der Schmelzzone zu Kaltrissphänomenen führt, die für Verluste an Wasser verantwortlich sind Leben und Eigentum aufgrund eines katastrophalen Versagens der geschweißten Stahlkonstruktion. Wasserstoffinduzierte Kaltrisse sind ein erhebliches Problem bei der Schweißbarkeit hochfester Stähle9,10,11. Daher hat die steigende Nachfrage nach hochfesten Stählen zu einem größeren Bedarf an wasserstoffarmen Schweißtechnologien geführt, um das Risiko von Kaltrissen zu verringern.

Es wurde festgestellt, dass die Hauptquelle für Wasserstoff im Schweißgut die Zersetzungsprodukte der Elektrodenummantelung beim SMAW sind. Durch die Zersetzung der CaCO3-haltigen basischen Elektrodenhülle entsteht ein gasförmiger Schutzschild mit niedrigem H28-Gehalt. Daher ist der Einsatz einer basischen Elektrodenumhüllung der entscheidende Ansatz zur Reduzierung der Kaltrissgefahr beim Schweißen hochfester Stähle. Obwohl die Grundelektrodenabdeckung ein Schweißzusatzwerkstoff mit niedrigem Wasserstoffgehalt ist, ist sie anfällig für die Aufnahme von Feuchtigkeit, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt wird12. Es wurde festgestellt, dass die Hauptquelle für Wasserstoff beim SMAW die Feuchtigkeit der Elektrodenabdeckung ist. Zusätzlich zu den schädlichen Auswirkungen auf die Rissbildung in der Schweißnaht kann die Aufnahme von Feuchtigkeit die Qualität der Schweißnaht verschlechtern, indem sie die Bildung von Porosität unter der Oberfläche fördert, was eine Röntgenprüfung oder zerstörende Prüfung erfordert. Darüber hinaus kann hohe Feuchtigkeit zu einer rauen Schweißoberfläche führen13. Daher ist die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Basiselektrodenumhüllung der Schlüssel zum Erhalt hochwertiger Lichtbogenschweißungen. Um eine Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, sind sorgfältige Handhabungs- und Lagerungsmethoden sowie das Einbrennen der Elektroden bei einer Temperatur im Bereich von 340–400 °C14 erforderlich. Dadurch können diese Elektroden nur für eine begrenzte Zeit den Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, bevor das Flussmittel Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und zur Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts erneut ausgebrannt werden muss. Eine ordnungsgemäße Lagerung und Backbehandlung sind jedoch kostspielige Lösungen. Daher sind umhüllte Elektroden mit hohem Widerstand gegen Feuchtigkeitsrückaufnahme so konzipiert, dass sie den Wasserstoffgehalt des Schweißguts kontrollieren.

Gemäß AWS A5.115 sollten die sogenannten feuchtigkeitsbeständigen, basisch beschichteten Elektroden, die durch den Zusatz „R“ nach der vierstelligen Klassifizierungsnummer gekennzeichnet sind, nach mindestens 9 Stunden Einwirkungszeit einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen einer Umgebung mit 27 °C und 80 % relativer Luftfeuchtigkeit, die nicht höher als 0,4 Gew.-% ist. Die feuchtigkeitsbeständigen Basiselektroden wurden auf der Grundlage der optimierten Granulometrie des Beschichtungsflussmittelbestandteils, eines neu entwickelten Bindemittelsystems und eines korrekten Verfahrens zur Entfernung nahezu der gesamten Feuchtigkeitsmenge aus dem Flussmittel entwickelt16. Eine Modifizierung des Flussmittel-Bindemittel-Systems kann nicht nur das physikalisch-chemische und thermophysikalische Verhalten der Schlacke beeinflussen17,18, sondern auch die Beständigkeit der Beschichtung gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme verändern. Beispielsweise haben Barringer und Eagar19 ein Schweißflussmittel-Bindemittelsystem patentiert, das auf einer hydrolysierten und polymerisierten organometallischen Verbindung unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens basiert. Obwohl sie die Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit der Elektrodenbeschichtung nicht nachweisen konnten, berichteten sie, dass das resultierende Schweißflussmittel, Bindemittel und Flussmittel nicht hygroskopisch sind. Das von Barringer und Eagar19 offenbarte Flussmittel-Bindemittel-System erfordert jedoch hohe Temperaturen (z. B. 750–800 °C), um das Bindemittel auszuhärten.

Crockett20 und Dallam und Karogal21 zeigten, dass der Einbau von kolloidalem Nano-SiO2 in das Bindemittelsystem die hygroskopische Feuchtigkeitsaufnahme der Elektrodenabdeckung reduzieren kann. Das Feuchtigkeitsaufnahmevermögen kann bei beschichteten Elektroden mit Nanosilica-haltigen Bindemitteln sehr gering sein (0,02–0,04 Gew.-% nach 24-stündiger Einwirkung einer feuchten Umgebung mit 80 % Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 27 °C). Fattahi et al.22 zeigten, dass eine Erhöhung des kolloidalen Nanosilica-Gehalts des Bindemittelsystems von 0 auf 30 Gew.-% den diffundierbaren Wasserstoff des Schweißmetalls von etwa 8 ml/100 g auf unter 4 ml/100 g reduziert. Allerdings erfordert das Bindemittel/Flussmittel-System einen langen Trocknungsprozess bei hoher Temperatur. Vaz et al.23 stellten ein neues Bindemittelsystem her, bei dem die üblichen Bindemittel (Kalium- und Natriumsilikate) durch Polymere ersetzt wurden. Sie zeigten, dass mit diesem Ansatz eine undurchlässige, umhüllte Elektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt (d. h. weniger als 4 ml/100 g) hergestellt werden kann. Bemerkenswert ist, dass es sich bei bindemittelbasierten Modifikationen der Elektrodenummantelung in der Regel um kostenintensive Ansätze handelt. Tomków et al.24 zeigten, dass das Auftragen einer wasserdichten Paraffinwachsbeschichtung auf die Elektrodenoberfläche den diffundierbaren Wasserstoffgehalt im Schweißgut beim Unterwasserschweißen erfolgreich um 35 % reduziert.

Angesichts der zunehmenden Verwendung fortschrittlicher hochfester Stähle in technischen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, kostengünstige Alternativen zur Herstellung feuchtigkeitsbeständiger Elektroden zu entwickeln. Einer der Hauptmechanismen der Feuchtigkeitsaufnahme während der Exposition ist die physikalische Absorption von Wassermolekülen durch die Poren der Beschichtungsoberfläche. Daher kann die Herstellung einer Absorptionsbarriereschicht auf der Oberfläche der Beschichtung ein wirksamer Ansatz zur Kontrolle der Feuchtigkeitsaufnahme bei Umwelteinflüssen sein. Darüber hinaus kann das Vorhandensein hygroskopischer Stoffe (z. B. Kalk) in der Elektrodenabdeckung die Feuchtigkeitsaufnahme verbessern. Daher kann die Herstellung einer hydrophoben Absorptionsbarriereschicht auf der Oberfläche der Beschichtung ein praktischer Ansatz zur Kontrolle der Feuchtigkeitsaufnahme bei Umwelteinflüssen sein.

In dieser Arbeit demonstrieren wir die Wirksamkeit dieses Ansatzes, indem wir eine nanostrukturierte hydrophobe Schicht auf der Oberfläche einer Schweißelektrode mit einer Grundbeschichtung auftragen. Wir haben uns aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften für eine Nanosilica-Beschichtung entschieden: (i) SiO2-Nanopartikel können hydrophobe Eigenschaften aufweisen25, (ii) SiO2 ist in Wasser unlöslich und (iii) SiO2 ist nicht teuer. Um die Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme zu erhöhen, haben wir mithilfe einer einfachen Tauchbeschichtungsmethode eine Nanosilica-Beschichtung auf die Oberfläche der E7018-Elektrodenabdeckung aufgetragen. Wir untersuchten die Auswirkung dieses nanotechnologisch behandelten Ansatzes auf die Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit der Elektrodenabdeckung.

Als Basiselektrode wurde die Basisschweißelektrode E7018 verwendet, eine der am häufigsten verwendeten SMAW-Elektroden, die in einem Karton geliefert wurde. Um einen konstanten Feuchtigkeitsgehalt sicherzustellen, wurden die Elektroden zunächst 2 Stunden lang bei 350 °C getrocknet. In dieser Forschung wurde eine Tauchbeschichtungstechnik verwendet, um einen dünnen SiO2-Film auf der Oberfläche der E7018-Elektrodenabdeckung zu erzeugen. Daher wurde ein stabiles wässriges kolloidales Nanosilica-Sol (dh eine Suspension von Siliciumdioxid-Nanopartikeln in Wasser) hergestellt. Um eine stabile kolloidale Nanosilica-Lösung herzustellen, sollten die Größe der Nanopartikel, die sich auf die Schwerkraft der Partikel auswirkt, und der pH-Wert der Lösung, der die Oberflächenladung der Partikel bestimmt, kontrolliert werden. Die ersten Experimente zeigten, dass die Verwendung von Nanopartikeln mit einer Größe von mehr als 40 nm zu einer Sedimentation der Nanopartikel in der Nanolösung führte. Daher wurde die Suspension durch direkte Zugabe der erforderlichen Menge an 20–40 nm großen SiO2-Nanopartikeln, die 25–30 Gew.-% ausmachten, in destilliertes Wasser hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung des pH-Werts die Art der Kräfte zwischen Nanopartikeln von anziehend-dominant zu abstoßend-dominant ändern kann, was zu einer stabilen kolloidalen Lösung ohne Agglomeration von Nanopartikeln führt26. Der pH-Wert der Lösung wurde durch Zugabe von Na2O zur Lösung über \({\text{Na}}_{2} {\text{O}} + {\text{ H}}_{2} {\text{ O}} \zu {\text{NaOH}}\) Reaktion. Die Menge an Na2O wurde so gewählt, dass eine Lösung mit einem pH-Wert im Bereich von 10–11 entsteht. Dieser pH-Bereich gewährleistete die Bildung einer stabilen, klaren kolloidalen Nanosilica-Lösung. Die Zusammensetzung der hergestellten stabilen kolloidalen Nanosilica-Lösung ist in Tabelle 1 dargestellt.

Zur Herstellung einer nanobehandelten Elektrodenabdeckung wurde das Tauchbeschichtungsverfahren eingesetzt. Dabei wurde eine vorgetrocknete E7018-Elektrode für einen Zeitraum von 10 Sekunden in eine stabile kolloidale Nanosilica-Lösung getaucht und anschließend die nanobehandelte Elektrode 1 Stunde lang bei 200 °C getrocknet. Die Eintauchzeit reichte aus, um einen gleichmäßigen dünnen Film auf der Elektrodenoberfläche zu erzeugen. Die Einbrennzeit und -temperatur wurden so gewählt, dass das Lösungsmittel vollständig verdunstet ist, sodass sich die Beschichtung verfestigen und effektiv am Objekt haften kann.

Der Feuchtigkeitsgehalt der herkömmlichen und nanobehandelten Elektrode war ein kritischer Parameter, der in dieser Studie gemessen wurde, um die Wirksamkeit der Nanosilica-Beschichtung bei der Reduzierung der Feuchtigkeitsaufnahme zu bewerten. Die Feuchtigkeitsanalyse wurde auf Basis des Gewichtsverlusts gemäß den Richtlinien des AWS 5.1-Standards durchgeführt, nachdem die Elektrodenabdeckung über einen Zeitraum von 9 Stunden einer Umgebung mit 80 % Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurde. Dieses Testverfahren wurde für jeden Elektrodentyp dreimal wiederholt, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.

Um die Wirkung der Nanosilica-Beschichtung auf der Elektrodenoberfläche besser zu verstehen, wurde die Oberflächenmorphologie sowohl behandelter als auch unbehandelter Elektroden mithilfe der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) untersucht. Zusätzlich wurde die Wasserbenetzbarkeit der konventionellen und nanobehandelten Elektrodenoberflächen mithilfe der Sessile-Drop-Technik gemessen. Die Wasserbenetzbarkeit ist ein wesentlicher Parameter zur Bewertung der Feuchtigkeitsaufnahmebeständigkeit, da sie die Fähigkeit der Elektrodenoberfläche widerspiegelt, Wassertropfen abzustoßen. Für diesen Test wurde ein 3 µl großer Wassertropfen auf die Elektrodenoberfläche gegeben und in dem Moment, in dem sich der Tropfen stabilisierte, ein Bild aufgenommen. Die Wassertropfenform sowie der linke und rechte Wasserkontaktwinkel wurden mit einem optischen Kontaktwinkelmess- und Konturanalysesystem des OCA 100 (DataPhysics Instruments, Filderstadt, Deutschland) bei Raumtemperatur bestimmt. Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der am Schnittpunkt des Wassertropfens mit der Elektrodenoberfläche entsteht. Konkret sind der rechte und der linke Kontaktwinkel die Tangentenwinkel an den Schnittpunkten des Wassertropfenumrisses und der Grundlinie, die der Kontaktpunkt zwischen dem Wassertropfen und dem Substrat ist. Diese Winkel liefern ein quantitatives Maß für die Benetzungseigenschaften der Elektrodenoberfläche, wobei höhere Kontaktwinkel auf eine stärkere Wasserabweisung hinweisen. Der Kontaktwinkel wurde für jeden Elektrodentyp mindestens 15 Mal mit der automatischen Methode OCA 100 gemessen, was eine zuverlässige und genaue Messung des Benetzungswinkels ermöglichte.

Um die Wirkung der Nanosilica-Beschichtung auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Schweißguts zu bewerten, wurden Experimente zum Schutzgasschweißen (SMAW) mit konventionellen und nanobehandelten E7018-Elektroden auf 15 mm dicken ST37-Kohlenstoffstahlplatten durchgeführt. Die Platten wurden zunächst geschnitten und bearbeitet, um eine Doppel-V-Nut-Stoßverbindungskonfiguration mit einem Nutwinkel von 60 Grad zu erzeugen. Es wurden drei Durchgänge durchgeführt, um jede Seite der Verbindung zu füllen, und die Verbindung wurde außerdem rückgeschweißt. Die Schweißexperimente wurden von einem erfahrenen Schweißer durchgeführt, um die Leichtigkeit des Schweißens mit der nanobehandelten Elektrode zu beurteilen, und es wurde festgestellt, dass die Lichtbogenauslösung und -stabilität durch das Vorhandensein der Nanosilica-Beschichtung nicht beeinträchtigt wurden. Die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes wurde mittels Funkenemissionsspektrometrie bestimmt. Um die Auswirkung der Nanosilica-Beschichtung auf die Verbindungseigenschaften zu untersuchen, wurden gemäß der Norm AWS B4.0/B4.0M:200027 Querzugtestproben und Längsproben aller Schweißmetalle aus dem Schweißstück hergestellt. Beim Querzugversuch wurden die Zugfestigkeit und der Ort des Versagens bestimmt, während beim Ganzschweißgutzugversuch die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Gesamtdehnung des Schweißgutes gemessen wurden.

Der Feuchtigkeitsgehalt der konventionellen und nanobehandelten Elektroden wurde vor und nach 9-stündiger Einwirkung einer feuchten Umgebung mit 80 % Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 27 °C gemessen.

Herkömmliche Elektrode: Der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt der herkömmlichen Elektroden (dh vor der Einwirkung einer feuchten Umgebung), gemessen nach zweistündigem Trocknen bei 350 °C, betrug etwa 0,15 Gew.-%. Der Feuchtigkeitsgehalt der herkömmlichen unbehandelten Elektroden wurde dann gemessen, nachdem sie der feuchten Umgebung ausgesetzt waren. Der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt der herkömmlichen E7018-Schweißelektroden betrug 0,82 Gew.-%. Die Ergebnisse der Feuchtigkeitsmessung vor und nach der Exposition zeigen, dass die Feuchtigkeitsaufnahme herkömmlicher E7018-Elektroden während der Exposition 0,67 Gew.-% betrug.

Nanobehandelte Elektroden: Der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt der Elektroden wurde direkt nach dem letzten Schritt des Beschichtungsprozesses gemessen, der ein einstündiges Trocknen bei 200 °C umfasste. Der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt betrug 0,16 Gew.-%. Der Feuchtigkeitsgehalt der nanobehandelten Elektroden im freiliegenden Zustand wurde ebenfalls direkt nach dem letzten Schritt des Beschichtungsprozesses gemessen. Anschließend wurde die Elektrodenabdeckung 9 Stunden lang der feuchten Umgebung ausgesetzt. Der Feuchtigkeitsgehalt der nanobehandelten E7018-Schweißelektroden im freiliegenden Zustand betrug 0,19 Gew.-%. Abbildung 1 vergleicht den durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt der konventionellen und nanobehandelten E7018-Schweißelektroden nach dem Feuchtigkeitsabsorptionstest. Die freiliegende Feuchtigkeit in der nanobehandelten Elektrode verringerte sich im Vergleich zur herkömmlichen unbehandelten Elektrode um 76 %. Der durchschnittliche gemessene Feuchtigkeitsgehalt des nanobehandelten E7018, der 0,19 Gew.-% betrug, ist viel niedriger als der maximal zulässige Feuchtigkeitsgehalt der feuchtigkeitsbeständigen E7018M-Elektroden, der gemäß AWS A5.1 0,4 Gew.-% beträgt. Die Ergebnisse der Feuchtigkeitsmessung vor und nach der Exposition zeigen, dass die Feuchtigkeitsaufnahme der nanobehandelten E7018-Elektroden während der Exposition 0,03 Gew.-% betrug. Dies bestätigt die Wirksamkeit der Nano-SiO2-Beschichtung bei der Reduzierung der Feuchtigkeitsaufnahme. Dieser Ansatz kann die aktuellen Empfehlungen zum Einbrennen von Elektroden vor dem Schweißen ändern.

Feuchtigkeitsgehalt der E7018-Elektrodenhülle nach der Exposition: herkömmliche versus nanobehandelte, mit Siliziumoxid beschichtete Elektrodenhülle. Außerdem wird der maximal zulässige Feuchtigkeitsgehalt der feuchtigkeitsbeständigen E7018M-Elektrode basierend auf AWS D5.1 angezeigt. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Daten dar.

Um die Gründe für die verbesserte Feuchtigkeitsabsorptionsbeständigkeit der mit Nanosilica beschichteten Elektrodenabdeckung zu untersuchen, wurden die Oberflächeneigenschaften sowohl von unbehandelten als auch von nanobehandelten Elektroden untersucht. Abbildung 2A–B zeigt die FESEM-EDS-Spektren der konventionellen bzw. nanobehandelten Elektrodenoberflächen. Der Ca- und Si-Peak in der herkömmlichen E7018-Elektrode ist auf das Vorhandensein einer hohen Menge an CaCO3, CaF2 und SiO2 in der Grundzusammensetzung der Elektrodenhülle zurückzuführen. Das FESEM-EDS-Spektrum der nanobehandelten Elektrode zeigte jedoch einen Si-Peak mit sehr hoher Intensität, was die Bildung einer dünnen Nanosilica-Schicht auf der Elektrodenabdeckung bestätigt. Abbildung 3 zeigt die Oberflächenmorphologie der herkömmlichen E7018-Elektrode und der mit nanobehandeltem Siliziumdioxid beschichteten E7018-Elektrode. Gemäß Abb. 3A–D sind die Oberflächenhohlräume der nanobehandelten Elektrode kleiner als die der herkömmlichen Elektrode. Gemäß Abb. 3E–F ist das Vorhandensein einer nahezu geschlossen gepackten Anordnung von Partikeln in Nanogröße auf der Oberfläche der nanobehandelten Elektrodenabdeckung offensichtlich. Die Größe von Nanopartikeln liegt im Bereich von 20–40 nm, was der Größe von Nanopartikeln in kolloidaler Nanosilica-Lösung entspricht. Das Vorhandensein von Partikeln in Nanogröße kann die Oberflächenporosität/Hohlräume der Elektrodenabdeckung füllen und somit die Antiabsorptionseigenschaften der nanobehandelten Elektrodenabdeckung verbessern.

EDS-FESEM-Spektren für bedeckte Elektrodenoberflächen in (A) herkömmlicher unbehandelter Elektrodenabdeckung und (B) nanobehandelter, mit Siliziumdioxid beschichteter Elektrodenabdeckung.

Morphologie der Elektrodenoberfläche: (A und C) herkömmliche unbehandelte Elektrode, (B, D–F) nanobehandelte, mit Siliciumdioxid beschichtete Elektrode.

Gemäß der Lucas-Washburn-Theorie28 für die Flüssigkeitsabsorption auf porösen Medien hängt das pro Flächeneinheit absorbierte Gesamtflüssigkeitsvolumen von der Anzahl und Größe der Poren ab. Daher erhöht die Vergrößerung und Anzahl der Poren die Flüssigkeitsaufnahme. Daher geht man davon aus, dass das Aufbringen der Nanosilica-Beschichtung auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung, die die Größe der Poren/Hohlräume verringert, die Wasseraufnahme durch die Poren verlangsamen kann. Allerdings kann dieser Mechanismus nicht wesentlich zur beobachteten Verringerung der Feuchtigkeitsaufnahme beitragen. Tatsächlich ist die wichtigste Rolle der Nanosilica-Beschichtung ihr Einfluss auf das Benetzungsverhalten der Oberfläche.

Im Allgemeinen kann eine Verringerung der Oberflächenbenetzbarkeit die Wasseraufnahme behindern29. Daher besteht ein wirksamer Ansatz zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme darin, eine hydrophobe Oberfläche zu erzeugen. In dieser Studie haben wir das Benetzungsverhalten sowohl konventioneller als auch nanobehandelter Elektroden verglichen.

Abbildung 4 vergleicht die Wassertropfenprofile auf der Oberfläche der herkömmlichen und nanobehandelten Elektroden und zeigt die hydrophoben Eigenschaften der mit Nanosilica beschichteten E7018-Elektrode. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse mehrerer Kontaktwinkelmessungen. Wie gezeigt, beträgt der durchschnittliche Kontaktwinkel für die unbehandelte herkömmliche Elektrode 61°, was auf ein hydrophiles Verhalten hinweist. Der durchschnittliche Kontaktwinkel der nanobehandelten SiO2-beschichteten Elektrode beträgt jedoch 105°, was auf ein hydrophobes Verhalten hinweist. Die hydrophobe Natur der Oberfläche der nanobehandelten Elektrode kann auf die hydrophobe Natur der SiO2-Nanopartikel zurückgeführt werden. Die Umwandlung des Benetzungsverhaltens der Oberfläche der Elektrodenabdeckung von hydrophil zu hydrophob mithilfe eines dünnen Films aus SiO2-Nanopartikeln kann auch zur geringeren Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit der nanobehandelten Elektrodenabdeckung beitragen.

Wassertropfenprofil auf der Oberfläche der (A) herkömmlichen unbehandelten Elektrodenabdeckung und (B) der nanobehandelten, mit Siliciumdioxid beschichteten Elektrodenabdeckung.

Linker (L) und rechter (R) Wasserkontaktwinkel auf der Oberfläche der herkömmlichen unbehandelten und nanobehandelten, mit Siliciumdioxid beschichteten Elektrodenabdeckung. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Daten dar.

Es ist zu beachten, dass das Vorhandensein eines dünnen Nanosilica-Films auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung keinen Einfluss auf die Zusammensetzung des Schweißguts hat. Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls, das sowohl mit konventionellen als auch mit nanobehandelten, mit Siliciumdioxid beschichteten E7018-Elektroden hergestellt wurde. Dies zeigt, dass die Nanosiliciumdioxidbeschichtung auf der Elektrodenabdeckung keinen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls hatte. Daher ist zu erwarten, dass die Nanosilica-Beschichtung keine nachteiligen Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts hat. Darüber hinaus zeigte die Querzugprüfung der geschweißten Proben mit nanobehandelten Elektroden, dass die Fehlerstelle der geschweißten Proben im Grundmetall lag und die durchschnittliche Verbindungsfestigkeit 395 MPa betrug, was der Zugfestigkeit des ST37-Grundmetalls entspricht. Dies beweist, dass das Vorhandensein einer Nanosilica-Beschichtung auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung keinen nachteiligen Einfluss auf die Verbindungseigenschaften hat.

Um die Wirkung der Nanosilica-Beschichtung auf die Schweißleistung weiter zu untersuchen, haben wir die Zugeigenschaften des Schweißguts untersucht. Tabelle 3 zeigt die Zugeigenschaften des Schweißguts, das sowohl mit herkömmlichen unbehandelten als auch mit nanobehandelten E7018-Elektroden hergestellt wurde. Gemäß Tabelle 3 sind die Zugeigenschaften des herkömmlichen E7018 und des nanobehandelten E7018 hinsichtlich Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung gleich und erfüllen die Mindestanforderungen des Zugtests für E7018 und E7018M.

Die Kosteneffizienz des Nanosilica-Beschichtungsansatzes zur Verbesserung der Feuchtigkeitsabsorptionsbeständigkeit hängt von den Kosten der Beschichtungsmaterialien, des Beschichtungsprozesses und den potenziellen Einsparungen durch reduziertes Vorheizen und Backen vor dem Schweißen ab. Die Beschichtungsmaterialien sind kostengünstig, da sie reichlich Siliziumdioxidpartikel in Nanogröße verwenden. Das Tauchbeschichtungsverfahren ist einfach, unkompliziert und kostengünstig. Im Gegensatz zu den Ansätzen, die auf der Modifizierung des Flussmittel-/Bindemittelsystems basieren und im Allgemeinen einen langen Trocknungsprozess bei hoher Temperatur erfordern, erfordert die Nanosiliciumdioxid-Beschichtung der herkömmlichen SMAW-Elektrodenabdeckung kurz einen kurzen Trocknungsprozess bei niedriger Temperatur nach der Beschichtung, um dies zu ermöglichen Silica-Partikel an der Elektrodenabdeckung haften. Die Reduzierung des Vorwärm- und Backbedarfs kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen, insbesondere bei großen Schweißvorgängen. Daher ist der Nanosilica-Beschichtungsansatz eine kostengünstige Lösung, die die Gesamtkosten senken und die Produktivität verbessern kann.

Die Kontrolle der Feuchtigkeitsaufnahme in der Grundelektrodenumhüllung ist entscheidend für die Herstellung hochwertiger, porositätsfreier Schweißnähte mit verbesserter Beständigkeit gegen Wasserstoffrissbildung. In dieser Arbeit wurde ein kostengünstiger und unkomplizierter, auf Nanotechnologie basierender Ansatz verwendet, um die Feuchtigkeitsbeständigkeit der E7018-Elektrodenabdeckung zu verbessern. Durch das Aufbringen eines dünnen Films einer Nanosilica-Beschichtung auf die Oberfläche der Elektrodenabdeckung wurde die Feuchtigkeitsaufnahme der Elektrode im Vergleich zu der der herkömmlichen E7018-Elektrode deutlich reduziert. Während die Nanosilica-Beschichtung den Volumenanteil vorhandener Poren auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung verringern kann, ist die Umwandlung der Oberfläche der Elektrodenabdeckung von hydrophiler in hydrophobe Beschaffenheit der kritischste Faktor, der zu den feuchtigkeitsbeständigen Eigenschaften der Elektrode beiträgt -Abdeckung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verwendung einer Nanosilica-Beschichtung auf der Oberfläche der Elektrodenabdeckung keine schädlichen Auswirkungen auf die chemische Analyse und die Zugeigenschaften des Schweißguts hatte. Diese Arbeit unterstreicht das Potenzial nanotechnologiebasierter Behandlungen zur Verbesserung der Leistung von Schweißzusätzen. Die Verwendung einer Nanosilica-Beschichtung auf Schweißelektroden könnte möglicherweise die Notwendigkeit des Backens vor dem Schweißen reduzieren, was Zeit und Energie sparen und gleichzeitig die Einfachheit und Bequemlichkeit von Schweißvorgängen verbessern kann. Diese Erkenntnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die Fertigungs- und Bauindustrie haben, wo hochwertige und zuverlässige Schweißnähte von entscheidender Bedeutung sind.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Phillips, DH Schweißtechnik: Eine Einführung (Wiley, 2023).

Google Scholar

Messler, RW Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy, Hoboken (Wiley, 1999).

Buchen Sie Google Scholar

Żuk, M., Górka J., Dojka R., Czupryński A., Reparaturschweißen von mit Gusseisen beschichteten Elektroden, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Bd. 227, 012139 (2017).

Tomków, J., Landowski, M., Fydrych, D. & Rogalski, G. Unterwasser-Nassschweißen von ultrahochfestem Stahl S1300. Mar. Struktur. 81, 103120 (2022).

Artikel Google Scholar

Abson, DJ & Pargeter, RJ Einflussfaktoren auf die Festigkeit, Mikrostruktur und Zähigkeit manueller Metalllichtbogenschweißungen, die für C-Mn-Stahlherstellungen geeignet sind. Int. Getroffen. Rev. 31, 141–196 (1986).

Artikel CAS Google Scholar

Tomkow, J., Fydrych, D., Rogalski, G. & Łabanowski, J. Einfluss der Schweißumgebung und der Lagerzeit von Elektroden auf den diffundierbaren Wasserstoffgehalt im abgeschiedenen Metall. Rev. Metal. 55, e140 (2019).

CAS Google Scholar

Lippold, JC Welding Metallurgy and Weldability (Wiley, 2014).

Google Scholar

Kou, S. Welding Metallurgy 2. Aufl. (Wiley, 2003).

Google Scholar

Sun, B. et al. Chemische Heterogenität erhöht die Wasserstoffbeständigkeit in hochfesten Stählen. Nat. Mater. 20, 1629–1634 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bhadeshia, HKDH Verhinderung der Wasserstoffversprödung in Stählen. ISIJ Int. 56, 24–36 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Yurioka, N. & Suzuki, H. Wasserstoffunterstützte Rissbildung in C-Mn- und niedriglegierten Stahlschweißkonstruktionen. Int. Mater. Rev. 35, 217–249 (1990).

Artikel CAS Google Scholar

Kiefer, JH Auswirkungen von Feuchtigkeitskontamination und Schweißparametern auf diffundierbaren Wasserstoff. Weld J. 75, 155s–161s (1996).

Google Scholar

Lincolnelectric. Schweißzusätze: Verpackung, https://www.lincolnelectric.com, zuletzt besucht am 20. März 2023.

Lincolnelectric. Elektroden lagern und erneut trocknen, https://www.lincolnelectric.com, zuletzt besucht am 20. März 2023.

Amerikanische Schweißgesellschaft (AWS). AWS A5.1/A5.1M:2015, Spezifikation für Kohlenstoffstahlelektroden für das Metalllichtbogenschweißen mit Schutzgas.

Dhanuka MP Liffeing of Welding: Low Hydrogen Electrodes-Feuchtigkeitsbeständige E7018 H4R und E7018–1 H4R, www.weldfabtechtimes.com/, zuletzt besucht am 20. März 2023.

Mahajan, S. & Chhibber, R. Design und Entwicklung von Elektrodenbeschichtungen für das abgeschirmte Metalllichtbogenschweißen (SMAW) unter Verwendung eines CaO-CaF2-SiO2- und CaO-SiO2-Al2O3-Flussmittelsystems. JOM 71, 2435–2444 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kumar, A. & Chhibber, R. Untersuchung des Benetzungsverhaltens formulierter Flussmittel für die SMAW-Elektrodenbeschichtung mit Regression und ANN-Modell. Metall. Mater. Trans. B. 54, 287–302 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Barringer EA, Eagar TW Nicht-hygroskopische Schweißflussmittelbinder (US-Patent, US4662952A, 1987).

Crockett DD Flux Binder System (US-Patent, US6939413B2, 2005).

Dallam CB, Karogal N. Kolloidales Siliciumdioxid-Bindemittelsystem (US-Patent, US7147725B2, 2006).

Fattahi, M. et al. Reduzierung des diffundierbaren Wasserstoffgehalts im Schweißgut durch Zugabe von kolloidalem Nanosilica zur Elektrodenbeschichtung. Int. J. Hydrog. Energie 41, 13294–13298 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Vaz, CT, Bracarense, AQ, Felizardo, I. & Pessoa, EC P, Undurchlässige, mit niedrigem Wasserstoffgehalt bedeckte Elektroden: Schweißmetallschlacke und Rauchbewertung. J. Mater. Res. Technol. 1, 64–70 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Tomków, J., Fydrych, D. & Wilk, K. Einfluss der wasserdichten Elektrodenbeschichtung auf die Qualität von Unterwasser-Nassschweißverbindungen. Materialien 13, 2947 (2020).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tayel, SA, Abu El-Maaty, AE, Mostafa, EM & Elsaadawi, YF Verbessern Sie die Leistung von Photovoltaik-Solarmodulen durch eine selbstreinigende und hydrophobe Nanobeschichtung. Wissenschaft. Rep. 12, 21236 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Metin, CO, Lake, LW, Miranda, CR & Nguyen, QP Stabilität wässriger Silica-Nanopartikeldispersionen. J. Nanopart Res. 13, 839–850 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Amerikanische Schweißgesellschaft (AWS). AWS B4.0/B4.0M:2000, Standardmethoden für die mechanische Prüfung von Schweißnähten.

Cai, J. et al. Auf der Lucas-Washburn-Gleichung basierende Modellierung der kapillargetriebenen Strömung in porösen Systemen. Langmuir 37, 1623–1636 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Modaressi, H. & Garnier, G. Mechanismus der Benetzung und Absorption von Wassertröpfchen auf geleimtem Papier: Auswirkungen chemischer und physikalischer Heterogenität. Langmuir 18, 642–649 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Abteilung für Material- und Textiltechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Razi-Universität, Kermanshah, Iran

Mohammadreza Pasandeh

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Sharif University of Technology, Teheran, 11365-9466, Iran

Majid Pouranvari

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MR hatte die Idee und führte die Experimente durch. MP charakterisierte die Proben, überwachte die Arbeit und verfasste das Manuskript unter Einbeziehung aller Autoren.

Korrespondenz mit Majid Pouranvari.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Pasandeh, M., Pouranvari, M. Die Nanosilica-Behandlung ermöglicht feuchtigkeitsbeständige, hydrophobe Lichtbogenschweißelektroden. Sci Rep 13, 9892 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37164-3

Zitat herunterladen

Eingegangen: 13. April 2023

Angenommen: 16. Juni 2023

Veröffentlicht: 19. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37164-3

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.