李 勇

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部檢化驗(yàn)中心，上海 200941)

引 言

近年來，中國焊接技術(shù)不斷進(jìn)步，激光、氣體等焊接新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對焊接材料要求越來越高。焊絲鋼已成為寶山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“寶鋼”)的又一“雙高”新品，寶鋼不僅成為國內(nèi)多家焊絲生產(chǎn)企業(yè)的戰(zhàn)略供應(yīng)商，而且在同類產(chǎn)品市場中已占半壁江山。焊絲鋼試樣直徑在Φ5～6 mm左右，通常取樣鉆取屑樣后，采用化學(xué)濕法分析其化學(xué)成分[1]，此方法分析速度慢、周期長，更不適用于大批量樣品分析。本文使用島津PDA5500火花發(fā)射光譜儀以及配套的小樣品夾具，嚴(yán)格規(guī)范制樣工序，優(yōu)化儀器分析條件，并采用類型標(biāo)準(zhǔn)化消除線材樣品與繪制工作曲線塊狀樣品因形狀不同而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。通過與化學(xué)分析方法的比對，分析結(jié)果一致性較好，基本達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336-2002 (《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》)重復(fù)性精度要求，滿足了對焊絲鋼線材試樣快速準(zhǔn)確分析的需要[2]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及工作參數(shù)

日本島津公司PDA5500型火花源原子發(fā)射光譜儀主要工作參數(shù)如下：帕型龍格型光柵，半徑0.6 m；波長范圍120.0～589.0 nm；色散率0.69 nm/mm；分光室恒溫控制(40.0±0.1)℃；氬氣純度大于99.999%，工作壓力0.25 MPa；分析流量10 L/min，待機(jī)流量0.5 L/min；頂角30°，鎢電極φ2 mm，分析間隙與輔助間隙為4 mm；激發(fā)態(tài)試樣板孔徑為φ12 mm。

1.2 樣品制備

由于光譜儀激發(fā)臺的孔徑為Φ12 mm，因此對于直徑小于Φ12 mmm的線材試樣，通常采用以下三種制樣方法進(jìn)行光譜分析(如圖1所示)：(a)鑲嵌法；(b)壓扁法；(c)小樣品夾具法；其中，鑲嵌法操作繁瑣、分析成本較高，不利于大批量樣品的分析，壓扁法最為快速有效，但由于焊絲鋼線材試樣的直徑通常為Φ5～6 mm，一般無法壓至分析所需尺寸(寬度大于12 mm)，因此只能采用小樣品夾具法進(jìn)行分析。

焊絲鋼線材試樣取自線材盤條上，長度約8～9 cm，并經(jīng)過矯直以便于試樣的加工分析。由于試樣截面較小，分析時(shí)截面周邊也將被激發(fā)到，因此必須對截面周邊進(jìn)行研磨以去除表面氧化層，確保分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；同時(shí)由于截面較小，研磨試樣時(shí)不容易把握角度，通常會使研磨后的試樣表面傾斜，影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性。為保證樣品的加工質(zhì)量，研磨時(shí)采用專用工具以確保研磨表面不傾斜(如圖2所示)。

此外，在進(jìn)行光譜分析時(shí)，試樣與電極的定位必須準(zhǔn)確：①試樣研磨面與激發(fā)臺面平行貼切；②試樣研磨面與電極對中良好。為此，采用V型定位器使其兩邊與專用夾具相切，確保試樣與電極對中準(zhǔn)確(如圖3所示)。

1.3 儀器參數(shù)設(shè)定

1.3.1 分析譜線選擇

分析譜線的選擇如表1所示。

圖2 試樣研磨

圖3 試樣定位

表1不同元素分析譜線選擇

項(xiàng)目CSiMnPSNbMoBTiTAl波長/nm165.8212.4293.3178.3180.7319.5202.0182.6337.2396.1時(shí)序1221112111

1.3.2 分析條件設(shè)定

為獲得合適的分析條件，分別對時(shí)序1、時(shí)序2中的充氬時(shí)間、預(yù)燃時(shí)間、積分時(shí)間按正交試驗(yàn)法進(jìn)行組合，開展一系列試驗(yàn)[3]：

(1) 對于時(shí)序?yàn)?的元素，選取L9(33)正交表，按三因素、三水平安排試驗(yàn)，如表2所示。每一試驗(yàn)條件下，對同一樣品測5次，然后對各元素強(qiáng)度值的SD進(jìn)行求和，作為試驗(yàn)的結(jié)果，如表3所示。

表2 時(shí)序1試驗(yàn)因子水平設(shè)定

表3 時(shí)序1元素正交試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表)

圖4 時(shí)序1元素正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 時(shí)序1參數(shù)設(shè)定

因此將時(shí)序1的條件設(shè)為如表4所示。(2) 在時(shí)序1的基礎(chǔ)上，對時(shí)序?yàn)?的元素進(jìn)一步優(yōu)化。選取L9(33)正交表，按二因素、三水平安排試驗(yàn)，如表5所示。每一試驗(yàn)條件下，對同一樣品測5次，然后對各元素強(qiáng)度值的SD進(jìn)行求和，作為試驗(yàn)的結(jié)果，如表6所示。

表5 時(shí)序2試驗(yàn)因子水平設(shè)定

表6 時(shí)序2元素正交試驗(yàn)結(jié)果

如表6，圖5所示，E因子的極差RE最大，表明該因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響是最主要的。其次，是D因子。因而，因子的主次關(guān)系是：E(積分時(shí)間)→D(預(yù)燃時(shí)間)。E因子取水平③，D因子取水平③較好，因此得到一個(gè)較優(yōu)水平組合E3D3，即適當(dāng)延長積分時(shí)間可提高分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

(3)因此，通過兩次優(yōu)化將儀器的最終分析條件確定為如表7所示。

表7 儀器參數(shù)設(shè)定

2 結(jié)果與討論

火花發(fā)射光譜分析通常采用持久曲線法和類型控樣法。持久曲線法指預(yù)先采用大量標(biāo)樣制作工作曲線，被測試樣的含量在此工作曲線測量范圍內(nèi)且與標(biāo)樣狀態(tài)基本一致，便可進(jìn)行測量。由于線材試樣的狀態(tài)與光譜標(biāo)樣的相差較遠(yuǎn)，故選取與分析試樣的冶煉過程和物理狀態(tài)基本一致、成分相近樣品，對儀器進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化，然后對被測樣品進(jìn)行檢測[5]。本文所使用的類型控樣由本單位選取采用相同規(guī)格的焊絲鋼進(jìn)行化學(xué)定值研制而成，控樣成分中C，S元素采用紅外碳硫儀分析，其余元素采用濕法化學(xué)分析[6]。類型標(biāo)準(zhǔn)化采用平移和旋轉(zhuǎn)兩種方式對原有工作曲線進(jìn)行校正，公式如下[7]：

如果C0≥Ct，則采用平移校正公式

C=C0+AC

如果C0

C=C0×MC

式中C為修正后的成分值，C0為修正前的成分值，Ct為目標(biāo)值(控制樣品化學(xué)定值)，AC為加值系數(shù)，MC為乘積系數(shù)。

本試驗(yàn)用類型標(biāo)準(zhǔn)化法分析了直徑Φ5.5 mm，牌號為H80GX-III新式焊絲鋼盤條試樣，其類型標(biāo)準(zhǔn)化校正后的分析數(shù)據(jù)如表8所示，相對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表9所示。

如按3σ控制原則，確保99.73%數(shù)據(jù)可靠，與GB/T 4336-2002標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性指標(biāo)比較，該方法B、Ti、TAl三元素重復(fù)性未能達(dá)到國標(biāo)要求，但與H80GX-III焊絲鋼產(chǎn)品規(guī)格限比較(如表10所示)，均小于產(chǎn)品公差的1/5，能滿足生產(chǎn)需要。

表8 H80GX-III焊絲鋼分析數(shù)據(jù)/%

表9 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析/%

表10H80GX-III焊絲鋼產(chǎn)品規(guī)格限/%

CSiMnPSTAlNbTiMoB上限0.080.451.950.020.0150.0200.080.0300.600.008下限0.020.251.750000.020.0150.300.002產(chǎn)品公差0.060.200.200.020.0150.0200.060.0150.300.006

3 結(jié)束語

(1)由此方法的準(zhǔn)確性及重復(fù)性結(jié)果來看，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能滿足產(chǎn)品檢驗(yàn)的需要。

(2)相對于傳統(tǒng)濕法化學(xué)分析，該方法分析速度快、勞動強(qiáng)度低、成本低、效率高。

(3)分析結(jié)果的準(zhǔn)確度與試樣狀態(tài)密切相關(guān)，在分析時(shí)應(yīng)盡量避免試樣表面存在縮孔、裂紋等現(xiàn)象。

(4)試樣制備及試樣定位好壞將直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，試樣表面及側(cè)面打磨不干凈，試樣定位偏離或激發(fā)間距的變動都將對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

(5)適當(dāng)延長充氬時(shí)間與積分時(shí)間，有利于提高分析精度。