火花發射光譜分析焊絲鋼線材試樣

李 勇

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部檢化驗中心，上海 200941)

引 言

近年來，中國焊接技術不斷進步，激光、氣體等焊接新工藝、新技術不斷涌現，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，寶鋼不僅成為國內多家焊絲生產企業的戰略供應商，而且在同類產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，采用化學濕法分析其化學成分[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火花發射光譜儀以及配套的小樣品夾具，嚴格規范制樣工序，優化儀器分析條件，并采用類型標準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生的系統誤差，提高分析結果的準確度。通過與化學分析方法的比對，分析結果一致性較好，基本達到了國家標準GB/T 4336-2002 (《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》)重復性精度要求，滿足了對焊絲鋼線材試樣快速準確分析的需要[2]。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及工作參數

日本島津公司PDA5500型火花源原子發射光譜儀主要工作參數如下：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；激發態試樣板孔徑為φ12 mm。

1.2 樣品制備

由于光譜儀激發臺的孔徑為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，并經過矯直以便于試樣的加工分析。由于試樣截面較小，分析時截面周邊也將被激發到，因此必須對截面周邊進行研磨以去除表面氧化層，確保分析數據的準確性；同時由于截面較小，研磨試樣時不容易把握角度，通常會使研磨后的試樣表面傾斜，影響分析結果準確性。為保證樣品的加工質量，研磨時采用專用工具以確保研磨表面不傾斜(如圖2所示)。

此外，在進行光譜分析時，試樣與電極的定位必須準確：①試樣研磨面與激發臺面平行貼切；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確(如圖3所示)。

1.3 儀器參數設定

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

項目CSiMnPSNbMoBTiTAl波長/nm165.8212.4293.3178.3180.7319.5202.0182.6337.2396.1時序1221112111

1.3.2 分析條件設定

為獲得合適的分析條件，分別對時序1、時序2中的充氬時間、預燃時間、積分時間按正交試驗法進行組合，開展一系列試驗[3]：

(1) 對于時序為1的元素，選取L9(33)正交表，按三因素、三水平安排試驗，如表2所示。每一試驗條件下，對同一樣品測5次，然后對各元素強度值的SD進行求和，作為試驗的結果，如表3所示。

表2 時序1試驗因子水平設定

表3 時序1元素正交試驗結果

(續表)

圖4 時序1元素正交試驗結果

表4 時序1參數設定

因此將時序1的條件設為如表4所示。(2) 在時序1的基礎上，對時序為2的元素進一步優化。選取L9(33)正交表，按二因素、三水平安排試驗，如表5所示。每一試驗條件下，對同一樣品測5次，然后對各元素強度值的SD進行求和，作為試驗的結果，如表6所示。

表5 時序2試驗因子水平設定

表6 時序2元素正交試驗結果

如表6，圖5所示，E因子的極差RE最大，表明該因子對試驗結果的影響是最主要的。其次，是D因子。因而，因子的主次關系是：E(積分時間)→D(預燃時間)。E因子取水平③，D因子取水平③較好，因此得到一個較優水平組合E3D3，即適當延長積分時間可提高分析數據的穩定性。

(3)因此，通過兩次優化將儀器的最終分析條件確定為如表7所示。

表7 儀器參數設定

2 結果與討論

火花發射光譜分析通常采用持久曲線法和類型控樣法。持久曲線法指預先采用大量標樣制作工作曲線，被測試樣的含量在此工作曲線測量范圍內且與標樣狀態基本一致，便可進行測量。由于線材試樣的狀態與光譜標樣的相差較遠，故選取與分析試樣的冶煉過程和物理狀態基本一致、成分相近樣品，對儀器進行類型標準化，然后對被測樣品進行檢測[5]。本文所使用的類型控樣由本單位選取采用相同規格的焊絲鋼進行化學定值研制而成，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分析[6]。類型標準化采用平移和旋轉兩種方式對原有工作曲線進行校正，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為目標值(控制樣品化學定值)，AC為加值系數，MC為乘積系數。

本試驗用類型標準化法分析了直徑Φ5.5 mm，牌號為H80GX-III新式焊絲鋼盤條試樣，其類型標準化校正后的分析數據如表8所示，相對應的統計結果如表9所示。

如按3σ控制原則，確保99.73%數據可靠，與GB/T 4336-2002標準的重復性指標比較，該方法B、Ti、TAl三元素重復性未能達到國標要求，但與H80GX-III焊絲鋼產品規格限比較(如表10所示)，均小于產品公差的1/5，能滿足生產需要。

表8 H80GX-III焊絲鋼分析數據/%

表9 統計結果分析/%

表10H80GX-III焊絲鋼產品規格限/%

CSiMnPSTAlNbTiMoB上限0.080.451.950.020.0150.0200.080.0300.600.008下限0.020.251.750000.020.0150.300.002產品公差0.060.200.200.020.0150.0200.060.0150.300.006

3 結束語

(1)由此方法的準確性及重復性結果來看，分析結果準確可靠，能滿足產品檢驗的需要。

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

(3)分析結果的準確度與試樣狀態密切相關，在分析時應盡量避免試樣表面存在縮孔、裂紋等現象。

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

(5)適當延長充氬時間與積分時間，有利于提高分析精度。