手工自蔓延立焊焊條研制過程中的問題探討

劉浩東，張 龍，王建江，吳永勝，王曉靜

(1.軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2.中國石化齊魯分公司勝利煉油廠 氣體分離車間，山東 淄博 255434)

焊接材料

手工自蔓延立焊焊條研制過程中的問題探討

劉浩東1，張 龍1，王建江1，吳永勝1，王曉靜2

(1.軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2.中國石化齊魯分公司勝利煉油廠 氣體分離車間，山東 淄博 255434)

介紹了鐵基燃燒型焊條的特點及其研究現狀，針對將普通鐵基燃燒型自蔓延焊條應用于立焊時焊接效果不佳的事實，在普通鐵基燃燒型焊條的基礎上，借鑒其他焊接技術的立焊工藝原理(包括短渣、造氣、活化焊、小熱量短弧焊接等)，研制可應用于立焊應急焊接的燃燒型焊條，以達到利用該焊條施行簡便、快捷、單兵通用的立焊搶修目的。通過大量實驗認為，基于自蔓延焊條在焊接原理上的特殊性，導致在將傳統的立焊工藝原理移植應用于該類型焊條時達不到預期的效果，著重從原理角度闡述了出現上述現象的原因，并指出了進一步研究攻關的方向。

手工自蔓延焊接；焊條；立焊

0 前言

手工自蔓延焊接(MSHSW)是一種新的自蔓延熔焊方法，具有無需外界能源和設備、攜帶使用方便、操作簡單、可單兵使用和快速通用等顯著優點，是野外施工、應急修復安裝的理想焊接手段，有著廣闊的應用前景。該方法使用的焊接材料為燃燒型焊條，是實現手工自蔓延焊接的關鍵[1]。目前手工自蔓延焊接技術可以對低碳鋼、中碳鋼、合金鋼、不銹鋼、銅合金等金屬進行焊接，焊縫與母材為冶金結合，焊接接頭具有良好的綜合力學性能，抗拉強度達400 MPa[2]。

但因該焊接工藝的特殊性，導致其立焊作業對操作人員技術和焊接工藝及設備的要求較高，成為制約該技術在野戰應急搶修方面進一步推廣和應用的瓶頸問題。

目前國內外關于手工自蔓延焊接(尤其是立焊)方面的研究很少。因此針對常用的Q235低碳鋼(厚度為3 mm)為焊接材料，以普通燃燒型焊條為基礎，探索分析了在研制應用于立焊作業的燃燒型焊條過程中所出現的問題，并從理論角度分析了出現問題的原因，為手工自蔓延焊接技術的廣泛應用奠定理論和實驗基礎。

1 研制過程中出現的問題及原因

1.1 短渣對立焊效果的影響及原因

各種熔渣在冷卻過程中其粘度發生不同程度的變化，這些變化對冶金及焊接工藝性能影響較大[3]，渣系類型是影響焊條工藝性能的決定性因素。為了保證熔渣和鐵水在立焊時不下淌，立焊焊條的渣系應為典型的短渣，即在焊弧區內熔渣粘度小、流動性好，有利于焊接冶金反應的充分進行，熔池中的氣體和夾渣能及時浮出，而當焊弧移開后，熔渣粘度迅速增大并快速凝固，以避免熔渣和鐵水下淌，從而獲得成形良好的焊縫。通過查閱相關文獻及理論分析可知普通燃燒型焊條形成堿性渣系Al2O3-SiO2-CaO，在該堿性渣系中加入TiO2和CaCO3均可形成典型的短渣，又由于SiO2為典型的長渣物質，因此通過在焊條配方中添加適量TiO2和CaCO3，同時適當減少FeSi來進行試驗。

試驗過程中觀察到，當TiO2和CaCO3加入量較少時，渣系沒有明顯變化，熔渣對熔融焊料的阻擋作用也沒有明顯的改善；隨著兩種物質添加量的增加，出現熔融金屬呈球狀下淌的現象，同時焊后觀察發現，部分熔渣在母材焊道表面均勻鋪展，熔渣阻止焊料下淌的作用仍不明顯。

之所以出現上述現象主要有兩方面的原因：

(1)自蔓延焊接的工藝原理特殊性所致，自蔓延焊接是以自身燃燒合成反應為熱源，依靠反應放出的大量熱量使受焊母材局部受熱熔化，凝固熔合后形成牢固不可拆接頭，生成的金屬產物填充于焊接母材之間形成焊縫，形成的非金屬產物浮于焊縫表面形成焊渣[4]。因此為了保證母材的熔合就必須保證焊條燃燒生成足夠的熱量，但焊條燃燒產生熱量的多少除了受配方因素(高熱劑的比例)的影響外，最關鍵的因素是焊藥的裝填量，因此自蔓延燃燒型焊條一般都有一個最小直徑的下限，焊條直徑低于該下限將不能使母材熔化。對于前述規格的鋼板經過試驗可知，焊條的最小焊接直徑為8 mm，由于焊條的焊弧為自蔓延反應所形成，因此該焊弧的集中度較差，焊弧加熱區域較大，隨著焊弧的移動，熔渣不能及時凝結擋住熔融焊料，而熔融焊料在重力作用下不斷下淌，使渣和金屬不能有效分離，并在熔渣尚未凝固時即被焊料壓于底部，從而顯現不出短渣對熔融焊料下淌的阻擋作用，同時也形成了嚴重的金屬夾渣。

(2)熔渣的粘度和表面張力是立焊焊條最重要的工藝參數，通常為了使熔渣能有效地托住鐵水，防止鐵水和熔渣下流，立焊焊條熔渣的粘度和表面張力比普通焊條的熔渣要大[5]。而加入的TiO2不但是一種典型的短渣形成物質，還能有效的降低熔渣表面張力，增加熔渣潤濕性同時稀釋熔渣。該物質的加入可較大幅度地降低熔渣的表面張力，使熔渣的擴展功增大，改善熔渣覆蓋的均勻性和焊縫成形[6]。因此在TiO2加入量較小時其短渣效果不明顯，隨著TiO2加入量的增加所具有的降低熔渣表面張力和稀渣作用逐漸顯現，最終出現了熔渣均勻鋪在母材表面，熔融金屬呈球狀下淌的現象。

1.2 造氣劑對立焊效果的影響及原因分析

造氣劑的主要作用是使焊弧產生較大的吹力，較大的焊弧吹力主要有四個功能：(1)在立焊時能有效地托住熔滴和鐵水，防止其下淌或下流；(2)打底焊時保證焊透，反面形成焊縫；(3)下行焊條熔渣粘度較大，較大的焊弧吹力加強了熔池的攪拌作用，有利于氣體的逸出，防止氣孔產生；(4)造氣劑分解產生的CO2氣體具有較大的熱導系數，起到快速冷卻焊縫的作用，同時起到了保護焊縫和防止熔融焊料下淌的作用。

立焊焊條中常用的造氣劑主要有大理石(CaCO3)和纖維素(有機物)兩種，經綜合考量決定以大理石為造氣劑，主要是基于兩個因素：(1)利用纖維素作為造氣劑，容易使焊縫增氫而導致氣孔、白點以及機械性能不穩，大直徑焊條對此更為敏感[7]，同時焊接煙塵大而使勞動條件差，并且傳統的纖維素型立焊焊條不適用于平焊[8]，因而也不利于自蔓延焊條全位置焊接的后續研究開發；(2)采用大理石作為低氫堿性焊條的主要造氣劑，其分解產物為CaO和CO2[9]，而CaO的熔點較高，因此通過在焊條配方中通過加大w(CaCO3)，可促進熔渣凝固溫度及增大粘度，同時由于CaO是由強正離子Ca2+與氧負離子O2-結合而成的，且其鍵合能力很大，這將導致凝固溫度上升[10]，從而有助于形成短渣。

在試驗過程中，首先在原配方的基礎上逐步添加CaCO3，試驗發現，當CaCO3的加入量較少時隨著CaCO3量的增加，能觀察到較小的吹力，焊條燃燒速度明顯減慢，焊弧顏色變紅，超過一定的范圍后隨著CaCO3加入量的增加焊弧吹力反而減小，甚至出現吹力小于普通燃燒型焊條的現象，同時觀察到母材未熔合現象；隨后在熱力學理論計算的基礎上增加高熱劑的量，減少稀釋劑的量，同時繼續增加CaCO3的加入量，觀察到在一定范圍內隨著CaCO3量的增加，吹力有了明顯的增加，且焊弧顏色變淡偏藍，當加到一定量時吹力維持一定值(最大值)，繼續加入則發現燃燒速度明顯減慢，且吹力迅速減小，焊弧顏色也由淡變紅。試驗后發現，試驗過程中的焊條吹力最大時對熔融焊料所起的托力作用也較小，同時焊縫夾渣嚴重，在焊縫金屬下部與母材表面之間鋪展有一層熔渣。并且應用CaCO3加入量較多的焊條進行立焊時極易出現焊偏的現象。

出現上述實驗現象的主要原因也是自蔓延焊條焊接原理的特殊性所致。CaCO3在高溫下受熱分解產生CO2氣體為典型的吸熱反應，經熱力學計算可得，在忽略產生的CO2氣體二次分解熱效應的前提下，每克CaCO3分解所吸收的熱量為8.61 kJ，因此在原配方的基礎上加入CaCO3后焊條的總熱量明顯減少，而使焊條燃燒速度明顯減慢，當加入量較小時，熱量使加入的CaCO3分解產生氣體，因而可觀察到一定的吹力，但加入量較小產生的氣體也較少，同時焊條總產熱量的減少使燃燒絕熱溫度降低，因而焊弧顏色變紅，在此基礎上繼續添加CaCO3時，總熱量繼續減小，使CaCO3的分解減緩，同時焊條燃燒速度也進一步減慢，因而出現焊弧吹力反而小于普通燃燒型焊條的現象；在添加高熱劑和減少稀釋劑后繼續添加CaCO3時，開始階段吹力較先前明顯增強，焊弧顏色變淡偏藍，原因同上，即焊條產熱量增大，CaCO3分解產氣量增加，分解反應較劇烈。繼續增加CaCO3的量，吹力繼續增加至維持一個穩定值，此時熱量恰好滿足CaCO3的分解，繼續加入CaCO3則重復初期試驗的現象。試驗中發現若繼續在添加高熱劑和減少稀釋劑的情況下增加CaCO3的量，焊接狀況將變的極差，因此CaCO3的加入量有一個最大值，但CaCO3添加量最大值時所產生的氣體吹力與其他立焊技術所產生的吹力相比仍很小，并不足以對熔融焊料的下淌產生明顯的托力作用。此外CaCO3除了具有造氣的作用外，還具有短渣和減少熔渣表面張力的作用，因此試驗中加入CaCO3較多時，熔渣的粘度增大較多同時熔渣與母材的潤濕性將得到改善，故出現焊縫夾渣嚴重，在焊縫金屬下部與母材表面之間熔渣均勻鋪展的現象。對易出現焊偏現象的原因進行分析，認為該現象不能簡單的歸結為操作者技術問題，其主要原因有以下五點：(1)焊料與母材的潤濕性較差，在焊料下淌過程中遇到焊條和焊弧(短弧)的阻礙易發生改道，而發生焊偏(流偏)；(2)立焊焊條熱量較小，因而實際形成的熔池也較小，從而焊道較窄，熔融焊料下淌時不容易沿焊道下流填充焊縫；(3)加入造氣劑和短渣劑使焊渣與母材的潤濕性得到改善，在由下向上焊接時，下部焊道上熔渣阻礙焊料流動而發生流偏；(4)下部焊道熔渣鋪展在兩板對接位置而阻礙焊料金屬滲入焊縫接頭，影響焊縫成形；(5)在焊接時由于角度的問題施焊人員不能很好的觀察和掌握焊縫和熔池位置。

1.3 活化劑對立焊效果的影響及原因分析

活性劑焊接是近十幾年來發展起來的增大焊接熔深、改善焊縫成形和焊接質量，提高焊接生產效率的新技術。早期主要集中在A-TIG焊，已在碳鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金的焊接中有了成功的應用[11]。研究結果表明，把某種物質成分的活性劑涂敷在被焊件母材焊接區，正常規范下焊接熔深將大幅度提高[12]。常用的活性劑主要有氧化物、氟化物和氯化物三大類，活性劑對熔深的影響機理主要有兩種學說：一種是活性劑在電弧高溫下蒸發后以原子形態包圍在電弧周邊區域，由于電弧周邊區域溫度較低，活性劑蒸發原子撲捉該區域中的電子形成負離子并散失到周圍空間，使電弧中的電子數呈現減少趨勢，電弧導電性能減弱，最終造成電弧自動產生收縮、熱量集中、電弧力集中，從而使焊接熔深增加[13]；第二種機理是著名的表面張力影響學說，其基本觀點認為，普通焊接金屬熔化狀態下其表面張力具有負的溫度系數，而當熔池金屬中存在某種微量元素或接觸到活性氣氛時，表面張力數值降低并且轉變為正的溫度系數，從而使熔池金屬形成從熔池周邊向著熔池中心區的表面張力流，熔池中心區的電弧熱量通過液態金屬的流動直接傳向熔池底部，對熔池底部的加熱效率提高，從而形成更大的熔深[14]。將活性劑引入本課題來進行立焊方面的影響正是利用了上述活性劑的第二個作用機理，以期能通過涂覆某種活性劑來改善熔池與母材的潤濕，同時可利用較小熱量的焊條實現試件的焊接，從而有利于抑制熔融焊料的下淌。

通過查閱相關文獻，氯化物類活性劑在焊接高溫狀態下會形成對人體有害的易揮發有毒氣體，目前各國均已不再采用該類物質進行研究；氟化物因具有較強的稀渣作用不利于方向性焊接，且在焊接過程中也會產生一定的有毒氣體，不宜應用。因此經綜合考量決定采用氧化物類作為試驗的研究對象，并最終決定以目前國內外研究較多的TiO2和SiO2為研究對象。試驗中將不同活性劑粉末研磨，并用丙酮(或無水酒精)作為分散劑，調成糊狀后均勻涂覆在待焊試件的表面，待所涂活性劑晾干后用選定的焊接工藝參數連同涂刷區和未涂刷區一次施焊。焊后觀察焊縫表面成形情況。橫向切割涂刷區和未涂刷區焊縫，制取試樣，測量熔深和熔寬。

試驗過程中發現，涂覆不同種類不同量的活性劑后對原配方燃燒型焊條的焊接效果影響不明顯。焊接熔深和焊縫成形情況與不用活性劑時相差無幾。因此初步認為活性劑在自蔓延焊接中的活化作用不明顯，究其原因主要是自蔓延焊接的工藝原理特殊性造成的，自蔓延焊接是以自身反應的化學熱為熱源，以自身熔融產生的金屬為填充物，同時生成焊渣等。因而在普通燃燒型焊條配方中，為了滿足焊接效果的需要，均已存在了不同量的各種成分，因此普通燃燒型焊條焊接時的熔深和焊縫成形就相當于添加活性劑后的效果；由于只有當活性劑少量涂敷時才對焊接熔深的增加有顯著效果，當活性劑涂敷量大于0.7 mg／cm2后，焊接熔深的變化基本處于飽和[15]，因此在待焊試件表面再額外涂覆活性物質時達不到預期效果。

1.4 小熱量短弧焊接對立焊效果的影響及原因分析

利用傳統焊條電弧焊進行立焊作業時，要求所用焊接電流應比平焊時小10%～15%，以避免過多的熔化金屬下淌；應采用短弧焊接，以避免電弧過長所造成的熔滴下淌及嚴重飛濺[16]?；诖?，本課題研究通過調整自蔓延焊條高熱劑、稀釋劑和其他具有顯著熱效應的成分的相對量來改變焊條總產熱量，從而研究應用小熱量短弧狀態下的燃燒型焊條進行立焊時的現象。

通過分析可知在燃燒型焊條各組成成分中，對普通燃燒型焊條的總熱量起主要作用的是高熱劑的相對量和稀釋劑的添加量。

高熱劑方面，在普通燃燒型焊條中主要存在以下兩個高熱反應[17]

單純采用CuO+Al系鋁熱劑作為高熱劑，其燃燒熱大、絕熱溫度高，燃燒合成反應生成的焊縫金屬為Cu基合金，焊縫抗拉強度約400 MPa，但進一步提高強度十分困難，而單純選用Fe2O3+Al系作為高熱劑，燃燒產生的熱量不足以實現鋼板的焊接[18]。因此普通燃燒型焊條采用兩種高熱劑以一定比例混合提供熱源。

稀釋劑方面，焊條組成中單純用作稀釋劑的物質主要有CuO和Fe2O3，其余幾種相關成分(如脫氧劑、造渣劑等)除了其主要功能外也兼有稀釋劑的作用。CuO和Fe2O3這兩種稀釋劑主要是通過受熱相變的機理來稀釋熱量的，另外上述兩種物質除用作稀釋劑外，還具有填縫金屬的作用。

試驗中按上述機理調整高熱劑和稀釋劑的比例，使焊條的總產熱量變動范圍為836～1 519 kJ。試驗過程中發現焊條的產熱量對立焊焊接效果有一定的影響，但無規律性的對應關系，且隨著焊條產熱量的減少，焊料下淌的現象雖有所改善但仍較嚴重，甚至當焊條熱量減至母材不能熔融的程度時仍會出現熔融焊料下淌的現象，并出現幾組較小熱量焊條焊穿試板的反常現象。

分析認為，應用傳統手弧焊立焊時采用小電流和短焊弧的主要目的是為了控制熔池不下淌，而自蔓延焊接是以自身反應熱為熱源母材，反應生成熔融物質為填縫金屬，因此在減小焊條熱量時，母材熔化形成的熔池隨著減小，但焊條自身反應生成的熔融焊料量并沒有明顯減少，而自蔓延焊接時液態金屬的下淌主要是焊條反應生成的填縫焊料，因此觀察到熔融焊料的下淌并沒有隨著焊條熱量的減小而明顯改善。至于出現小熱量焊條使焊件異常燒穿的現象，分析原因為在調節焊條熱量變小的過程中使熔融焊料與母材的潤濕性變差，使該幾組焊條立焊時的熔融焊料下淌加劇，導致母材被熔融焊料覆蓋保護的時間變短，而使焊弧直接加熱母材表面的時間變長，最終導致母材表面受熱時間過長(熱量過大)而熔穿。

2 結論

(1)自蔓延燃燒型焊條配方中的各組分在焊接中過程中同時會起幾種作用，且由前期試驗可知，各組分之間還有著復雜的交互作用，因而在原焊條成分基礎上線性添加造氣劑或短渣劑時，將改變原先各組分之間的相互關系，從而對立焊效果的改善達不到預期?；诖?，在后續的研究中應在實驗和理論分析的基礎上，采用均勻設計法或正交設計法，對普通燃燒型焊條的配方進行優化設計。

(2)涂覆活性劑和單純采取減小焊條的產熱量及利用短弧等焊接工藝的改變對提高燃燒型焊條的立焊性能的效果不明顯。

(3)為后續的對適用于立焊的燃燒型焊條的研制做了必要的理論和試驗準備，明確了研究思路，認識到改善燃燒型焊條的立焊性能應從采取改變焊條的物理結構和對焊條的配方組分進行優化設計兩方面著手，利用各方面的綜合因素使所研制的燃燒型焊條的立焊性能得到明顯改善。

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Discussion on vertical welding rod of manual SHS welding during development stage

LIU Hao-dong1，ZHANG Long1，WANG Jian-jiang1，WU Yong-sheng1，WANG Xiao-jing2
(1.The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Gas separating shop of Shengli oil refinery，QiLu Petrochemical Company，SINOPEC，Zibo 255434，China)

The feature and current status of manual SHS welding rod was introduced.In allusion to the fact that the vertical welding effect was extraordinary bad when used with common Fe-base SHS welding rod，the SHS welding rod applicable for the vertical welding was developed by drawing lessons from the other vertical welding technology，including short slag，produce gas，activating flux，short arc as well as little heat，in order to let the use of SHS welding rod easy and convenience when there are vertical welding operation.After a large number of experiment，which suggest that the expected welding effect cannot be achieved when bring the tradition vertical welding principle into the SHS welding because of the special principle of SHS welding.This paper will explain the reason of the phenomenon above from the angle of principle on emphasis，and the farther research orientation was indicated.

manual SHS welding；welding rod；vertical welding

TG422.1

A

1001-2303(2011)12-0077-05

2011-07-05

軍隊科研計劃資助項目

劉浩東(1986—)，男，山東淄博人，碩士，主要從事自蔓延焊接的開發與應用。