脈沖燃燒型焊條立焊接頭中的夾渣及控制方法

吳永勝，王建江，辛文彤，曲立峰，陳雪禮

（1.軍械工程學院先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2.重慶軍事代表局駐167廠軍事代表室，四川 成都 610110；3.中國人民解放軍78666部隊，云南 昆明 652102）

脈沖燃燒型焊條立焊接頭中的夾渣及控制方法

吳永勝1，王建江1，辛文彤1，曲立峰2，陳雪禮3

（1.軍械工程學院先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2.重慶軍事代表局駐167廠軍事代表室，四川 成都 610110；3.中國人民解放軍78666部隊，云南 昆明 652102）

用脈沖燃燒型焊條對Q235鋼進行了手工自蔓延立焊焊接，脈沖燃燒型焊條中三段長度不同的高熱焊藥形成了三個有效熔池。通過觀察接頭焊縫合金金相，并結合SEM分析焊縫合金組織和斷口組織研究了立焊接頭夾渣，提出立焊接頭中夾渣的四個來源途徑及其相應的控制措施。

手工自蔓延焊接；立焊；夾渣

0 前言

手工自蔓延焊接是一種新的自蔓延熔焊方法，該方法以燃燒型焊條為焊接材料，通過焊條自身燃燒合成反應產生的熱量將焊接母材局部加熱熔化，用反應的產物填充焊縫，采用焊條電弧焊的操作方法，實現母材的永久牢固連接，該方法無需外界能源，在野外應急搶修領域有廣闊的應用前景[1-3]。燃燒型焊條分為普通燃燒型焊條和脈沖燃燒型焊條，前者主要用于平焊，后者主要用于立焊。手工自蔓延焊接過程中溫度高、溫差大，偏析現象很突出，金相組織的差別也比較大，造成焊接接頭中出現各種類型的缺陷[4]，同時由于立焊工藝及脈沖燃燒型焊條熱作用方式的特殊性，使脈沖燃燒型焊條立焊時形成的缺陷與普通燃燒型焊條平焊時的缺陷既有相同的部分，也存在一定差異[5-6]。本研究初步分析了脈沖燃燒型焊條立焊時夾雜的成因，并有針對性的提出初步的解決和控制措施，為以后的工程實際應用及理論研究提供有效的借鑒和依據。

1 實驗材料和焊接試樣

圖1中左圖是脈沖燃燒型焊條示意圖，右圖是脈沖燃燒型焊條剖面示意圖。

脈沖燃燒型焊條外徑φ10 mm，長度140 mm。高熱焊藥段由高熱劑、造渣劑、合金劑和脫氧劑組成，低熱造渣段由高熱劑、造渣劑和稀釋劑組成。把焊藥混合均勻后按圖1所示裝入焊條即可得到脈沖燃燒型焊條。

焊接試驗以脈沖燃燒型焊條為焊接材料采用板材對接立焊，焊接時用火柴點燃引火線，引火線段燃燒引燃焊藥，焊藥發生燃燒合成反應形成燃燒弧，采用焊條電弧焊的運條方法，具體工藝參數為：焊接速度3～5mm/s，電極夾角25°～35°，弧長2～3 mm，不預熱。焊接結束焊件完全冷卻后，輕輕敲打即可除去焊縫表面熔渣，焊接接頭完整（見圖2），焊縫表面成波浪型，質量良好無表面裂紋，觀察焊接過程并分析焊縫發現，脈沖燃燒型焊條的三個高熱焊藥段對應形成三個有效熔池并凝固成型。

2 焊接夾雜的來源分析

對立焊接頭焊縫合金進行金相觀察，并結合SEM分析焊縫合金組織和斷口組織發現，應用脈沖燃燒型焊條進行立焊時，存在的夾雜缺陷主要是焊條燃燒產生的非金屬熔渣，即通常所說的夾渣缺陷，其主要來源有四個方面：

第一個來源是由于脈沖燃燒型焊條相鄰兩段焊藥之間進行間斷焊接時，前一焊藥段焊完后留下的熔渣及燃燒維持劑燃燒產生的熔渣鋪在下一焊藥段的部分施焊區域，在進行下段焊藥的焊接時未把該部分熔渣全部熔化排開而留在兩焊接區域的接頭部分造成夾渣，如圖3所示。可以觀察到該部分夾渣主要集中在焊縫上部的熔覆金屬接頭處，而在熔覆金屬下部及熔合區等部位則存在相對較少。

第二個來源是由于焊接操作不良而在熔化金屬內混入的熔渣殘留下來形成夾渣，焊接接頭拉伸斷面SEM照片如圖4所示。夾雜物集中出現的某些位置易形成裂紋源，導致在其周圍形成具有扇形花樣的解理斷口，使焊接接頭的力學性能下降。

第三個來源是脈沖燃燒型焊條的主體高熱劑發生燃燒合成反應生成的產物Al2O3殘留在焊縫中形成夾渣，同時在一定的條件下極有可能與焊接冶金過程中產生的FeO形成另外一種夾渣成分——鐵鋁尖晶石，其化學式為FeO·Al2O3。焊縫組織拋光面的SEM照片如圖5所示，可觀察到焊縫組織在夾雜周圍一般都形成收縮而與夾雜分離（如圖中A、B、C點所示），這主要是因為該夾雜物為高熔點熔渣成分，在焊縫組織凝固的過程中，該夾雜將首先凝固，而當較低熔點的焊縫組織開始凝固時，在液態金屬表面張力的作用下使夾雜周圍的焊縫組織產生收縮而與夾雜分離。

第四個來源是由于脈沖燃燒型焊條焊藥成分中含有的硅元素，其作為脫氧劑發生脫氧反應生成的SiO2一方面未能隨溶渣完全析出，同時還可能與鋁結合生成硅酸鋁而形成新的熔渣顆粒夾渣。

3 夾渣的防治措施

（1）首先針對夾渣的第一和第二種來源，主要是從焊接工藝方面控制其產生，一方面要注意焊弧的長度保證有足夠的熱量使鋪展在焊接區域的熔渣被完全熔化排開，另一方面要注意第二和第三焊藥段的起焊位置，后段的起焊位置應在前段焊接區域的2/3～3/4接頭處。

（2）改變夾渣物質的物化性質，焊縫內部夾渣的的主要成因是焊藥燃燒產生的熔渣熔點較高，導致反應生成的熔渣小顆粒沒有充分時間碰撞聚合為大顆粒從焊縫液態合金中析出，而Al2O3的熔點較高（2323K），因此可嘗試通過加入特定的化合物（如B2O3）來降低熔渣的凝固點，B2O3是酸性氧化物，在加入保護渣中后，由于B3+與O2-之間的鍵強非常強，它能奪取硅氧鏈中的氧形成自己的硼氧離子團，這使得硅氧鏈斷鏈，使渣中聚合陰離子總的復雜程度有所下降，離子團比較簡單，從而使粘度下降。又由于B2O3熔點（450℃）低，在熔渣中易形成低熔點的物質，降低熔渣熔化溫度的效果顯著。從而使滯留在焊縫液態合金中的夾渣物有相對較長的時間聚合析出，減少焊縫中的夾渣。

[1]李志尊，辛文彤，武斌等.高熱劑對低碳鋼手工自蔓延焊接的影響[J].焊接學報，2007，28（2）：79-81.

[2]辛文彤，馬世寧，李志尊，等.Fe基手工自蔓延焊接接頭的組織和性能[J].焊接學報，2009，30（10）：73-75.

[3]辛文彤.裝備金屬結構自蔓延焊接機理的研究[D].北京：裝甲兵工程學院，北京：2010.

[4]姚軍剛.40Cr鋼燃燒型焊條及焊接工藝的研究[D].石家莊：軍械工程學院，2008.

[5] 吳永勝，王建江，辛文彤，等.脈沖燃燒型立焊焊條[J].焊接學報，2012，33（12）：109-112.

[6]吳永勝，王建江，辛文彤，等.脈沖燃燒型焊條立焊縱向焊縫的組織[J].材料熱處理學報，2013，34（1）：122-126.

Slag inclusion in joints of vertical weld by plus combustion welding rod

WU Yong-sheng1，WANG Jian-jiang1，XIN Wen-tong1，QU Li-feng2，Chen Xue-li3
（1.The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Military Delegate Office of Chongqing Martial Delegate Agency in No.167 Factory，Chengdu 610110，China；3.78666 Unit，Chinese People’s Liberation Army，Kunming 652102，China）

Q235 steel was welded by manual SHS vertical welding with pulse combustion welding rod，and three molten pools were formed under the action of three segments of high heat solder with different lengths in pulse combustion welding rod.Slag inclusion in joints of vertical weld was studied through observations of metallographic structure and analysis of weld alloy and fracture by SEM.The results indicate 4 sources of inclusion in joints and corresponding control measures.

manual SHS welding technology；vertical weld；slag inclusion

TG441.7

：A

：1001-2303（2014）02-0067-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.15

2013-04-26

吳永勝（1985—），男，湖南長沙人，在讀博士，主要從事自蔓延焊接技術研究與應用工作。