燒結焊劑的冶金過程及工藝質量控制

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西 太原 030024）

0 前言

氟堿型燒結焊劑在埋弧焊工藝發(fā)展道路上，經歷了逐漸被認可而后滿意的工程應用過程，近年來所占焊材市場份額越來越多。然而并不是在所有的情況下該焊劑均能適應工程需求，在一些情況下，焊縫壓痕、凹坑敏感性比較大，與個別牌號焊絲匹配時還出現(xiàn)熔敷金屬抗拉強度偏低、不達標等現(xiàn)象。上述工藝質量問題的出現(xiàn)與焊劑的冶金過程相關，而焊劑的冶金過程亦與埋弧焊的電弧特性及熔滴過渡密不可分。迄今為止，介紹埋弧焊電弧和冶金特性較經典的文獻，也僅限于上世紀80年代出版的有數(shù)幾本[1-3]，進入本世紀以來，具有創(chuàng)新理論的相關文獻甚少。為此，本文特意將氟堿型燒結焊劑（SJ101）的冶金過程、電弧行為與焊劑的工藝質量相聯(lián)系，探討焊劑的工藝質量影響因素和控制方法。該項研究對深入了解燒結焊劑的冶金機理，合理選用焊劑和匹配工藝，乃至開啟焊劑性能改進新思路，具有一定的參考意義和實用價值。

1 氟堿型燒結焊劑的冶金過程

1.1 電弧空腔內的冶金過程

表1列出了埋弧焊試樣的焊絲和熔敷金屬化學成分實測結果。其中，試驗條件：I=550～620 A，U=28～30 V，可以看出，與焊絲成分相比，熔敷金屬成分中的Mn和C的含量減少了，而Si的含量增加了（P 和S含量也有變化）。這是由于在氟堿型渣系中含有少量的SiO2。在熔滴反應區(qū)可能發(fā)生了下列反應：

表1 焊絲和熔敷金屬的化學成分（質量分數(shù)，%）

上述3 式均屬于滲硅反應，但（2）式是典型的滲Si增氧反應，（3）式是熔滴中的碳與熔渣中的SiO2反應可能生成CO 氣體。（1）式是焊絲中錳元素的氧化燒損反應，由于焊劑渣中加入（MnO）較少，錳的過渡系數(shù)通常不高，約為0.60 左右，可以反映Mn 氧化反應進行的激烈程度。

在熔滴反應區(qū)，主要是滲硅氧化和錳元素的氧化燒損反應，而且進行得比較激烈。在熔池反應區(qū)，上述反應也可能進行，但反應的激烈程度可能較弱。埋弧焊電弧空腔內充滿了焊絲、焊劑熔化和加熱后產生的氣體（含金屬和非金屬礦物蒸汽）。

1.2 熔池反應區(qū)的冶金過程

在熔池金屬與熔化的熔渣間進行下列冶金過程：

式中 [FeO]——平衡時FeO 在熔池金屬中的濃度；

（FeO）——平衡時FeO 在熔渣中的濃度；

L（T）——分配常數(shù)，其數(shù)值決定于溫度、溶質FeO、熔池和熔渣兩相的物理特性。

熔渣中的（FeO）向熔池金屬中[FeO]轉移，即發(fā)生：[FeO]←（FeO）過程，此為擴散氧化。該過程使熔池金屬氧化，含氧量增加。熔池金屬中的[FeO]向熔渣中（FeO）轉移，即發(fā)生：[FeO]→（FeO）過程，此為擴散脫氧。該過程使熔池金屬含氧量減小，熔池金屬被脫氧。

在熔池反應區(qū)，或熔池的后部，溫度較低，有利于擴散脫氧[FeO]→（FeO）過程的進行。雖然氟堿型焊劑熔渣中（FeO）較少，但氟堿型焊劑熔渣的分配常數(shù)L（T）比酸性焊劑熔渣的小，因此該渣系焊劑的擴散氧化傾向比較大，焊劑對鐵銹、氧化皮敏感。同時，氟堿型焊劑熔渣中（SiO2）較少，難以與熔渣中（FeO）生成復合化合物，實現(xiàn)擴散脫氧[FeO]→（FeO）過程的可能性很小。

需要指出的是，在熔池的結晶部分可能發(fā)生下列反應：

這是該類燒結焊劑焊縫中不可避免地出現(xiàn)氣孔或壓坑的重要原因。

2 氟堿型燒結焊劑的電弧行為與工藝質量

2.1 電弧形態(tài)和熔滴過渡形態(tài)

2.1.1 電弧形態(tài)

埋弧焊的電弧是掩埋在焊劑之中燃燒的如圖1所示，從外部看不到電弧發(fā)出的弧光和電弧形態(tài)。早期有文獻[1]探討過該種焊接方法的電弧現(xiàn)象。認為電弧是在焊絲周圍熔渣圍成的“空腔”內燃燒，而且弧柱的一部分側壁直接與熔渣接觸，亦即弧柱部分地被熔渣構成的外壁所包圍。因為受到電弧加熱的焊劑要產生一些氣體，以及熔池金屬本身含有的碳與氧結合放出CO氣體，因此可以想象在電弧區(qū)附近的氣體行為是活躍的。但是埋弧焊電弧與氣體中的電弧有本質上的差異。實心焊絲CO2氣保護焊時，電弧是在焊絲端頭整個截面上產生的，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此實心焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、斷續(xù)型。而埋弧焊絲熔滴的過渡是沿“空腔”的渣壁向下滑落的，并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此該類焊接方法的電弧形態(tài)應屬于連續(xù)、非活動型。

圖1 埋弧焊工作原理示意圖

2.1.2 熔滴過渡特性

埋弧焊電弧在焊劑空腔內燃燒，雖然電弧的引燃可能是短路過程，且短路時間非常短，但焊絲熔化金屬的過渡方式卻排除了短路過渡形態(tài)。文獻[1]認為，埋弧焊中電磁收縮效應的作用力很大，相信其焊絲端部熔化金屬是以顆粒狀過渡的。X 射線高速攝影觀察表明，埋弧焊大部分熔滴呈渣壁過渡形態(tài)[3]。所謂渣壁過渡是指脫離焊絲末端的熔滴，沿空腔內壁滑落進入熔池的過渡方式（圖2）。一般低速焊時，熔滴沿電弧前面渣壁過渡較多，焊接速度加快后，熔滴沿電弧后面渣壁過渡較多。此外，亦不排除少數(shù)熔滴以滴狀直接過渡。熔滴的大小和過渡頻率可能受到焊接電流和焊劑特性的控制，進而影響焊縫的成形等工藝質量。

圖2 埋弧焊電弧空腔內的熔滴過渡示意圖

2.2 工藝參數(shù)對焊劑工藝質量的影響

埋弧焊的電參數(shù)直接控制“空腔”內的電弧及熔滴過渡行為，進而影響它的焊接冶金過程和工藝質量。表2是在已給參數(shù)（I=450 A, U=30 V, ν=23 m/h,焊絲伸出長度= 25 mm，電源極性：直流反接，焊劑厚度=25 mm，焊劑粒度：標準粒度）基礎上，單參數(shù)變化時焊劑工藝質量試驗結果?？梢钥闯?，在本文試驗條件下（試驗用參數(shù)幅度變化有限），焊接電流增大時主要影響焊縫余高量增高，電流過大還使焊縫壓坑敏感。這是因為電流過大后熔滴細化，攜帶進入熔池的氫總量增多，同時熔深過大使熔池中氣體逸出路徑增大所致。電弧電壓升高時電弧長度變長，電弧飄移不穩(wěn)，由于電弧空腔受到焊劑保護，表面氧化色變化并不大，熔深減小、熔寬增大，有利于氣體逸出，熔滴不被細化亦是壓坑不太敏感因素之一。焊接速度增大時主要使熔寬變窄，若是速度過快時，熔池存在時間太短了，熔池中氣體逸出條件惡化（尤其是熔池邊緣氣體逸出困難），很容易出壓坑。焊絲伸出長度太長時，電阻熱使焊絲熔化速度加快，焊縫余高增大，但對壓坑影響不明顯，這是因為焊絲伸出長度在有限范圍變長，沒有增大熔池中氫含量，也沒有惡化氫的逸出條件。焊劑堆高厚度增大時，對工藝指標影響不太明顯，但過厚時透氣性受到阻礙，使焊縫壓坑敏感。焊劑含水量升高時熔滴氣爆干擾電弧使電弧不穩(wěn)、弧氣氧化使渣中氧化亞鐵劇增使脫渣變差、表面氧化色加重、進入熔池的水分使焊縫壓坑劇增。

表2 焊接參數(shù)對焊劑工藝質量影響試驗結果（φ4mm焊絲、直流反接）

焊劑粒度對工藝質量的影響較復雜。為了掌握焊劑粒度配比對工藝性的影響規(guī)律，采用直徑φ4 mm的H08A焊絲和SJ101焊劑，在20 mm 厚Q235鋼板制成90°十字接頭船形位置角接頭上施焊，焊機型號為MZ-1000，直流反接，用三種焊劑在不同的焊接規(guī)范下施焊：①號焊劑為市售的SJ101 燒結焊劑，雖說粗細粉混合，但該焊劑細粉較多；②號焊劑是把①號焊劑用20目篩子過后留在篩子中的較粗的焊劑; ③號試樣是把①號焊劑用20 目篩子過后的細粉焊劑。試驗結果見表3?？梢钥闯?，焊劑粒度對電弧穩(wěn)定性、焊縫成形，以及脫渣性的影響并不明顯，主要對焊縫中的壓坑有影響。含有較多細粉的①焊劑對焊縫凹坑敏感；減少或去除細粉后的焊劑焊縫中的凹坑明顯減少；全部為細粉的焊劑焊縫有凹坑，但比混合粉凹坑少；全細粉大電流焊接反而不出凹坑；全粗粉大電流焊接也不出凹坑。

表3 焊劑粒度對焊劑工藝質量的影響

含有較多細粉的焊劑對焊縫凹坑敏感的試驗結果，與文獻[1]中“全部為細粉焊劑時，具有較小的堆積密度，焊劑顆粒間空隙反而較多，其透氣性較好”的觀點不一致。原因是，在這種情況下，可能破壞了焊劑應有的粒度搭配及分布，致使焊劑的透氣性變差。大電流焊接時，電弧空腔體積較大，不僅熔池存在時間相對較長，而且空腔內沖出的氣體壓力增大，無論全細粉焊劑或全粗粉焊劑的透氣性都可能得以改善，焊縫表面凹坑傾向減小。不難看出，為了控制焊劑粒度對凹坑的影響，所用焊劑顆粒度大小比例要適度，搭配應均勻。大小粒度數(shù)量比例不當時反而使堆積密度增加，把顆粒間的空隙填死，堵住氣體排出的通道，使焊縫表面產生凹坑的機會增加。不僅如此，焊劑顆粒度與焊接電流的匹配關系也是控制凹坑產生的可調因素。

從以上工藝參數(shù)對焊縫質量指標的影響看，主要的問題是焊縫中壓坑傾向。其中影響最突出的參數(shù)首推焊劑中的水分，可以說，焊劑中水分的增大對應著壓坑傾向的直線上升。其次是焊劑的粒度及粗細粉比例對壓坑傾向的影響，情況比較復雜。再其次是焊接速度的影響。就壓坑產生原理而論，焊劑中水分是內因，其他參數(shù)是外因。對脫渣性影響較為明顯的是焊劑中的水分，然有文獻報道[4]，焊接參數(shù)匹配不當也會影響脫渣性。

3 氟堿型燒結焊劑工藝質量的控制

氟堿型燒結焊劑涉及的工藝質量包括穩(wěn)弧、成形、脫渣、焊接缺陷，以及熔敷金屬化學成分、力學性能等方面。論文重點探討用戶反應強烈的、焊縫中壓坑的控制。焊縫中凹坑控制的基本思路有兩條：一是從源頭上控制焊劑中的水分，盡量使焊劑含水量低于0.10%[5]；二是控制或改善熔渣中氣體逸出條件?？晒嶋H應用的凹坑控制原理如圖3所示。當采用焊劑低水分控制時，應當盡量采用不含或少含結晶水的原材料，對含結晶水的原材料進行去除結晶水預處理，同時提高焊劑烘干溫度和復烘溫度。當采用控制熔渣中氣體逸出條件時，可能有三條途徑：一是適當增大熔渣的堿度，即在焊劑中加入適量堿性氧化物，使熔渣變稀，氣體容易逸出；二是調整熔渣中氧化物種類和比例，即調整配方設計，適度降低熔渣粘度，或調整熔渣熔點到最佳或較好，有利氣體逸出；三是適當減慢焊接速度，延長熔池存在時間，改善熔池中或熔池與熔渣界面間氣體逸出條件。如此這樣，焊縫中的壓痕、凹坑傾向當會顯著減小。誠然，在工程應用中，焊接規(guī)范參數(shù)的合理選用和調整，亦是避免凹坑出現(xiàn)的不可忽視的輔助環(huán)節(jié)。

圖3 焊縫中凹坑控制原理方框圖

上述思路中，第一條比較容易實施，已被廣泛采用。第二條改善熔渣中氣體逸出條件方面，熔渣的堿度過高，電弧不穩(wěn)，成形不好，也會產生凹坑；熔渣粘度和熔點的控制需要恰到好處，否則效果不會明顯。從使用者（即用戶）觀點看，上述思路所列第二條前兩款，主要針對的是焊劑生產單位，生產單位有義務使成品焊劑的性能達到國標技術要求，其中亦包含對焊縫中壓痕和凹坑的禁止要求。

4 結論

（1）在SJ101型焊劑的埋弧焊熔滴反應區(qū)，主要是滲硅氧化和錳元素的氧化燒損反應，而且進行得比較激烈。在熔池的結晶部分冶金反應生成CO 氣體，是焊縫中不可避免地出現(xiàn)氣孔或凹坑的重要原因。

（2）使用SJ101型焊劑的埋弧焊電弧是在一個充滿氣體的所謂空腔內燃燒的，電弧形態(tài)應屬于連續(xù)、非活動型，而熔滴過渡則是呈典型的渣壁過渡形態(tài)。

（3）燒結焊劑SJ101 雖然具有良好的焊接工藝性能，然而該焊劑對焊縫中壓坑缺陷較為敏感，在諸多影響因素中，焊劑中的水分是壓坑產生的內因，其他參數(shù)是外因。

（4）以減小焊縫中凹坑傾向為目標的控制方法，思路合理，生產單位必須重視控制埋弧焊焊縫壓痕、凹坑缺陷的研究。

[1]安藤弘平，長谷川光雄·焊接電弧現(xiàn)象[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985：465-468.

[2]蘇仲鳴.焊劑的性能與使用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989：238-344.

[3]唐伯鋼，尹士科，王玉榮.低碳鋼與低合金鋼焊接材料[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987：1-88.

[4]李振，楊曉敏，牛賀.SJ101 燒結焊劑脫渣性能的分析[J].金屬加工（熱加工），2014（18）：70-71.

[5]中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局.中華人民共和國國家標準 埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑GB/T5293-1999 [S].北京:中國標準出版社，1999.