燒結(jié)焊劑焊縫中的凹坑問(wèn)題及對(duì)策

太原理工大學(xué)焊接材料研究所 （山西 030024） 孫 咸

以SJ101焊劑為代表的氟堿型燒結(jié)焊劑，以其優(yōu)良的工藝性能、焊縫韌性好、抗裂性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在高效、自動(dòng)化埋弧焊工藝中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。然而在工程應(yīng)用中反應(yīng)較強(qiáng)烈的是，該類焊劑焊縫表面壓痕、凹坑時(shí)而出現(xiàn)，網(wǎng)上亦?？吹缴a(chǎn)一線焊工征求埋弧焊縫凹坑解決方案的帖子。上述問(wèn)題涉及到該焊劑的冶金特性及凹坑形成機(jī)理等焊接理論。迄今為止，介紹埋弧焊冶金特性較經(jīng)典的文獻(xiàn)，也僅限于20世紀(jì)80年代末出版的個(gè)別版本，進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，具有創(chuàng)新理論的相關(guān)文獻(xiàn)少之甚少。為此，本文特意將燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形態(tài)性質(zhì)與焊接質(zhì)量的影響相聯(lián)系，探討燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形成機(jī)理、影響因素和相應(yīng)對(duì)策。該項(xiàng)研究對(duì)生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)拓思路，進(jìn)一步提升燒結(jié)焊劑水平，具有一定參考意義和實(shí)用價(jià)值。

一、燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形態(tài)和性質(zhì)

該類焊縫中出現(xiàn)的壓痕、凹坑多數(shù)為保持間距的、單個(gè)凹坑或壓痕（見(jiàn)圖1、圖2），兩個(gè)或多個(gè)凹坑串接的極少出現(xiàn)，條蟲(chóng)狀的更為罕見(jiàn)，未發(fā)現(xiàn)密集型凹坑或壓痕出現(xiàn)。凹坑或壓痕的外觀形態(tài)多呈圓形或準(zhǔn)圓形，有的圓形較規(guī)則，有的圓形發(fā)生變形，如有的呈指狀。凹坑或壓痕的尺寸大小不一，最大的直徑達(dá)6～8mm，或者更大，最小的只有1mm左右。它們?cè)谡麠l焊縫上的分布，從縱向看，大多在引弧起焊后50～100mm以后出現(xiàn)，表明凹坑或壓痕的形成需要一個(gè)積累時(shí)間，焊渣與焊縫間生成的氣泡需一定時(shí)間，達(dá)到一定壓力后，方可形成凹坑或壓痕。從橫向看，有的位于焊縫熔寬中心線附近，有的偏離中心線，分布隨意，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。但是，對(duì)于一般認(rèn)為不太出凹坑的焊劑而言，一旦焊接速度加快后，在焊縫兩側(cè)邊緣出現(xiàn)凹坑的傾向?qū)⒋蟠筇岣撸ㄒ?jiàn)圖3）。壓痕的色澤與正常焊縫有所差異，變得比較深暗或褐色，無(wú)光亮，但憑視覺(jué)可清楚辨認(rèn)。凹坑內(nèi)的色澤也有變褐、無(wú)光亮的明顯特征。壓痕與凹坑的不同之處在于，壓痕部位只有色澤變化（變暗），沒(méi)有凹下去的坑洞，而與焊縫表面一樣平順。但是在渣殼內(nèi)表面與壓痕對(duì)應(yīng)的部位仍有孔洞出現(xiàn)。當(dāng)然，幾乎所有的凹坑，在渣殼內(nèi)表面對(duì)應(yīng)的部位均會(huì)出現(xiàn)明顯的孔洞。與焊條電弧焊焊縫中氣孔的性質(zhì)有所不同，埋弧焊焊縫中壓痕、凹坑形成機(jī)理表明，熔渣與焊縫間生成的氣泡內(nèi)，充滿了多種氣體，如CO、H2、N2、O2及金屬和礦物蒸氣等，因此，難以判定這種壓痕或凹坑究竟屬于哪種氣體單獨(dú)形成?？梢哉J(rèn)為，它們的性質(zhì)屬于混合氣體導(dǎo)致的壓痕或凹坑。

圖1 焊縫中的凹坑

圖2 焊縫中的壓痕

圖3

二、燒結(jié)焊劑焊縫凹坑的形成機(jī)理及影響因素

1. 燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形成機(jī)理

埋弧焊電弧空腔內(nèi)充滿了各種氣體，如焊劑受熱放出的水氣、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)生成的氣體以及金屬和礦物蒸汽等。這些氣體大部分將穿過(guò)液態(tài)熔渣和粒狀焊劑層進(jìn)入大氣。然而也有一些氣體成氣泡狀停留在液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣之間的界面上，當(dāng)它們未能及時(shí)沖出熔渣層時(shí)，泡內(nèi)的氣體便向四周施以一定壓力，以求達(dá)到力的平衡。氣泡內(nèi)的壓力越大，留在焊縫表面上的壓痕越深，而對(duì)應(yīng)在渣殼內(nèi)側(cè)上的孔洞也越深越大。焊縫凝固后就形成了一個(gè)壓痕或者凹坑。

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，電弧空腔內(nèi)熔池反應(yīng)區(qū)生成的CO氣體（[C]＋[O]=CO↑），和以原子狀態(tài)溶入熔池金屬中的H原子，進(jìn)入液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣之間的界面上的氣泡中，而原子態(tài)的H又聚合成為H2分子，導(dǎo)致氣泡尺寸顯著增大。這是對(duì)凹坑氣泡生成長(zhǎng)大原因的一種分析，與上述機(jī)理并不排斥。

焊縫中凹坑的形成可以歸納為3個(gè)條件：①液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣界面上氣泡的生核。②氣泡內(nèi)壓力的增大。③氣泡內(nèi)氣體及時(shí)排出或沖出熔渣。其中①和②是產(chǎn)生凹坑的內(nèi)因和必要條件，③則是外因和充分條件，二者缺一不可。不難看出，只要控制好充分條件(氣泡的排出速度)，或改善氣泡排出速度，就有可能有效控制凹坑，或防止凹坑的產(chǎn)生。

在下列情況下：液態(tài)熔渣的粘度大，熔渣的表面張力大，熔渣的透氣性差，上部焊劑層的壓力（堆層厚度）大和透氣性差時(shí)，氣泡的排出速度受阻或未能及時(shí)排出，焊縫凹坑傾向嚴(yán)重；反之，凹坑傾向被控制或防止。氟堿型焊劑的物理特性在一些情況下并非有利于氣泡的排出，因此焊縫具有較大的凹坑敏感性。

2. 燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的影響因素

（1）焊劑中水分的影響 采用不同烘烤規(guī)范烘烤的焊劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，隨烘烤溫度的提高，焊縫中凹坑傾向明顯減小，甚至完全消失。市售同類名牌焊劑在空氣中放置時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫會(huì)出現(xiàn)了大量壓痕、凹坑，正常復(fù)烘后壓痕、凹坑消失。由此表明，焊劑中的水分是焊縫中凹坑產(chǎn)生的最直接和最直觀原因。焊劑中水分既有焊劑組成物自身帶入的，也有焊劑造粒時(shí)使用液體水玻璃造成的。

焊劑組成物中的水分有多種形式：①吸附水。又稱自由水，是指外界原因（雨水、露水及濕氣等）在焊劑顆粒表面附著的一薄層水分。這種水分實(shí)際上沒(méi)有與焊劑發(fā)生連接反應(yīng)，只要加熱到100℃左右就可排除。②化合水。是以化合物形式進(jìn)入晶體組織中并構(gòu)成結(jié)構(gòu)的一部分，又稱結(jié)晶水。進(jìn)入結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶水原則上不會(huì)改變基本化合物離子間的連接形式。但是水分子的結(jié)構(gòu)組織穩(wěn)定，不經(jīng)過(guò)破壞作用結(jié)晶水是不會(huì)除掉的。要除去結(jié)晶水須加熱到400℃左右。③元素的氫氧化物。還有一種水分是以各種元素的氫氧化物的形式存在于焊劑中。堿金屬氫氧化物結(jié)合特別牢固，甚至在高溫時(shí)也沒(méi)有明顯的分解，比如，氫氧化鋁在加熱到1000℃時(shí)還會(huì)保存一定數(shù)量的水分。所以，排除這類水分相當(dāng)困難。④氟石水。焊劑中還可能存在氟石水。這種水在晶體中以單獨(dú)的分子形式存在，其數(shù)量是可變的。要除去氟石水，加熱的溫度度范圍較大（200～1100℃）。

（2）焊劑顆粒度及堆積密度的影響 采用f4mm的H08A焊絲和SJ101焊劑，在20mm厚Q235鋼板制成90°十字接頭船形位置角接頭上施焊，焊機(jī)型號(hào)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#焊劑為市售的SJ101燒結(jié)焊劑，雖說(shuō)粗細(xì)粉混合，但該焊劑細(xì)粉較多。2#焊劑是把2#焊劑用20目篩子過(guò)后留在篩子中的較粗的焊劑。3#試樣是把1#焊劑用20目篩子過(guò)后的細(xì)粉焊劑。試驗(yàn)結(jié)果如附表所示?？梢钥闯?，含有較多細(xì)粉的1#焊劑對(duì)焊縫凹坑敏感；減少或去除細(xì)粉后的焊劑焊縫中的凹坑明顯減少；全部為細(xì)粉的焊劑焊縫有凹坑，但比混合粉凹坑少；全細(xì)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。

焊劑粒度對(duì)焊縫凹坑的影響

含有較多細(xì)粉的焊劑對(duì)焊縫凹坑敏感的試驗(yàn)結(jié)果，與文獻(xiàn)中“全部為細(xì)粉焊劑時(shí)，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(diǎn)不一致。原因是，在這種情況下，可能破壞了焊劑應(yīng)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(shí)，電弧空腔體積較大，不僅熔池存在時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，而且空腔內(nèi)沖出的氣體壓力增大，無(wú)論全細(xì)粉焊劑還是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，焊劑粒度對(duì)凹坑有重要影響，焊劑顆粒度大小比例要適度，搭配應(yīng)均勻。大小粒度數(shù)量比例不當(dāng)時(shí)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(chǎn)生凹坑的機(jī)會(huì)增加。不僅如此，焊劑顆粒度與焊接電流的匹配關(guān)系也是控制凹坑產(chǎn)生的可調(diào)因素。

（3）焊劑組成物及熔渣粘度的影響 焊劑的化學(xué)組成對(duì)焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)特點(diǎn)及程度有極重要的影響，這些反應(yīng)與熔化金屬中析出的氣體聚集和分解緊密相關(guān)。提高焊劑的氧化性就會(huì)使焊縫的凹坑敏感性增大，如果焊劑中SiO2、Al2O3、TiO2、及MgO等氧化物含量不足，或比例不當(dāng)，當(dāng)焊劑堿度≥1.3時(shí)，焊縫表面也可能出現(xiàn)凹坑，而CaF2含量過(guò)高時(shí)，使電弧不穩(wěn)，焊縫表面也會(huì)產(chǎn)生凹坑。采用熔渣粘度較高的焊劑時(shí)，產(chǎn)生凹坑的機(jī)會(huì)更多。使用熔點(diǎn)特別低的焊劑時(shí)，焊劑熔化量較多，焊接熔池表面壓力較大，氣體集中在熔渣下面，造成氣體析出困難，凹坑的傾向增大。據(jù)文獻(xiàn)介紹，用部分TiO2代替SiO2不會(huì)影響焊劑的工藝性。少量的TiO2加入焊劑中可以降低熔渣的粘度，減小表面張力，有利于焊縫、熔渣界面上的氣泡排出，減少凹坑傾向。

（4）焊接參數(shù)的影響 焊接電流對(duì)熔化速度及熔深有很大影響。隨焊接電流的增大，熔深和余高隨之增加，熔深過(guò)大，氣體逸出路徑增大，凹坑傾向增大。電弧電壓過(guò)低，形成深而窄的焊縫，對(duì)氣體逸出不利；適當(dāng)提高電弧電壓，熔深減小，熔寬增大，有利于氣體逸出。增大焊接速度，焊縫寬度、熔深同時(shí)減小；焊接速度過(guò)大，熔池存在時(shí)間過(guò)短，氣體逸出條件惡化，凹坑傾向增大；反之，有利于氣體逸出，凹坑傾向減小。

工程實(shí)踐表明，在各項(xiàng)焊接參數(shù)中，焊接速度的影響更為明顯，通常采用較慢焊速時(shí)，凹坑傾向明顯減小或完全避免。需要指出的是，有時(shí)候凹坑的出現(xiàn)與焊道的層數(shù)有關(guān)，比如在丁字或十字接頭90°坡口船形位置焊接時(shí)，根部間隙內(nèi)殘留氣體有時(shí)也會(huì)引起打底層焊縫氣孔或凹坑，而以后各層就會(huì)完全消失?？傊x用匹配良好的焊接參數(shù)，是控制凹坑出現(xiàn)不可或缺的工藝措施。但是，焊劑中水分較多時(shí)，僅靠調(diào)整焊接規(guī)范是難以徹底消除壓痕和凹坑缺陷的。

三、焊縫中凹坑壓痕對(duì)焊接質(zhì)量的影響

文獻(xiàn)認(rèn)為，焊縫中壓坑的形成機(jī)理與氣孔的產(chǎn)生具有同源性，即焊縫中的氣體及逸出行為是其根源。當(dāng)氣體從焊縫金屬中逸出被阻止于焊縫中時(shí)，就形成了氣孔；當(dāng)氣體從焊縫金屬中逸出被困于熔渣下面，或在焊縫表面聚集時(shí)，未能及時(shí)排出熔渣，就形成了焊縫表面壓痕或凹坑?？梢哉f(shuō)，凹坑是氣孔的另一種表現(xiàn)形式。略有區(qū)別的是，后者對(duì)焊接熔渣的凝固速度、熔渣中氣體的逸出難易程度，具有更強(qiáng)的依賴性。據(jù)此，焊縫中壓痕、凹坑對(duì)焊接質(zhì)量的影響，可以參照焊縫中氣孔的影響進(jìn)行分析。從質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的觀點(diǎn)看，焊縫中出現(xiàn)成串或密集型凹坑時(shí)，由于承載截面積減小，使靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度明顯降低；從適合于使用的標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)看，除了表面凹坑對(duì)疲勞強(qiáng)度不利之外，焊縫中的凹坑對(duì)結(jié)構(gòu)使用的有害影響程度是較小的；然而從現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)的要求看，在較重要結(jié)構(gòu)的焊縫中（如GB/T12469—1990中Ⅰ、Ⅱ級(jí)焊縫）出現(xiàn)表面凹坑通常是不允許的。即使在Ⅲ級(jí)焊縫中，表面凹坑的大小、數(shù)量和分布也是有嚴(yán)格限制的。換言之，在這類焊縫中出現(xiàn)表面凹坑，常被判為不合格產(chǎn)品，有的需要通過(guò)焊接修復(fù)去除凹坑，不僅增加制造成本，而且可能對(duì)結(jié)構(gòu)的使用性能帶來(lái)不利影響。

四、控制焊縫中凹坑的對(duì)策

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%；二是控制或改善熔渣中氣體逸出條件。可供實(shí)際應(yīng)用的凹坑控制原理如圖4所示。當(dāng)采用焊劑低水分控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量采用不含或少含結(jié)晶水的原材料，對(duì)含結(jié)晶水的原材料進(jìn)行去除結(jié)晶水預(yù)處理，同時(shí)提高焊劑烘干溫度和復(fù)烘溫度。當(dāng)采用控制熔渣中氣體逸出條件時(shí)，可能有三條途徑：一是適當(dāng)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(diào)整熔渣中氧化物種類和比例，即調(diào)整配方設(shè)計(jì)，適度降低熔渣粘度，或調(diào)整熔渣熔點(diǎn)到最佳或較好，有利氣體逸出。三是適當(dāng)減慢焊接速度，延長(zhǎng)熔池存在時(shí)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、凹坑傾向會(huì)顯著減小。誠(chéng)然，在工程應(yīng)用中，焊接參數(shù)的合理選用和調(diào)整，亦是避免凹坑出現(xiàn)、不可忽視的輔助環(huán)節(jié)。

圖4 焊縫中凹坑控制原理

上述思路中，第一條比較容易實(shí)施，已被廣泛采用。第二條改善熔渣中氣體逸出條件方面，熔渣的堿度增得過(guò)高，電弧不穩(wěn)，成形不好，也會(huì)產(chǎn)生凹坑；熔渣粘度和熔點(diǎn)的控制需要恰到好處，否則效果不會(huì)明顯。從使用者（即用戶）觀點(diǎn)看，思路所列第二條前兩款，主要針對(duì)的是焊劑生產(chǎn)單位，生產(chǎn)單位有義務(wù)使成品焊劑的性能達(dá)到國(guó)標(biāo)技術(shù)要求，其中亦包含對(duì)焊縫中壓痕、凹坑的禁止要求。

五、結(jié)語(yǔ)

（1）焊縫中出現(xiàn)的多數(shù)為保持間距的、單個(gè)凹坑或壓痕，外觀形態(tài)多呈圓形或準(zhǔn)圓形，尺寸大小不一，分布隨意，壓痕、凹坑內(nèi)的色澤變得比較深暗或褐色，它們的性質(zhì)屬于混合氣體導(dǎo)致的壓痕或凹坑。

（2）焊縫中壓坑的形成機(jī)理與氣孔的產(chǎn)生具有同源性，即焊縫中的氣體及其逸出行為是其根源。當(dāng)氣體從焊縫金屬中逸出被困于熔渣下面，或在焊縫表面聚集時(shí)，未能及時(shí)排出熔渣，就形成了焊縫表面壓痕或凹坑。

（3）焊劑中的水分是焊縫中凹坑產(chǎn)生的最關(guān)鍵因素，焊劑組成物及熔渣粘度對(duì)凹坑的產(chǎn)生有重要影響，焊劑顆粒度及堆積密度對(duì)其他有一定的影響，焊接參數(shù)的影響不可小覷。

（4）從現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)的要求看，在較重要結(jié)構(gòu)的焊縫中出現(xiàn)表面凹坑通常是不允許的；去除凹坑進(jìn)行焊接修復(fù)，不僅增加制造成本，而且可能對(duì)結(jié)構(gòu)的使用性能帶來(lái)不利影響。

總之，以減小焊縫中凹坑傾向?yàn)槟繕?biāo)的控制方法，思路合理，生產(chǎn)單位必須重視控制埋弧焊焊縫壓痕、凹坑缺陷的研究。