面向工程應(yīng)用的焊條焊接工藝性能評(píng)價(jià)方法探討

蘇州熱工研究院有限公司 （江蘇 215004） 朱 平 王淦剛 趙建倉(cāng)

中廣核工程有限公司 （廣東深圳 518000） 楊春樂(lè)

四川大西洋焊接材料股份有限公司 （四川自貢 643010） 蔣 勇

1.概述

我國(guó)已成為世界第一大焊接材料生產(chǎn)國(guó)，但高端及特種焊材的占比較小。以核電焊接材料為例，我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行核島主設(shè)備用焊材的開(kāi)發(fā)，并取得了大量的科技成果。但目前在建核電機(jī)組大批核島關(guān)鍵設(shè)備用焊接材料仍以進(jìn)口為主，除了受制于冶金水平的限制導(dǎo)致部分產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外進(jìn)口焊材有差距外，焊接材料的質(zhì)量穩(wěn)定性及焊接工藝性能成為制約國(guó)產(chǎn)核電用高端焊接材料大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要因素?？梢?jiàn)焊接材料焊接工藝性能對(duì)產(chǎn)品工程應(yīng)用的影響程度，缺少相應(yīng)合格標(biāo)準(zhǔn)及量化指標(biāo)，與工程應(yīng)用切合度不高等成為焊接材料焊接工藝性能改進(jìn)的關(guān)鍵影響因素。

本文以焊條為例，簡(jiǎn)要分析焊接工藝性能的主要構(gòu)成要素對(duì)工程應(yīng)用的影響和現(xiàn)階段焊條焊接工藝性能的檢測(cè)方法，提出面向工程應(yīng)用，采用建立以行業(yè)一線焊工的操作驗(yàn)證與定量技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系方法，探索焊接工藝性能主要構(gòu)成要素的驗(yàn)收指標(biāo)，以期推動(dòng)焊條焊接工藝性能的改進(jìn)。

2.焊接工藝性能影響分析

焊條的焊接工藝性能主要包括電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數(shù)、熔敷效率、發(fā)塵量及焊接成形質(zhì)量等，對(duì)工程應(yīng)用有顯著影響的主要是電弧穩(wěn)定性、脫渣性、飛濺率、發(fā)塵量及焊接成形質(zhì)量等5個(gè)方面。

電弧穩(wěn)定性決定了焊條能否穩(wěn)定持續(xù)的燃燒，對(duì)焊條的用量和施工進(jìn)度有明顯的影響，可反饋焊條熔敷金屬的熔滴過(guò)渡形式，例如對(duì)堿性不銹鋼焊條，大顆粒的熔滴過(guò)渡因?yàn)槎搪窌r(shí)間較長(zhǎng)易造成爆弧現(xiàn)象，而細(xì)顆粒的渣壁過(guò)渡則會(huì)使焊接過(guò)程更加平穩(wěn)。

脫渣性指焊后覆蓋在焊縫上的焊接熔渣與焊縫表面分離的難易程度。通常以“熔渣與焊縫金屬間的結(jié)合層理論”解釋熔渣分離機(jī)理，焊縫表面形成的FeO薄膜層與基體的α-Fe、熔渣中的MeO、Me2O3尖晶石符合化合物具有相同的體心立方晶格特征，晶體結(jié)構(gòu)的共格排列導(dǎo)致渣與金屬表面結(jié)合緊密、脫渣困難。緊密結(jié)合的焊渣使得工程上清渣費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，降低生產(chǎn)率，增大了焊縫夾渣缺陷及接頭使用性能不良的風(fēng)險(xiǎn)，清渣過(guò)程也會(huì)惡化工作環(huán)境。

圖1 焊道自動(dòng)翹起脫渣

焊接飛濺是指電弧焊時(shí)在熔滴過(guò)渡過(guò)程中飛向熔池之外、冷卻后在焊縫及其附近殘留的金屬顆粒。以堿性不銹鋼為例，堿性渣系與酸性渣系焊接飛濺行為不同，主要包括熔滴短路過(guò)渡引起的飛濺和電弧力引起的飛濺兩種類(lèi)型，藥皮組成物所決定的粗熔滴以及短路過(guò)渡中的爆炸行為是產(chǎn)生焊接飛濺的必要條件。焊接飛濺主要與熔滴過(guò)渡特性有關(guān)，可間接反映熔滴的過(guò)渡形式，對(duì)工程的主要影響是產(chǎn)生數(shù)量較多或大顆粒的金屬顆粒，焊接電弧不穩(wěn)定。以管道焊接為例，一般工程焊接過(guò)程中母材表面是不進(jìn)行保護(hù)的，過(guò)大的飛濺會(huì)造成坡口面和管道表面殘留大量的顆粒狀金屬，有時(shí)會(huì)殘存較大顆粒的飛濺附著在坡口或前一焊道表面，這樣既增加了清理的工作量，同時(shí)也增大焊接缺陷的幾率。

發(fā)塵量直接影響工作環(huán)境，焊工工作環(huán)境本身存在電弧輻射、焊接煙塵等，工作環(huán)境較差，過(guò)大的發(fā)塵量又會(huì)一進(jìn)步惡化工作環(huán)境，同時(shí)也影響焊接位置的可視性。

焊條焊道成形質(zhì)量直接影響焊接工藝質(zhì)量，成形不良或比較難得到良好成形質(zhì)量的焊條，增大了焊接操作的難度，進(jìn)而對(duì)焊工的操作水平提出了更嚴(yán)格的要求。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)核電建設(shè)的大范圍展開(kāi)，優(yōu)秀的焊工資源越來(lái)越匱乏，在這種背景下操作性較差的焊條難以得到青睞，因?yàn)槠渲苯佑绊懏a(chǎn)品合格率，增大返修風(fēng)險(xiǎn)。

3.現(xiàn)有評(píng)定方式方法

（1）焊條研制階段工藝性能檢測(cè) 焊條研制開(kāi)發(fā)階段，研發(fā)機(jī)構(gòu)在廠內(nèi)進(jìn)行焊條的焊接工藝性能檢測(cè)，采用的方式主要是由企業(yè)熟練的焊工在鋼板上進(jìn)行堆焊，檢測(cè)的內(nèi)容包括焊條熔敷效率、熔化系數(shù)、脫渣情況、飛濺現(xiàn)象、煙塵和成形質(zhì)量等。該類(lèi)檢測(cè)結(jié)果一般依靠焊工及研發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，人為因素對(duì)結(jié)果判定的影響較大。廠內(nèi)檢測(cè)時(shí)采用的材料一般與實(shí)際工程應(yīng)用的材料有差異，有的差異還較大，這對(duì)某些焊條熔敷金屬的成形質(zhì)量、電弧穩(wěn)定性等工藝性能檢測(cè)結(jié)果有一定影響。廠內(nèi)階段更多的是采用平板而非實(shí)際的工程焊接結(jié)構(gòu)，因此對(duì)脫渣現(xiàn)象、焊道成形質(zhì)量等項(xiàng)目的檢測(cè)針對(duì)性不強(qiáng)。另外，一般焊材企業(yè)缺少定量檢測(cè)飛濺率、脫渣率、煙塵量等參量的儀器裝置，基本依靠平板堆焊后觀察焊道兩側(cè)的板表面的顆粒大小和數(shù)量來(lái)評(píng)價(jià)飛濺率、觀察煙塵覆蓋寬度評(píng)價(jià)發(fā)塵量、敲擊去除藥皮的難度定性評(píng)價(jià)脫渣性，如圖2所示?？紤]成本和周期的影響也較少進(jìn)行定量檢測(cè)，同時(shí)因?yàn)轱w濺率、脫渣率、煙塵量等參數(shù)難以給出具體的合格指標(biāo)，因此用戶在采購(gòu)條件中不給出明確要求或只是給出飛濺率低、脫渣容易、成形良好等定性的要求。

圖2 焊道飛濺、煙塵顯示

（2）按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝性能評(píng)定 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中列出了焊接材料工藝性能評(píng)定方法，給出了電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數(shù)、熔敷效率及發(fā)塵量的評(píng)定方法，但如前所述仍沒(méi)有合格標(biāo)準(zhǔn)的表述，同時(shí)測(cè)試方法仍采用平板堆焊的方式，與工程實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)、實(shí)際使用的材料等有不同程度的偏離，造成了有檢測(cè)結(jié)果無(wú)法認(rèn)定合格與否的現(xiàn)象，無(wú)法反饋焊接材料焊接工藝性能的改進(jìn)，也缺少針對(duì)工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接成形質(zhì)量檢測(cè)。

4.改進(jìn)及研究方向展望

（1）加強(qiáng)與工程應(yīng)用的銜接 焊條焊接工藝性能對(duì)焊條的工程應(yīng)用及大范圍推廣有直接且顯著的影響，工程應(yīng)用階段需加強(qiáng)對(duì)特種及高端焊條的工藝性能考核。針對(duì)特種及高端焊接材料，應(yīng)注重工程應(yīng)用方一線操作人員焊接工藝性能的考核與驗(yàn)證。為減少不同操作人員反饋信息的離散性，可在同一工程領(lǐng)域內(nèi)請(qǐng)多家制造或安裝企業(yè)的一線焊工來(lái)對(duì)焊接工藝性能進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，應(yīng)盡可能采用實(shí)際的工程焊接坡口形式、材料型號(hào)及厚度等進(jìn)行，以切合工程應(yīng)用需求。選擇的操作人員盡可能涵蓋不同的工作經(jīng)驗(yàn)和操作習(xí)慣。對(duì)收集的反饋信息進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析整理，實(shí)現(xiàn)焊條生產(chǎn)方與使用方的良性互動(dòng)，使焊條工藝性能的改進(jìn)與檢測(cè)更具有實(shí)用性和針對(duì)性。

（2）探索定量的技術(shù)指標(biāo) 針對(duì)特種焊條或高端焊條，可積極探索定量的指數(shù)指標(biāo)，可采用工程使用驗(yàn)證與定量測(cè)試相結(jié)合的方法進(jìn)行。例如脫渣率指標(biāo)，根據(jù)脫渣率的影響因素改變某些產(chǎn)量完成系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)后，分別采用工程一線焊工操作驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，工程操作驗(yàn)證選用特定行業(yè)的具體坡口形式、母材和焊接參數(shù)，從優(yōu)到差累計(jì)設(shè)計(jì)分成若干檔，獲取多人次的評(píng)價(jià)結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)試每組增加試驗(yàn)量，可取5個(gè)比較接近的數(shù)據(jù)的平均值作為單組測(cè)試數(shù)據(jù)，以此建立工程驗(yàn)證評(píng)價(jià)檔次與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值的總體對(duì)應(yīng)關(guān)系，摸索規(guī)律，針對(duì)具體產(chǎn)品和行業(yè)初步建立脫渣率的驗(yàn)收指標(biāo)。

（3）確定組合式的檢測(cè)項(xiàng)目 鑒于目前的焊接材料設(shè)計(jì)、驗(yàn)收均未給出針對(duì)焊接工藝性能的具體檢測(cè)項(xiàng)目，導(dǎo)致焊材企業(yè)和應(yīng)用單位針對(duì)焊條焊接工藝性能的檢測(cè)不全面。建議提出面向具體行業(yè)工程應(yīng)用的焊接材料焊接工藝性能組合式檢測(cè)項(xiàng)目，以焊條為例，可采用焊接電弧穩(wěn)定性、脫渣性、飛濺率、焊道成形質(zhì)量及發(fā)塵量5個(gè)方面組合式的檢測(cè)，在目前無(wú)量化指標(biāo)的情況下，需要同時(shí)結(jié)合工程應(yīng)用方檢測(cè)結(jié)果，以期焊條的焊接工藝性能評(píng)價(jià)更全面、實(shí)用。

5.結(jié)語(yǔ)

焊條焊接工藝性能對(duì)焊條的工程推廣應(yīng)用具有重要的影響，建議以具體行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)焊材工藝性能與工程應(yīng)用需求的良性互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊材研發(fā)與工程應(yīng)用的良好切合?，F(xiàn)階段有必要針對(duì)具體的焊材類(lèi)型建立組合式的焊材工藝性能評(píng)價(jià)項(xiàng)目，并結(jié)合工程應(yīng)用方的檢測(cè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以滿足焊材設(shè)計(jì)及應(yīng)用驗(yàn)收的要求。

總之，研究探索工程驗(yàn)證評(píng)價(jià)檔次與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值的總體對(duì)應(yīng)規(guī)律，針對(duì)具體同類(lèi)產(chǎn)品和行業(yè)需求，逐步建立焊接工藝性能的量化驗(yàn)收指標(biāo)。