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(xué)院先進(jìn)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(guó)人民解放軍78666部隊(duì)，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(xué)院先進(jìn)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(guó)人民解放軍78666部隊(duì)，云南 昆明 652102）

用脈沖燃燒型焊條對(duì)Q235鋼進(jìn)行了手工自蔓延立焊焊接，脈沖燃燒型焊條中三段長(zhǎng)度不同的高熱焊藥形成了三個(gè)有效熔池。通過(guò)觀察接頭焊縫合金金相，并結(jié)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(gè)來(lái)源途徑及其相應(yīng)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(guò)焊條自身燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將焊接母材局部加熱熔化，用反應(yīng)的產(chǎn)物填充焊縫，采用焊條電弧焊的操作方法，實(shí)現(xiàn)母材的永久牢固連接，該方法無(wú)需外界能源，在野外應(yīng)急搶修領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)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(guò)程中溫度高、溫差大，偏析現(xiàn)象很突出，金相組織的差別也比較大，造成焊接接頭中出現(xiàn)各種類型的缺陷[4]，同時(shí)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(shí)形成的缺陷與普通燃燒型焊條平焊時(shí)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(shí)夾雜的成因，并有針對(duì)性的提出初步的解決和控制措施，為以后的工程實(shí)際應(yīng)用及理論研究提供有效的借鑒和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)以脈沖燃燒型焊條為焊接材料采用板材對(duì)接立焊，焊接時(shí)用火柴點(diǎn)燃引火線，引火線段燃燒引燃焊藥，焊藥發(fā)生燃燒合成反應(yīng)形成燃燒弧，采用焊條電弧焊的運(yùn)條方法，具體工藝參數(shù)為：焊接速度3～5mm/s，電極夾角25°～35°，弧長(zhǎng)2～3 mm，不預(yù)熱。焊接結(jié)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(zhì)量良好無(wú)表面裂紋，觀察焊接過(guò)程并分析焊縫發(fā)現(xiàn)，脈沖燃燒型焊條的三個(gè)高熱焊藥段對(duì)應(yīng)形成三個(gè)有效熔池并凝固成型。

2 焊接夾雜的來(lái)源分析

對(duì)立焊接頭焊縫合金進(jìn)行金相觀察，并結(jié)合SEM分析焊縫合金組織和斷口組織發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用脈沖燃燒型焊條進(jìn)行立焊時(shí)，存在的夾雜缺陷主要是焊條燃燒產(chǎn)生的非金屬熔渣，即通常所說(shuō)的夾渣缺陷，其主要來(lái)源有四個(gè)方面：

第一個(gè)來(lái)源是由于脈沖燃燒型焊條相鄰兩段焊藥之間進(jìn)行間斷焊接時(shí)，前一焊藥段焊完后留下的熔渣及燃燒維持劑燃燒產(chǎn)生的熔渣鋪在下一焊藥段的部分施焊區(qū)域，在進(jìn)行下段焊藥的焊接時(shí)未把該部分熔渣全部熔化排開而留在兩焊接區(qū)域的接頭部分造成夾渣，如圖3所示?？梢杂^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(qū)等部位則存在相對(duì)較少。

第二個(gè)來(lái)源是由于焊接操作不良而在熔化金屬內(nèi)混入的熔渣殘留下來(lái)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(xiàn)的某些位置易形成裂紋源，導(dǎo)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(xué)性能下降。

第三個(gè)來(lái)源是脈沖燃燒型焊條的主體高熱劑發(fā)生燃燒合成反應(yīng)生成的產(chǎn)物Al2O3殘留在焊縫中形成夾渣，同時(shí)在一定的條件下極有可能與焊接冶金過(guò)程中產(chǎn)生的FeO形成另外一種夾渣成分——鐵鋁尖晶石，其化學(xué)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(diǎn)所示），這主要是因?yàn)樵搳A雜物為高熔點(diǎn)熔渣成分，在焊縫組織凝固的過(guò)程中，該夾雜將首先凝固，而當(dāng)較低熔點(diǎn)的焊縫組織開始凝固時(shí)，在液態(tài)金屬表面張力的作用下使夾雜周圍的焊縫組織產(chǎn)生收縮而與夾雜分離。

第四個(gè)來(lái)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(fā)生脫氧反應(yīng)生成的SiO2一方面未能隨溶渣完全析出，同時(shí)還可能與鋁結(jié)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(duì)夾渣的第一和第二種來(lái)源，主要是從焊接工藝方面控制其產(chǎn)生，一方面要注意焊弧的長(zhǎng)度保證有足夠的熱量使鋪展在焊接區(qū)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(yīng)在前段焊接區(qū)域的2/3～3/4接頭處。

（2）改變夾渣物質(zhì)的物化性質(zhì)，焊縫內(nèi)部夾渣的的主要成因是焊藥燃燒產(chǎn)生的熔渣熔點(diǎn)較高，導(dǎo)致反應(yīng)生成的熔渣小顆粒沒有充分時(shí)間碰撞聚合為大顆粒從焊縫液態(tài)合金中析出，而Al2O3的熔點(diǎn)較高（2323K），因此可嘗試通過(guò)加入特定的化合物（如B2O3）來(lái)降低熔渣的凝固點(diǎn)，B2O3是酸性氧化物，在加入保護(hù)渣中后，由于B3+與O2-之間的鍵強(qiáng)非常強(qiáng)，它能奪取硅氧鏈中的氧形成自己的硼氧離子團(tuán)，這使得硅氧鏈斷鏈，使渣中聚合陰離子總的復(fù)雜程度有所下降，離子團(tuán)比較簡(jiǎn)單，從而使粘度下降。又由于B2O3熔點(diǎn)（450℃）低，在熔渣中易形成低熔點(diǎn)的物質(zhì)，降低熔渣熔化溫度的效果顯著。從而使滯留在焊縫液態(tài)合金中的夾渣物有相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)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(duì)低碳鋼手工自蔓延焊接的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，2009，30（10）：73-75.

[3]辛文彤.裝備金屬結(jié)構(gòu)自蔓延焊接機(jī)理的研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)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(xué)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(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(zhǎng)沙人，在讀博士，主要從事自蔓延焊接技術(shù)研究與應(yīng)用工作。