堿性氣體保護藥芯焊絲工藝質(zhì)量的選擇與控制

摘要： 介紹了堿性氣體保護藥芯焊絲的冶金特點、電弧行為及工藝質(zhì)量，探討了焊絲工藝質(zhì)量選用原則和控制原理。結(jié)果表明，典型堿性焊絲熔渣色澤赭色泛黃、玻璃狀薄渣，渣中SiO2很少，熔滴不增氧，不被細化。該類焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、連續(xù)型。焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡?？梢员ＷC焊絲熔敷金屬低的含氧、含氫量及較少的有害雜質(zhì)，保證焊縫組織大量的針狀鐵素體，因而獲得了優(yōu)異的力學性能。焊絲工藝質(zhì)量指標選擇的“合于使用”原則，強調(diào)產(chǎn)品特征或用戶要求。提出了減小焊接飛濺的技術路線，和保證獲得優(yōu)異、穩(wěn)定沖擊吸收能量的焊縫韌性控制原理。

關鍵詞： 工藝質(zhì)量；氣體保護藥芯焊絲；堿性渣系；選擇與控制

中圖分類號： TG442

0前言

以E500T-5為代表的堿性渣系氣體保護藥芯焊絲的使用性能非常優(yōu)異，無論是抗裂性還是低溫韌性，都遠比E501T-1焊絲好許多。許多重要產(chǎn)品或工程結(jié)構(gòu)的施工技術條件明確標明，必須使用堿性藥芯焊絲。一些單位擔心的是焊絲操作工藝性的不適應，比如習慣了E501T-1焊絲的焊工，用該焊絲總覺得飛濺大、成形難控制，甚至不能操作。這是焊工的經(jīng)驗不足或技術尚不全面造成的。深入了解并長期體驗堿性焊絲的特性和操作要點后[1]，廣大焊工同樣會喜歡上這類焊絲的。雖然采用富氬混合氣體保護時，能改變堿性藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)，從而改善焊絲的工藝性。然而，考慮到大多數(shù)用戶的需求，本文僅限于探討CO2保護下的焊絲工藝質(zhì)量問題。

有的市售E500T-5焊絲，燒焊時護鏡下看到的熔渣、熔池形態(tài)與E501T-1差別不大，熔池輪廓不清楚，熔渣緊跟電弧，熔池裸露部分很??；熄弧后，固態(tài)熔渣的色澤形態(tài)與E501T-1焊絲的很接近。這表明該焊絲不屬于堿性渣，至少是熔渣的堿度不夠高。應該說，堿性焊絲不僅在操作手感方面，而且在焊縫凝固后熔渣色澤、厚薄、脫渣性，以及焊縫成形等方面均與E501T-1有明顯的區(qū)別。然而，遺憾的是，有的E500T-5焊絲不具備上述特征。這樣的焊絲當作堿性焊絲用在重要或重大工程結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的安全性會受到一定影響。為此，本文特意將堿性藥芯焊絲的工藝質(zhì)量與熔渣的冶金特點、熔滴過渡特性相聯(lián)系，通過兩種渣系堿性焊絲工藝質(zhì)量對比，探討堿性焊絲工藝質(zhì)量的選用原則與控制原理。該項研究對推動企業(yè)技術進步、改變經(jīng)營理念、提升產(chǎn)品競爭力，具有參考意義和實用價值。

1堿性渣系及堿性氣體保護藥芯焊絲的冶金特點

1.1堿性熔渣宏觀特征

堿性渣顧名思義熔渣的堿度高，按照文獻[2]建議的熔渣堿度計算公式，一般BI>1.5為堿性熔渣。從熔渣堿度定義出發(fā)，可以設計出多種堿性熔渣焊絲。本文選擇CaF2-CaO-SiO2和MgO-CaF2-SiO2-TiO2兩種堿性熔渣進行試驗。首先從熔渣宏觀特征說起（表1），第一種渣與酸性渣大不相同，一是色澤赭色里透著暗黃，二是渣很薄，與焊縫抓得很緊，不易脫落，必須施加外力或振動，振后易碎，脫不干凈，而且是玻璃狀渣。第二種渣與酸性渣有點接近，渣的色澤褐色里透著暗紅，渣比前者較厚，渣與焊縫抓得不牢，比較容易分離，渣是瓷石狀。其次，從渣的高溫熔化特性看，二者差別不大，面罩下看到的是典型堿性渣熔池形

貌，高溫渣的流動性很好，覆蓋性后者更滿意。最后，

必須強調(diào)的是，堿性熔渣的特性決定了該焊絲的操作特性與E501T-1酸性焊絲是不同的，主要焊接參數(shù)不同，操作技巧要用心掌握：電弧要壓低一點、焊絲傾角要大點、焊接速度適當放慢點、橫向可以擺開點。只要操作技術掌握得好，飛濺會變得較小，電弧不再那么太飄，感覺自然好多了。

1.2堿性氣體保護藥芯焊絲的冶金特點

121熔滴過渡區(qū)

從焊絲端部熔滴形成、過渡至焊縫熔池這一區(qū)間，可能發(fā)生下列化學冶金反應：

（1）熔滴、芯柱與電弧中CO2及其分解物作用

1.2.2熔池反應區(qū)

在熔池反應區(qū)將繼續(xù)進行熔滴階段的化學反應，只是反應速度和反應劇烈程度與熔滴階段不盡相同，也可能出現(xiàn)與焊條電弧焊熔池反應區(qū)不同的情況。注意到熔滴過渡中伴隨渣柱（或芯柱），以及渣柱直接進入熔池現(xiàn)象，可能導致焊接化學冶金反應不完全和冶金過程的新變化。另一方面，由于熔渣較稀，熔滴過渡過程中，熔渣未必完整包覆熔滴，熔滴的氧化對去氫有一定作用（當然，亦要考慮熔滴尺寸較大，比表面積較小因素），攜帶氫量相對較少，進入熔池氫總量小。還有，熔池輪廓清晰，裸露面較大，熔池中氣泡易于浮出。

2堿性渣氣體保護藥芯焊絲的電弧行為與工藝質(zhì)量2.1堿性渣系藥芯焊絲的電弧行為

2.1.1電弧形態(tài)

文獻[3]通過與實心焊絲的對比觀察，把藥芯焊絲的電弧形態(tài)分為四種類型：按電弧的連續(xù)性分，可以分為連續(xù)型和斷續(xù)型電??；按電弧的活動性分，可以分為活動型和非活動型電弧。實心焊絲CO2氣體保護焊時，盡管熔滴的非軸向排斥過渡形態(tài)使電弧偏離焊絲軸線，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而飄移不定，但電弧首先是在焊絲端頭的整個截面上產(chǎn)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“O”型截面藥芯焊絲（無論酸性或者堿性）CO2氣體保護焊時，熔滴雖然也是非軸向排斥過渡形態(tài)，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而發(fā)生電弧遷移，然而電弧首先是產(chǎn)生在焊絲金屬外套管上，況且熔滴的滴狀過渡并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)應屬于活動、連續(xù)型。總體上看，藥芯焊絲CO2氣體保護焊時，因為藥芯中加有穩(wěn)弧劑，電弧的挺度和穩(wěn)定性均比實心焊絲的好，焊絲的工藝性理應得到明顯的改善。

2.1.2熔滴過渡特性

2.1.2.1熔滴形成過程

觀察對接口“O”形截面藥芯焊絲熔滴形成過程，可以發(fā)現(xiàn)，進入電弧區(qū)的焊絲端部，在接口處及其附近的鋼帶首先快速熔化，而在接口的徑向處鋼帶則滯后熔化，于是很快形成了偏心熔滴懸于焊絲端部；與此同時處于焊絲端部、熔滴下方的還有滯后鋼帶熔化的所謂渣柱，有時還有滯后熔化的一小段細鋼帶。隨著焊絲不斷送進，熔滴在電弧中急速旋轉(zhuǎn)、飄移并過渡?？梢钥闯觯娀∪紵龝r，焊絲端部沿圓周方向不能同步熔化，而是沿接口處熔化速度快，接口徑向處熔化速度慢，結(jié)果出現(xiàn)偏心熔化（或馬蹄形熔化）、熔滴沿焊絲周邊懸掛運動和熔滴的非軸向過渡現(xiàn)象。至于處于熔滴下方的渣柱的形成，則是由于藥芯組成物熔點比鋼帶高所致。

2.1.2.2熔滴過渡形態(tài)

在CO2氣體保護下，這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡），其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向（熔滴與焊絲軸線夾角）。熔滴過渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用，急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現(xiàn)過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減??；當焊接電流大于某范圍值后，隨著過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利。在生產(chǎn)現(xiàn)場通常采用較大焊接電流，電弧電壓達相應數(shù)值時，這類焊絲發(fā)生短路過渡的機會較小。

2.2堿性渣系氣體保護藥芯焊絲的工藝質(zhì)量（實測）

3堿性渣系氣體保護藥芯焊絲熔敷金屬的力學性能3.1堿性渣焊絲熔敷金屬拉伸力學性能

焊絲熔敷金屬的拉伸試驗（表3）表明，兩種焊絲的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等指標都能達到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于兩種焊絲這些指標的差異，顯然是由于化學成分不同所造成。雖然堿性渣氧化性小、焊縫金屬含氧量特別低、含氫量也很低、去除S、P能力強，焊絲拉伸性能指標能被方便調(diào)整或控制，但是，與E501T-1焊絲相比，這兩種焊絲在拉伸性能方面的優(yōu)勢并不突出。該焊絲優(yōu)勢主要體現(xiàn)在焊縫韌性，特別是焊縫金屬的低溫沖擊性能非常優(yōu)秀。

堿性藥芯焊絲熔敷金屬韌性的控制包括四個方面（圖2）：首先，要控制熔渣的堿度。焊絲熔渣的堿度BI大于1.5時，能保證焊縫金屬低氫和低氧含量，而且是圖2熔敷金屬韌性控制原理方框圖

低硫、磷含量，及低夾雜物含量（晶界凈化）。第二，要控制焊縫化學成分。從兩方面入手：①控制熔敷金屬的屈強比Rel/Rm=0.85～0.95，或延強比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要時可以在焊縫中加適量的Ti、B微量元素，其目的是保證熔敷金屬形成85%以上的針狀鐵素體組織。第三，控制焊接熱輸入。進一步強化或助力焊縫中針狀鐵素體組織形成。第四，控制生產(chǎn)線裝備[7]。要保證裝備的先進性，確保送粉的均勻性和焊絲接口的密封性，防止藥粉分層，杜絕焊絲漏粉、焊絲扭曲等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，確保沖擊試件無低值數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

6結(jié)論

（1）典型堿性焊絲熔渣色澤赭色透黃、渣薄玻璃狀，渣中SiO2很少，在熔滴反應區(qū)滲硅反應被抑制，熔滴不增氧，不被細化。弧柱中氧化性及熔池面裸露有利去氫作用。

（2）該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、連續(xù)型。焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡）。實測的兩種堿性焊絲，在焊縫成形、

全位置焊接適應性等工藝性能方面有所差別，但抗氣孔性能都很滿意。

（3）堿性渣藥芯焊絲可以保證熔敷金屬低的含氧、含氫量及較少的有害雜質(zhì)，保證焊縫組織大量的針狀鐵素體，因而獲得了優(yōu)異的力學性能。第二種焊絲出現(xiàn)韌性低值試件問題，與焊絲制造過程中藥粉的均勻性、流動性等因素有關。

（4）堿性藥芯焊絲工藝質(zhì)量指標選擇的“合于使用”原則，強調(diào)產(chǎn)品特征或用戶要求，注重某些單項工藝質(zhì)量指標的研發(fā)與改進。

（5）提出了通過兩個形成焊接飛濺關鍵參數(shù)控制飛濺的技術路線，以及通過4個方面確保獲得優(yōu)異、穩(wěn)定沖擊性能的焊縫韌性控制原理。

參考文獻

[1]孫咸. 堿性渣系氣保護藥芯焊絲立向上焊接工藝[J].焊接，2003（9）：16-19.

[2]陳伯蠡. 焊接冶金原理[M].北京：清華大學出版社，1991.

[3]孫咸.氣體保護藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)的研究[J].MM現(xiàn)代制造（現(xiàn)代焊接工程），2010（2）： 57-61.

[4]中國機械工程學會，北京·埃森焊接與切割展覽會組委會.北京·埃森焊接與切割展覽會綜合技術報告[R].北京：2012：146.

[5]吳磊磊. 船舶制造高效焊接—船舶制造中高效焊接對焊材的要求[J].金屬加工（熱加工），2013（22）：21.

[6]孫咸. 鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔敷金屬力學性能的控制[J].機械工人（熱加工），2005（8）：31-34.

[7]孫咸. 藥芯焊絲生產(chǎn)線裝備特性以及與焊絲品質(zhì)的相關性[J].焊接，2011（2）：14-18

2.1.2.2熔滴過渡形態(tài)

在CO2氣體保護下，這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡），其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向（熔滴與焊絲軸線夾角）。熔滴過渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用，急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現(xiàn)過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減?。划敽附与娏鞔笥谀撤秶岛?，隨著過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利。在生產(chǎn)現(xiàn)場通常采用較大焊接電流，電弧電壓達相應數(shù)值時，這類焊絲發(fā)生短路過渡的機會較小。

2.2堿性渣系氣體保護藥芯焊絲的工藝質(zhì)量（實測）

3堿性渣系氣體保護藥芯焊絲熔敷金屬的力學性能3.1堿性渣焊絲熔敷金屬拉伸力學性能

焊絲熔敷金屬的拉伸試驗（表3）表明，兩種焊絲的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等指標都能達到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于兩種焊絲這些指標的差異，顯然是由于化學成分不同所造成。雖然堿性渣氧化性小、焊縫金屬含氧量特別低、含氫量也很低、去除S、P能力強，焊絲拉伸性能指標能被方便調(diào)整或控制，但是，與E501T-1焊絲相比，這兩種焊絲在拉伸性能方面的優(yōu)勢并不突出。該焊絲優(yōu)勢主要體現(xiàn)在焊縫韌性，特別是焊縫金屬的低溫沖擊性能非常優(yōu)秀。

堿性藥芯焊絲熔敷金屬韌性的控制包括四個方面（圖2）：首先，要控制熔渣的堿度。焊絲熔渣的堿度BI大于1.5時，能保證焊縫金屬低氫和低氧含量，而且是圖2熔敷金屬韌性控制原理方框圖

低硫、磷含量，及低夾雜物含量（晶界凈化）。第二，要控制焊縫化學成分。從兩方面入手：①控制熔敷金屬的屈強比Rel/Rm=0.85～0.95，或延強比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要時可以在焊縫中加適量的Ti、B微量元素，其目的是保證熔敷金屬形成85%以上的針狀鐵素體組織。第三，控制焊接熱輸入。進一步強化或助力焊縫中針狀鐵素體組織形成。第四，控制生產(chǎn)線裝備[7]。要保證裝備的先進性，確保送粉的均勻性和焊絲接口的密封性，防止藥粉分層，杜絕焊絲漏粉、焊絲扭曲等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，確保沖擊試件無低值數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

6結(jié)論

（1）典型堿性焊絲熔渣色澤赭色透黃、渣薄玻璃狀，渣中SiO2很少，在熔滴反應區(qū)滲硅反應被抑制，熔滴不增氧，不被細化?；≈醒趸约叭鄢孛媛懵队欣渥饔?。

（2）該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、連續(xù)型。焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡）。實測的兩種堿性焊絲，在焊縫成形、

全位置焊接適應性等工藝性能方面有所差別，但抗氣孔性能都很滿意。

（3）堿性渣藥芯焊絲可以保證熔敷金屬低的含氧、含氫量及較少的有害雜質(zhì)，保證焊縫組織大量的針狀鐵素體，因而獲得了優(yōu)異的力學性能。第二種焊絲出現(xiàn)韌性低值試件問題，與焊絲制造過程中藥粉的均勻性、流動性等因素有關。

（4）堿性藥芯焊絲工藝質(zhì)量指標選擇的“合于使用”原則，強調(diào)產(chǎn)品特征或用戶要求，注重某些單項工藝質(zhì)量指標的研發(fā)與改進。

（5）提出了通過兩個形成焊接飛濺關鍵參數(shù)控制飛濺的技術路線，以及通過4個方面確保獲得優(yōu)異、穩(wěn)定沖擊性能的焊縫韌性控制原理。

參考文獻

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[5]吳磊磊. 船舶制造高效焊接—船舶制造中高效焊接對焊材的要求[J].金屬加工（熱加工），2013（22）：21.

[6]孫咸. 鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔敷金屬力學性能的控制[J].機械工人（熱加工），2005（8）：31-34.

[7]孫咸. 藥芯焊絲生產(chǎn)線裝備特性以及與焊絲品質(zhì)的相關性[J].焊接，2011（2）：14-18

2.1.2.2熔滴過渡形態(tài)

在CO2氣體保護下，這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡），其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向（熔滴與焊絲軸線夾角）。熔滴過渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用，急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現(xiàn)過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減??；當焊接電流大于某范圍值后，隨著過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利。在生產(chǎn)現(xiàn)場通常采用較大焊接電流，電弧電壓達相應數(shù)值時，這類焊絲發(fā)生短路過渡的機會較小。

2.2堿性渣系氣體保護藥芯焊絲的工藝質(zhì)量（實測）

3堿性渣系氣體保護藥芯焊絲熔敷金屬的力學性能3.1堿性渣焊絲熔敷金屬拉伸力學性能

焊絲熔敷金屬的拉伸試驗（表3）表明，兩種焊絲的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等指標都能達到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于兩種焊絲這些指標的差異，顯然是由于化學成分不同所造成。雖然堿性渣氧化性小、焊縫金屬含氧量特別低、含氫量也很低、去除S、P能力強，焊絲拉伸性能指標能被方便調(diào)整或控制，但是，與E501T-1焊絲相比，這兩種焊絲在拉伸性能方面的優(yōu)勢并不突出。該焊絲優(yōu)勢主要體現(xiàn)在焊縫韌性，特別是焊縫金屬的低溫沖擊性能非常優(yōu)秀。

堿性藥芯焊絲熔敷金屬韌性的控制包括四個方面（圖2）：首先，要控制熔渣的堿度。焊絲熔渣的堿度BI大于1.5時，能保證焊縫金屬低氫和低氧含量，而且是圖2熔敷金屬韌性控制原理方框圖

低硫、磷含量，及低夾雜物含量（晶界凈化）。第二，要控制焊縫化學成分。從兩方面入手：①控制熔敷金屬的屈強比Rel/Rm=0.85～0.95，或延強比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要時可以在焊縫中加適量的Ti、B微量元素，其目的是保證熔敷金屬形成85%以上的針狀鐵素體組織。第三，控制焊接熱輸入。進一步強化或助力焊縫中針狀鐵素體組織形成。第四，控制生產(chǎn)線裝備[7]。要保證裝備的先進性，確保送粉的均勻性和焊絲接口的密封性，防止藥粉分層，杜絕焊絲漏粉、焊絲扭曲等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，確保沖擊試件無低值數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

6結(jié)論

（1）典型堿性焊絲熔渣色澤赭色透黃、渣薄玻璃狀，渣中SiO2很少，在熔滴反應區(qū)滲硅反應被抑制，熔滴不增氧，不被細化?；≈醒趸约叭鄢孛媛懵队欣渥饔谩?/p>

（2）該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、連續(xù)型。焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡（大角度排斥過渡）。實測的兩種堿性焊絲，在焊縫成形、

全位置焊接適應性等工藝性能方面有所差別，但抗氣孔性能都很滿意。

（3）堿性渣藥芯焊絲可以保證熔敷金屬低的含氧、含氫量及較少的有害雜質(zhì)，保證焊縫組織大量的針狀鐵素體，因而獲得了優(yōu)異的力學性能。第二種焊絲出現(xiàn)韌性低值試件問題，與焊絲制造過程中藥粉的均勻性、流動性等因素有關。

（4）堿性藥芯焊絲工藝質(zhì)量指標選擇的“合于使用”原則，強調(diào)產(chǎn)品特征或用戶要求，注重某些單項工藝質(zhì)量指標的研發(fā)與改進。

（5）提出了通過兩個形成焊接飛濺關鍵參數(shù)控制飛濺的技術路線，以及通過4個方面確保獲得優(yōu)異、穩(wěn)定沖擊性能的焊縫韌性控制原理。

參考文獻

[1]孫咸. 堿性渣系氣保護藥芯焊絲立向上焊接工藝[J].焊接，2003（9）：16-19.

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