氟堿型燒結(jié)焊劑的電弧、冶金特性及其應(yīng)用

孫 咸

（太原理工大學(xué) 焊接材料研究所，山西 太原 030024）

0 前言

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、自動化埋弧焊工藝方法中應(yīng)用得越來越多。然而并不是在所有的情況下該焊劑均能適應(yīng)工程需求，在某些情況下，焊縫壓痕、凹坑敏感性比較大，與個(gè)別牌號焊絲匹配時(shí)還出現(xiàn)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度偏低、不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象。上述問題的出現(xiàn)與焊劑的冶金特性相關(guān)，而焊劑的冶金特性亦與埋弧焊的電弧特性、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(jīng)典的文獻(xiàn)也僅限于20世紀(jì)80年代出版的少數(shù)幾本[1-3]，進(jìn)入21世紀(jì)以來，具有創(chuàng)新理論的相關(guān)文獻(xiàn)甚少。為此，本研究特意將氟堿型燒結(jié)焊劑的冶金特性與埋弧焊電弧特性、熔滴過渡相聯(lián)系，介紹該燒結(jié)焊劑的使用性能及工程應(yīng)用。該項(xiàng)研究對深入了解燒結(jié)焊劑的冶金機(jī)理，合理選用焊劑和匹配工藝，乃至開啟焊劑性能、改進(jìn)新思路，具有一定的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

1 埋弧焊的電弧形態(tài)和熔滴過渡形態(tài)

1.1 埋弧焊的電弧形態(tài)

埋弧焊的電弧是掩埋在焊劑之中燃燒的（見圖1），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(xiàn)[1]探討過該種焊接方法的電弧現(xiàn)象。認(rèn)為電弧是在焊絲周圍熔渣圍成的“空腔”內(nèi)燃燒，而且弧柱的一部分側(cè)壁直接與熔渣接觸，亦即弧柱部分地被熔渣構(gòu)成的外壁所包圍。因?yàn)槭艿诫娀〖訜岬暮竸┮a(chǎn)生一些氣體，以及熔池金屬本身含有的碳與氧結(jié)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(zhì)上的差異。實(shí)芯焊絲CO2氣保護(hù)焊時(shí)，電弧是在焊絲端頭整個(gè)截面上產(chǎn)生的，同時(shí)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(shí)芯焊絲的電弧形態(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(yīng)屬于連續(xù)、非活動型。

圖1 埋弧焊工作原理示意

1.2 埋弧焊的熔滴過渡特性

圖2 埋弧焊電弧空腔內(nèi)的熔滴過渡示意

埋弧焊電弧在焊劑空腔內(nèi)燃燒，雖然電弧的引燃可能是短路過程，且短路時(shí)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(xiàn)[1]認(rèn)為，埋弧焊中電磁收縮效應(yīng)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[3]，埋弧焊大部分熔滴呈渣壁過渡形態(tài)。所謂渣壁過渡是指脫離焊絲末端的熔滴，沿空腔內(nèi)壁滑落進(jìn)入熔池的過渡方式（見圖2）。一般低速焊時(shí)，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(jìn)而影響焊縫的成形等工藝質(zhì)量。

2 埋弧焊的冶金特性

2.1 電弧空腔內(nèi)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(xué)成分實(shí)測結(jié)果。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(yīng)區(qū)可能發(fā)生了下列反應(yīng)：

上述三式均屬于滲硅反應(yīng)，但式（2）是典型的滲Si增氧反應(yīng)，式（3）是熔滴中的碳與熔渣中的SiO2反應(yīng)可能生成CO氣體。式（1）是焊絲中錳元素的氧化燒損反應(yīng)，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，可以反映Mn氧化反應(yīng)進(jìn)行的激烈程度。

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

表1 焊絲和熔敷金屬的化學(xué)成分%

2.2 熔池反應(yīng)區(qū)的冶金過程

在熔池金屬與熔化的熔渣間進(jìn)行下列冶金過程：

式中 [FeO]為平衡時(shí)FeO在熔池金屬中的濃度；（FeO）為平衡時(shí) FeO 在熔渣中的濃度；L（T）為分配常數(shù)，其數(shù)值決定于溫度、溶質(zhì)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(zhuǎn)移，即發(fā)生[FeO]←（FeO）過程，此為擴(kuò)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(zhuǎn)移，即發(fā)生[FeO]→（FeO）過程，此為擴(kuò)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(yīng)區(qū)或熔池的后部，溫度較低，有利擴(kuò)散脫氧[FeO]→（FeO）過程的進(jìn)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(kuò)散氧化傾向比較大，焊劑對鐵銹、氧化皮敏感。同時(shí)，氟堿型焊劑熔渣中（SiO2）較少，難以與熔渣中（FeO）生成復(fù)合化合物，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散脫氧[FeO]→（FeO）過程的可能性很小。

需要指出的是，在熔池的結(jié)晶部分可能發(fā)生下列反應(yīng)：

[FeO]＋[C]=[Fe]＋CO↑ （6）

這是該類燒結(jié)焊劑焊縫中不可避免地出現(xiàn)氣孔或壓坑的重要原因。

3 氟堿型燒結(jié)焊劑的使用性能

SJ101焊劑的化學(xué)成分如表2所示。由表2可知，燒結(jié)焊劑 SJ101 具有 CaF2－MgO－Al2O3－SiO2渣系，堿度約1.8，屬于氟堿型焊劑。該焊劑具有良好的焊接工藝性能：電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，脫渣容易，在深坡口和窄間隙內(nèi)脫渣也容易。具有良好的脫硫能力，焊縫金屬中硫、磷等雜質(zhì)含量低，焊縫金屬具有較高的低溫沖擊韌性。焊縫金屬擴(kuò)散氫含量也較低，具有較好的抗裂性能。其缺點(diǎn)是高溫渣對氣泡的排出不是十分有利，焊縫金屬容易產(chǎn)生表面壓痕、凹坑。SJ101焊劑與下列焊絲配合：H08MnA、H08MnMoA、H08Mn2MoA、H10Mn2、H08MnMoTiB，可以焊接多種低碳鋼、低合金鋼等重要焊接結(jié)構(gòu)，如船舶、橋梁、鍋爐壓力容器、輸油輸氣管道等。

表2 SJ101焊劑的化學(xué)組成%

為了適應(yīng)重大工程建設(shè)的需要，相繼開發(fā)了新型專用燒結(jié)焊劑，如SJ101G、SJ101Q、SJ105Q等氟堿型系列焊劑。SJ101G焊劑是在SJ101基礎(chǔ)上，降低了MnO含量，增加了CaF2和MgO含量，提高了焊劑的堿度，降低了焊縫金屬中氧的含量，大大提高了焊縫金屬的沖擊韌性。SJ101G焊劑的焊接工藝性能與SJ101相當(dāng)，脫渣容易，焊縫成形美觀，而焊縫表面產(chǎn)生壓痕、凹坑的傾向被減小。SJ101Q、SJ105Q是氟堿型橋梁專用焊劑。與SJ101G焊劑相比，SJ101Q、SJ105Q焊劑中的CaF2含量增加，降低了SiO2含量，相對降低了氧含量，并嚴(yán)格控制S、P雜質(zhì)含量。SJ105Q焊劑的氧含量控制更加嚴(yán)格，活性成分相對減少。這類焊劑已在橋梁工程焊接中廣泛應(yīng)用[4-7]。

4 氟堿型燒結(jié)焊劑SJ101的工程應(yīng)用

泰州長江公路大橋主橋?yàn)槿煽邕B續(xù)鋼箱梁懸索橋，中塔為鋼結(jié)構(gòu)，板厚40～60 mm，其中DO節(jié)段承壓板尺寸為7 400 mm×6 500 mm×150 mm，材質(zhì)Q370qD，由三塊厚板拼焊而成。工藝試驗(yàn)板尺寸為150 mm×300 mm×1 000 mm，雙U型坡口，對接接頭。焊條電弧焊定位焊接，埋弧焊填充，兩側(cè)交替施焊，反面焊前清根，預(yù)熱溫度150℃以上，層間溫度150℃～250℃。采用表3中實(shí)例①所示的工藝參數(shù)焊接，接頭各項(xiàng)力學(xué)性能符合要求。在施工現(xiàn)場采取了有效的施工措施：a.合理的焊接順序；b.合理的預(yù)熱溫度；c.焊后緊急后熱（后熱溫度250℃～300℃，時(shí)間2 h，并保溫緩冷）；d.采用SMAW打底＋SAW填充工藝；e.保持多層多道，窄焊道、薄焊層；f.采用反變形等方法控制變形。該焊接技術(shù)取得了良好的效果，一次探傷合格率達(dá)到99.8%，四塊承壓板焊后平面度被控制在10 mm/m之內(nèi)，保證了工程的進(jìn)度和質(zhì)量。該項(xiàng)應(yīng)用顯示，焊劑SJ101q對Q370qD鋼中厚板焊接性具有良好的適應(yīng)性。

采用表3中實(shí)例②所示的參數(shù)，對材質(zhì)Q370qD、板厚44 mm、開有60°X型坡口、對接接頭的試樣進(jìn)行雙絲埋弧焊試驗(yàn)，接頭的低溫韌性出現(xiàn)了低值現(xiàn)象，改變匹配焊絲種類，接頭的低溫韌性數(shù)值優(yōu)良、穩(wěn)定。表明所用焊劑SJ101q完全適用于該鋼的雙絲焊接工藝，接頭低溫韌性出現(xiàn)低值現(xiàn)象的主要原因是匹配焊絲的種類和成分有問題。

天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司承攬的某水電座環(huán)項(xiàng)目，需要對外徑7.1 m、內(nèi)徑5.6 m、厚度250 mm的環(huán)板對接拼焊，環(huán)座材質(zhì)為Q345C鋼，開雙U型對接坡口，坡口張角20°，對接間隙3 mm?，F(xiàn)場施工時(shí)采用φ3.2 mm、J507焊條打底（I=13 A，U=21～33 V），采用表3中實(shí)例③所示的參數(shù)進(jìn)行埋弧焊接。施工中強(qiáng)調(diào)下列工藝要點(diǎn)：a.焊前預(yù)熱160℃～180℃，保持層間溫度；b.合理的焊接順序控制變形，多層多道、翻轉(zhuǎn)焊接，中間UT探傷；c.焊接中錘擊接頭區(qū)，減緩應(yīng)力；d.加裝引弧板和熄弧板；e.嚴(yán)格控制焊接熱輸入；f.焊后及時(shí)退火熱處理。該焊接結(jié)構(gòu)最終的焊接變形量被控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，所有焊縫經(jīng)探傷一次性合格，焊后熱處理消除了焊接殘余應(yīng)力，為保證后續(xù)機(jī)加工的精度奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)應(yīng)用表明，在超厚板大拘束條件下，焊劑SJ101只要匹配合理的材料和工藝，就會獲得滿意的接頭性能（含外觀變形）。

表3 采用氟堿型焊劑的埋弧焊工藝參數(shù)

鄭州黃河公鐵兩用大橋鐵路橋長1 684 m，中鐵寶橋集團(tuán)有限公司承制的第二聯(lián)采用120 m＋3×120 m＋120 m連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，用鋼量約1.4萬t，工期安排現(xiàn)場安裝需要跨冬季施工。為此開展了模擬冬季低溫環(huán)境下（－10℃～－5℃）焊接工藝試驗(yàn)。試板材質(zhì)Q370qE，板厚16 mm，開50°V型坡口，間隙6mm、25mm兩種，背面貼陶質(zhì)襯墊。為模擬橋面板實(shí)橋的約束狀態(tài)，采用了剛性碼固定裝置。采用FCAW打底＋SAW填充工藝，打底2層，厚度大于等于8 mm，第3層用表3中實(shí)例④所示工藝參數(shù)進(jìn)行埋弧焊填充、蓋面。結(jié)果表明，接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)試驗(yàn)制定了鄭州黃河公鐵兩用橋（GL-2標(biāo)段）的現(xiàn)場橋面板低溫環(huán)境焊接技術(shù)措施，確保了鄭州黃河公鐵兩用橋（GL-2標(biāo)段）冬季現(xiàn)場焊接施工不中斷。該項(xiàng)應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了焊劑SJ101q焊接Q370qE鋼時(shí)焊劑的低溫適應(yīng)性，評價(jià)應(yīng)為滿意。

5 結(jié)論

（1）埋弧焊的電弧是在一個(gè)充滿氣體的所謂空腔內(nèi)燃燒的，電弧形態(tài)應(yīng)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)。

（2）在熔滴反應(yīng)區(qū)，主要是滲硅氧化和錳元素的氧化燒損反應(yīng)，而且進(jìn)行得比較激烈。在熔池的結(jié)晶部分冶金反應(yīng)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。

（3）燒結(jié)焊劑SJ101具有良好的焊接工藝性能，較高的低溫沖擊韌性和較好的抗裂性能；開發(fā)的新型系列專用燒結(jié)焊劑，性能更加優(yōu)良，壓痕、凹坑的傾向減小，工程應(yīng)用前景看好。

（4）SJ101焊劑及其系列產(chǎn)品配合相應(yīng)的焊絲和合理的工藝，在不同的工程結(jié)構(gòu)中獲得成功應(yīng)用，焊劑的實(shí)用性評價(jià)亦獲好評。

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[1]安藤弘平，長谷川光雄.焊接電弧現(xiàn)象[M].北京：機(jī)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(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，1987：1-88.

[4]裴雪峰，張劍峰，車 平.泰州橋鋼塔厚板焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2011，41（8）：56-61.

[5]車 平，陳 輝，張劍峰，等.橋梁鋼Q370q雙絲埋弧焊研究[J].電焊機(jī)，2011，41（8）：41-45.

[6]吳長勝，張 凱，馬藝娜.大厚板埋弧焊的工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2010（20）：69－70，72.

[7]車 平，張劍峰.鄭州黃河公鐵兩用大橋鋼橋面板低溫焊接技術(shù)[J].金屬加工（熱加工），2010（22）：29-31，33.