自蔓延焊條的焊接工藝性研究＊

門自兵， 張國棟， 李旭東， 張新佳

（1.中國電力投資集團公司寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團有限公司，寧夏 銀川750000；2.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢430072）

自蔓延焊條是近年來新出現(xiàn)的一種焊接材料，其原理是以燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物為焊接填充材料，采用手工電弧焊的方法，實現(xiàn)焊接母材的永久牢固連接.自蔓延焊條在施焊時不需要電焊機等專用設(shè)備，不需要電源和氣源，是一種典型的無電、綠色和低碳焊接材料，可以實現(xiàn)桿體、箱體和管路等的快速、原位、可控的焊接和切割.

自蔓延焊條的制備方法是，將高熱劑、造渣劑和合金劑等混合均勻制成焊粉［1－2］，在金屬或紙質(zhì)筒殼中成型，制成一端封閉一端安裝引火系統(tǒng)的棒狀物.其中，高熱劑主要由鎂粉、鋁粉等還原劑和各種氧化物、硫化物組成，提供反應(yīng)所需要的熱量；造渣劑主要由螢石、氟硅酸鈉等組成，和氧化還原反應(yīng)生成的氧化鋁等構(gòu)成低熔點復(fù)合氧化物熔渣，覆蓋在液態(tài)金屬表面，發(fā)揮冶金保護(hù)作用；合金劑主要發(fā)揮各種強化和改性作用.在自蔓延焊條的成分確定以后，影響自蔓延焊條使用性能的主要因素是焊接工藝性，包括焊藥的密實度、焊前預(yù)熱、焊接速度、試板厚度、后熱等，這些工藝因素直接影響焊條的燃燒速度、焊接可控性、焊接熔深、焊縫成形等，從而最終影響焊條的安全服役性能和焊接接頭的力學(xué)性能.本文針對手工裝藥自蔓延焊條的焊接工藝性進(jìn)行研究，從而為其工業(yè)化推廣應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)和積累實驗數(shù)據(jù).

1 焊藥密實度對焊條燃燒速度的影響

自蔓延焊條在制作過程中，將各種焊粉采用加壓、振動等方法成型于圓柱形的紙質(zhì)外殼中，壓力大小和振動速度不同則藥粉密度不同，焊條的燃燒速度和焊接可控性、劇烈程度亦隨之發(fā)生改變.本文采用手工振動裝藥方法，裝藥密度一般控制在2.2～2.9g／cm3之間，低于壓力成型方法的2.3～3.1g／cm3密度［3］.最小的密實度就是不對焊粉施加任何外力，焊粉依靠重力作用下裝入外殼時所達(dá)到的密實度.最大的密實度是裝藥過程中，不斷高速振動以墩實焊粉，直到焊粉不能收縮為止.

焊條配制和焊接實驗過程中，鋁粉顆粒度為150目，混粉時間為120s，焊筆直徑為14mm，母材采用厚度為3～5mm的Q235鋼板.測量每根焊條的長度，采用秒表記錄不同焊條的燃燒反應(yīng)時間，通過焊條長度與反應(yīng)時間的比值，獲得不同焊藥密實度下對應(yīng)的焊條燃燒速度，如表1所示.

表1 密實度對焊條燃燒速度的影響Table 1 Influence of compactness on burning speed of SHS electrode

可以看出，對于手工裝藥自蔓延焊條而言，當(dāng)焊藥密實度為2.21g／cm3時，由于焊粉比較疏松，反應(yīng)火焰較大，使反應(yīng)時間大大縮減，焊條燃燒速度很快，焊接過程難以控制，存在著噴射和濺出的危險.這主要因為三個方面因素的影響：一、當(dāng)焊條內(nèi)裝藥密度較小時，粉末間比較疏松，熱傳播以對流和輻射為主，熱傳播速度快［3－5］；二、粉末的顆粒間存在著大量的氧氣，對粉末的反應(yīng)燃燒具有推動作用；三、較小的密實度意味著單位體積內(nèi)焊粉的質(zhì)量較少，總體氧化還原反應(yīng)時間較短，也增加了燃燒速度.

隨著密實度的增大，反應(yīng)時間有所延長，主要是因為焊粉質(zhì)量的增加.當(dāng)藥粉密度為2.60～2.80g／cm3時，反應(yīng)時間和燃燒速度基本保持穩(wěn)定.試驗發(fā)現(xiàn)，裝藥密度控制在此范圍時，焊條燃燒速度基本維持在10.5mm／s右，焊接冶金反應(yīng)平穩(wěn)，反應(yīng)產(chǎn)物不發(fā)生噴濺，焊接可控性良好.這一方面說明，當(dāng)裝藥密度達(dá)到一定值后，較多的焊藥意味著較高的焊接放熱；另一方面，由于粉末間接觸面積增大，熱傳播方式由對流和輻射為主向以傳導(dǎo)和輻射為主轉(zhuǎn)變，焊接散熱加劇.隨著焊藥密實度的增加，這兩個因素進(jìn)一步平衡，熱量傳播速度基本恒定，因此隨密度增大燃燒速度不再降低，而保持穩(wěn)定.

2 焊前預(yù)熱對焊縫成形的影響

預(yù)熱指的是在施焊之前沿著焊接坡口用工具加熱焊接試件，或者把整個焊接試件放到加熱爐中進(jìn)行整體加熱.預(yù)熱主要有以下幾個作用：一是通過預(yù)熱，能排除焊接區(qū)內(nèi)的水分和氫氣，可以預(yù)防產(chǎn)生氣孔、麻面的原因；二是在寒冷的地區(qū)進(jìn)行焊接時，例如在低于0℃的環(huán)境下進(jìn)行焊接時，必須進(jìn)行預(yù)熱；三是對拘束度大的接頭區(qū)進(jìn)行焊接時，由于激冷激熱在接頭區(qū)就去產(chǎn)生收縮應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋，如果先預(yù)熱，就可以起到減小收縮應(yīng)力的作用；四是預(yù)熱可以達(dá)到減慢冷卻速度的目的，可以減輕熱影響區(qū)的淬硬，使塑性增加.在本文試驗中，被焊工件1不預(yù)熱，被焊工件2采用乙炔氣噴槍進(jìn)行加熱，使其表面達(dá)到350℃；預(yù)熱對焊接反應(yīng)時間和焊條燃燒速度的影響如表2所示.可以看出，焊筆的反應(yīng)時間和燃燒速度沒有差別，顯然是否預(yù)熱對焊筆的燃燒速度沒有影響.

表2 預(yù)熱對焊縫成形的影響Table 2 Influence of preheating on welding process

兩個工件的焊縫表面成形有很大差別.工件1表面有較大的銅顆粒附著在焊渣邊緣，出現(xiàn)了金屬和熔渣的混合現(xiàn)象；工件2表面的銅粒比較分散而且比較細(xì)小.敲渣后兩個工件的焊縫表面如圖1所示，其中工件1焊縫表面成形不均勻，表面鋪展性較差，少量金屬液堆砌在一起并出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象.工件2的表面成形比較良好，說明在焊接過程中液態(tài)金屬在焊接母材表面實現(xiàn)了較好的潤濕、鋪展和焊合.兩個試件熱影響區(qū)HAZ的金相如圖2所示，顯然預(yù)熱增大了Q235鋼HAZ區(qū)域的晶粒尺寸.這說明預(yù)熱工藝引起了焊接熱輸入的增加.

圖1 工件焊縫表面形態(tài)Fig.1 Welding shape of workpiece

圖2 HAZ金相圖（200×）Fig.2 Microstructure microscope of HAZ（200×）

實驗發(fā)現(xiàn)，采用焊前預(yù)熱工藝后，提高了自蔓延焊接的熱循環(huán)起始溫度，從而使熔池在高溫的時間延長，焊接時飛濺較大，金屬熔池流動性好，焊縫熔池熔深增大，燃燒產(chǎn)生的熱量很容易將母材熔透，達(dá)到了單面焊雙面成形的效果，焊接速度加快，提高了焊接效率.

3 焊接速度和試板厚度的影響

焊速對熔深、熔寬、焊縫成形均有明顯影響，如表3所示.焊速較小時熔深隨焊速增加略有增加，熔寬減小.但焊速達(dá)到一定數(shù)值以后，熔深和熔寬都隨焊速增大而明顯減小.若發(fā)現(xiàn)熔渣與液態(tài)金屬混合不清時，可把電弧拉長一些，同時將焊條前傾，此時，焊條與前進(jìn)方向成70°左右的角，往熔池后面推送熔渣.隨著這個操作，熔渣就被推送到熔池后面去了，待熔渣和金屬分清后，焊條再恢復(fù)正常角度繼續(xù)焊接.

焊接速度的選擇與焊接試板厚度有很大的關(guān)系.當(dāng)焊接工件是薄板時，焊接速度過慢就會焊穿，而焊接工件是厚板時，焊接速度過快就會造成未焊透等缺陷，所以要根據(jù)板厚來選擇合適的焊接速度，操作時隨時注意熔融情況進(jìn)行焊接，這是自蔓延焊條在焊接操作時需要注意的現(xiàn)象.

表3 焊接速度的影響Table 3 Influence of welding speed

焊接試板的厚度和散熱條件對焊縫成形產(chǎn)生一定的影響.被焊母材越厚，母材熔化需要的焊接熱量也就越高.同樣，被焊母材的體積越大，散熱越快，也影響焊接熱輸入對母材的熔化.同樣的裝藥40g焊粉的自蔓延焊條，焊接3mm的普通碳素鋼板時，不僅能熔透，還能達(dá)到單面焊雙面成形的良好焊接效果；焊接5mm的普通碳素鋼板，則不能焊透，焊接效果較差.

4 后熱影響

由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布和焊縫金屬的熱脹冷縮，所以伴隨焊接施工必然會產(chǎn)生殘余應(yīng)力.消除殘余應(yīng)力的最通用的方法是高溫回火，即將焊件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度和保溫一定時間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應(yīng)力降低.

將3mm厚的Q235鋼板采用相同成分的自蔓延焊條按照同樣的焊接工藝進(jìn)行焊接后，分別在200℃、300℃、400℃下進(jìn)行1h的后熱處理，焊接接頭的外形、熔深和熔寬均沒有明顯變化.說明焊接過程結(jié)束后，焊縫金屬已經(jīng)充分凝固，不受焊接后熱的影響.

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)自蔓延焊條的藥粉密實度在2.60～2.80g／cm3時，焊條燃燒速度基本穩(wěn)定在10.5 mm／s左右，焊接可控性良好.

（2）焊接預(yù)熱改善了液態(tài)焊縫金屬的潤濕和鋪展性能，促進(jìn)了金屬和熔渣的分離，增加了焊接熔深；但焊接預(yù)熱引起了HAZ區(qū)域晶粒的粗化.

（3）焊接速度影響焊縫金屬的外形，提高焊接速度能夠增加焊縫寬度；焊接試板厚度顯著影響焊接熔透性，過厚試板難以充分焊透.后熱對自蔓延焊條工藝性能沒有影響.

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