環(huán)境溫度對手工自蔓延焊接的影響

石家莊機(jī)械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系(050003)

李志尊 韓鳳起 孫立明 辛文彤

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環(huán)境溫度對手工自蔓延焊接的影響

石家莊機(jī)械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系(050003)

李志尊 韓鳳起 孫立明 辛文彤

系統(tǒng)研究了環(huán)境溫度對手工自蔓延焊接燃燒過程和焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，環(huán)境溫度對焊接有較大影響，隨溫度升高，焊條的燃燒速度增快，燃燒劇烈；在低溫環(huán)境中，燃燒型焊條仍能夠維持燃燒反應(yīng)，但燃燒速度和焊接熱量降低，熔池能達(dá)到的最高溫度明顯降低，且冷卻速率增快；低溫環(huán)境焊接，易出現(xiàn)未焊透、未熔合、焊縫短、焊道成形差等現(xiàn)象，焊縫中出現(xiàn)氣孔、夾雜和裂紋等缺陷的傾向明顯增大。微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境溫度下銅基焊縫的微觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，均為α-Cu固溶體基體上析出網(wǎng)狀分布的富鐵第二相。力學(xué)性能分析表明，低溫環(huán)境中的焊接試件綜合力學(xué)性能較差，平均抗拉強(qiáng)度158 MPa，高溫環(huán)境焊接可達(dá)350 MPa以上。

手工自蔓延焊接 環(huán)境溫度 燃燒過程 焊接質(zhì)量

0 序 言

手工自蔓延焊接是近年發(fā)展起來的一種新型應(yīng)急焊接技術(shù)[1-3]，該技術(shù)基于自蔓延高溫合成技術(shù)(簡稱SHS技術(shù))和傳統(tǒng)焊條電弧焊方法，以自蔓延高溫合成反應(yīng)的放熱為焊接熱源，以反應(yīng)生成的金屬產(chǎn)物為填料，在無電、無氣、無設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的焊接，操作簡單、攜帶方便、焊接可靠，是工程設(shè)施野外緊急修復(fù)、戰(zhàn)場裝備應(yīng)急搶修和搶險(xiǎn)救災(zāi)的理想應(yīng)急焊接手段。

手工自蔓延焊接利用燃燒型焊條的燃燒和放熱實(shí)現(xiàn)焊接，環(huán)境因素如溫度等將對焊條的燃燒過程和焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。 文中系統(tǒng)研究了環(huán)境溫度對手工自蔓延焊接的燃燒和焊接性能的影響，為高溫、嚴(yán)寒、高原、海島等特殊環(huán)境手工自蔓延焊接技術(shù)的研究及燃燒型焊條研制奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

燃燒型焊條由外殼、藥柱及安裝于兩端的引火帽和堵頭構(gòu)成，藥柱焊藥由產(chǎn)生熱量的高熱劑、合金劑和造渣劑等添加劑組成，具體成分見表1。按化學(xué)計(jì)量比配制燃燒型焊條焊藥，在三維混料機(jī)中混合均勻，加壓成形為φ15 mm×160 mm的燃燒型焊條。以70 mm×35 mm×5 mm的Q235鋼板為焊接母材，不開坡口，對接平焊，進(jìn)行手工自蔓延焊接試驗(yàn)，觀察焊接過程。用電子秒表測定燃燒時(shí)間，計(jì)算燃燒速度；用雷泰YQ3i型紅外測溫儀測量熔池溫度，錘擊破裂觀察焊縫斷口形貌，用萬能試驗(yàn)機(jī)測定接頭橫向拉伸強(qiáng)度。

表1 藥柱焊藥成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 環(huán)境溫度對焊條燃燒速度的影響

手工自蔓延焊接試驗(yàn)在自然環(huán)境中進(jìn)行，在不同環(huán)境溫度下焊條的燃燒速度變化曲線，如圖1所示。

圖1 焊條燃燒速度與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

可見，隨著環(huán)境溫度升高，焊條的燃燒速度增快，燃燒劇烈；隨著環(huán)境溫度降低，焊條的燃燒速度減慢，燃燒趨緩。 在低溫下，燃燒型焊條仍能夠自維持燃燒，但燃燒速度降低，如在36 ℃環(huán)境中，燃燒速度為14.3 mm/s，而在-10 ℃環(huán)境中，燃燒速度為9.6 mm/s。 這是由于環(huán)境溫度高，反應(yīng)體系向外界散失熱量少，燃燒體系的溫度高，反應(yīng)中各物料質(zhì)點(diǎn)遷移速度快，反應(yīng)容易進(jìn)行，因此反應(yīng)速率加快，焊條的燃燒速度相應(yīng)增快。 速度對手工自蔓延焊接最直接的影響體現(xiàn)在焊接的可控性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊條燃燒速度在13 mm/s左右時(shí)，焊接可控性較好，焊弧穩(wěn)定，易操作。 低溫時(shí)燃燒速度低，焊接熱量也低，而高溫時(shí)燃燒速度高，燃燒猛烈，不易操作，均影響焊接質(zhì)量，可考慮適當(dāng)調(diào)節(jié)焊條中高熱劑含量在不同溫度的環(huán)境中達(dá)到適宜的燃燒速度。

2.2 環(huán)境溫度對熔池溫度的影響

在不同溫度的環(huán)境中進(jìn)行手工自蔓延焊接試驗(yàn)，測定焊接熔池所能達(dá)到的最高溫度，變化曲線如圖2所示。 焊藥發(fā)生燃燒合成反應(yīng)形成的用于焊接的火焰，稱之為燃燒弧。由圖2可見，隨著焊接環(huán)境溫度的升高，燃燒弧和熔池的溫度升高，環(huán)境溫度降低，熔池能達(dá)到的最高溫度明顯降低。 這是由于在嚴(yán)寒、冰雪天氣中，環(huán)境氣溫低，焊條燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量一方面由燃燒弧直接散失到空氣中；另一方面通過焊接試板向周圍散失，導(dǎo)致焊接熱效率降低，用于焊接的熱量減少，使熔池能夠達(dá)到的最高溫度降低。

圖2 熔池溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

環(huán)境溫度的變化由焊接時(shí)燃燒弧的亮度也可直觀看出，如圖3所示。在冬季冰雪天氣焊接時(shí)燃燒弧明顯變?nèi)酢㈩伾?，而在夏季高溫環(huán)境焊接時(shí)燃燒弧亮度明顯增強(qiáng)。 但是試驗(yàn)證明，即使在寒冷的冬季，手工自蔓延焊接仍能實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的熔化焊，不過熱量較小、溫度較低，可通過調(diào)整焊藥成分增大焊接熱量。

圖3 在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行手工自蔓延焊接

2.3 環(huán)境溫度對熔池冷卻速率的影響

焊接熔池的冷卻速率與散熱快慢有關(guān)。 手工自蔓延焊接體系向周圍空氣單位時(shí)間內(nèi)的散熱可由式(1)計(jì)算：

P=k·A·(t-t0)

(1)

式中：k為散熱系數(shù)，與周圍空氣流動(dòng)情況、試板有無灰塵雜物等有關(guān)，可認(rèn)為在不同溫度環(huán)境中散熱系數(shù)相同；A為散熱面積，由于試驗(yàn)所用試板規(guī)格尺寸相同，因此散熱面積相同；t為焊接熔池或焊縫金屬溫度；t0為環(huán)境溫度。 可見，單位時(shí)間的散熱與溫差(t-t0)呈線性關(guān)系，溫差越大，散熱越快。 由于焊接試板材料相同，散熱越快，則降溫越快，即溫差越大，冷卻速率越大。 由此可得，在低溫環(huán)境中金屬熔池(焊縫金屬)冷卻速率快，在高溫環(huán)境中冷卻速率慢。

在-15 ℃，-6 ℃，15 ℃，36 ℃環(huán)境中,利用紅外測溫儀分別測量焊縫從1 200 ℃冷卻到200 ℃所用的時(shí)間，結(jié)果見表2。 環(huán)境溫度越低，相同幅度的降溫所需時(shí)間越短，熔池(焊縫)冷卻越快。 不同溫度下的平均冷卻速率如圖4所示，隨環(huán)境溫度升高，焊縫的冷卻速率降低，而在低溫環(huán)境中，焊縫的冷卻速率明顯加快。 環(huán)境溫度為-15 ℃和36 ℃時(shí)，平均冷卻速率分別為24.5 ℃/s和7.25 ℃/s。 另外，測試結(jié)果也表明，在試驗(yàn)的4種溫度環(huán)境中，當(dāng)焊縫冷卻到接近環(huán)境溫度時(shí)，由于溫差減小，冷卻速率降低。 熱量的散失，一方面是熔池或焊縫直接向周圍散失，另一方面通過被焊試板向外界散失，加速熔池的凝固和焊縫的降溫。

表2 不同溫度環(huán)境中焊縫從1 200 ℃冷卻到200 ℃所用時(shí)間

圖4 熔池冷卻速率和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

2.4 環(huán)境溫度對接頭組織和性能的影響

圖5為在不同溫度環(huán)境中手工自蔓延焊接試件的宏觀形貌。在低溫環(huán)境中，焊條燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量快速向周圍空氣中散失，焊接熱效率低，焊接熱量少，熔池溫度低，出現(xiàn)未焊透、未熔合、焊縫短、焊道成形差等現(xiàn)象。 在高溫環(huán)境中熱量散失少，焊接熱效率高，焊道成形良好，且可達(dá)到單面焊雙面成形的效果。

圖5 焊接試件宏觀形貌

環(huán)境溫度低，熔池冷卻速度快，液態(tài)熔池存在時(shí)間短，結(jié)晶凝固快，使非金屬成分和氣體沒有足夠的時(shí)間從液態(tài)合金中上浮和溢出，渣液、氣液分離不完全，形成夾渣、氣孔等缺陷。圖6為焊接試件拉伸斷口的宏觀形貌。低溫焊件焊縫合金中有明顯的氣孔和夾雜，高溫下焊渣、氣體與焊縫金屬分離較完全，焊縫合金較均勻。 圖7為焊縫微觀組織形貌，不同環(huán)境溫度下焊縫合金的微觀組織結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，均為α-Cu固溶體基體上析出網(wǎng)狀分布的富鐵第二相，富鐵相成分見表3。 這是由于低溫環(huán)境中焊縫金屬冷卻速率雖然增快，但還不足以引起微觀組織和晶粒尺寸的改變。不過，在低溫接頭微觀組織中有明顯的夾雜存在。

圖6 焊接試件拉伸斷口

圖7 焊縫合金微觀結(jié)構(gòu)

FeCuNiCrAl79．2913．265．010．851．60

在低溫環(huán)境中熔池冷卻速度快，產(chǎn)生的應(yīng)變速率增大，且增加焊縫一次結(jié)晶的區(qū)域偏析，雜質(zhì)聚集，在焊縫收縮拉應(yīng)力場作用下焊縫中心易發(fā)生結(jié)晶裂紋。圖8為冷卻過程中焊縫中形成的結(jié)晶裂紋。

圖8 焊縫中的裂紋(-15 ℃)

利用“錘擊法”測試分析焊接接頭的綜合力學(xué)性能，低溫環(huán)境中的焊接試件比較易斷，斷裂部位發(fā)生在焊縫或焊縫和母材的接合處。力學(xué)性能測試表明，高溫環(huán)境中焊接試件抗拉強(qiáng)度達(dá)到350 MPa以上，低溫環(huán)境焊接試件由于存在裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，平均抗拉強(qiáng)度為158 MPa。

3 結(jié) 論

(1)隨著環(huán)境溫度升高，焊條的燃燒速度增快，燃燒劇烈；在低溫環(huán)境中，焊條仍能夠自維持燃燒反應(yīng)，但燃燒速度降低，在36 ℃和-10 ℃環(huán)境中，燃燒速度分別為14.3 mm/s和9.6 mm/s。

(2)隨著環(huán)境溫度降低，熔池能達(dá)到的最高溫度明顯降低，但即使在寒冷的冬季，手工自蔓延焊接仍能實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的熔化焊。

(3)環(huán)境溫度越低，金屬熔池與環(huán)境的溫差增大，散熱加快，相同幅度的降溫所需時(shí)間減少，冷卻速率增大，環(huán)境溫度為-15 ℃和36 ℃時(shí)，焊縫平均冷卻速率分別為24.5 ℃/s和7.25 ℃/s。

(4)在低溫環(huán)境中，手工自蔓延焊接易出現(xiàn)未焊透、未熔合、焊縫短、焊道成形差等現(xiàn)象，焊縫中易出現(xiàn)氣孔、夾雜和裂紋等缺陷，但焊縫合金的微觀組織并未發(fā)生變化，為α-Cu固溶體基體上析出網(wǎng)狀分布的富鐵第二相；低溫環(huán)境中焊接試件力學(xué)性能較差，平均抗拉強(qiáng)度為158 MPa。

[1] 辛文彤, 李志尊. 一種野外快速焊接技術(shù)[J]. 焊接，2005(1): 19-21.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊工手冊—手工焊接與切割[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

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[5] 殷 聲. 燃燒合成[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999.

[6] 史耀武. 焊接技術(shù)手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

2015-08-24

TG456.9

李志尊，1971年出生，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事特種焊接及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的科研和教學(xué)工作，已發(fā)表論文60余篇，已申請專利15項(xiàng)。