烧结焊剂的冶金过程及工艺质量控制

时间：2024-07-28

孙咸

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原 030024）

0 前言

氟碱型烧结焊剂在埋弧焊工艺发展道路上，经历了逐渐被认可而后满意的工程应用过程，近年来所占焊材市场份额越来越多。然而并不是在所有的情况下该焊剂均能适应工程需求，在一些情况下，焊缝压痕、凹坑敏感性比较大，与个别牌号焊丝匹配时还出现熔敷金属抗拉强度偏低、不达标等现象。上述工艺质量问题的出现与焊剂的冶金过程相关，而焊剂的冶金过程亦与埋弧焊的电弧特性及熔滴过渡密不可分。迄今为止，介绍埋弧焊电弧和冶金特性较经典的文献，也仅限于上世纪80年代出版的有数几本[1-3]，进入本世纪以来，具有创新理论的相关文献甚少。为此，本文特意将氟碱型烧结焊剂（SJ101）的冶金过程、电弧行为与焊剂的工艺质量相联系，探讨焊剂的工艺质量影响因素和控制方法。该项研究对深入了解烧结焊剂的冶金机理，合理选用焊剂和匹配工艺，乃至开启焊剂性能改进新思路，具有一定的参考意义和实用价值。

1 氟碱型烧结焊剂的冶金过程

1.1 电弧空腔内的冶金过程

表1列出了埋弧焊试样的焊丝和熔敷金属化学成分实测结果。其中，试验条件：I=550～620 A，U=28～30 V，可以看出，与焊丝成分相比，熔敷金属成分中的Mn和C的含量减少了，而Si的含量增加了（P 和S含量也有变化）。这是由于在氟碱型渣系中含有少量的SiO2。在熔滴反应区可能发生了下列反应：

表1 焊丝和熔敷金属的化学成分（质量分数，%）

上述3 式均属于渗硅反应，但（2）式是典型的渗Si增氧反应，（3）式是熔滴中的碳与熔渣中的SiO2反应可能生成CO 气体。（1）式是焊丝中锰元素的氧化烧损反应，由于焊剂渣中加入（MnO）较少，锰的过渡系数通常不高，约为0.60 左右，可以反映Mn 氧化反应进行的激烈程度。

在熔滴反应区，主要是渗硅氧化和锰元素的氧化烧损反应，而且进行得比较激烈。在熔池反应区，上述反应也可能进行，但反应的激烈程度可能较弱。埋弧焊电弧空腔内充满了焊丝、焊剂熔化和加热后产生的气体（含金属和非金属矿物蒸汽）。

1.2 熔池反应区的冶金过程

在熔池金属与熔化的熔渣间进行下列冶金过程：

式中 [FeO]——平衡时FeO 在熔池金属中的浓度；

（FeO）——平衡时FeO 在熔渣中的浓度；

L（T）——分配常数，其数值决定于温度、溶质FeO、熔池和熔渣两相的物理特性。

熔渣中的（FeO）向熔池金属中[FeO]转移，即发生：[FeO]←（FeO）过程，此为扩散氧化。该过程使熔池金属氧化，含氧量增加。熔池金属中的[FeO]向熔渣中（FeO）转移，即发生：[FeO]→（FeO）过程，此为扩散脱氧。该过程使熔池金属含氧量减小，熔池金属被脱氧。

在熔池反应区，或熔池的后部，温度较低，有利于扩散脱氧[FeO]→（FeO）过程的进行。虽然氟碱型焊剂熔渣中（FeO）较少，但氟碱型焊剂熔渣的分配常数L（T）比酸性焊剂熔渣的小，因此该渣系焊剂的扩散氧化倾向比较大，焊剂对铁锈、氧化皮敏感。同时，氟碱型焊剂熔渣中（SiO2）较少，难以与熔渣中（FeO）生成复合化合物，实现扩散脱氧[FeO]→（FeO）过程的可能性很小。

需要指出的是，在熔池的结晶部分可能发生下列反应：

这是该类烧结焊剂焊缝中不可避免地出现气孔或压坑的重要原因。

2 氟碱型烧结焊剂的电弧行为与工艺质量

2.1 电弧形态和熔滴过渡形态

2.1.1 电弧形态

埋弧焊的电弧是掩埋在焊剂之中燃烧的如图1所示，从外部看不到电弧发出的弧光和电弧形态。早期有文献[1]探讨过该种焊接方法的电弧现象。认为电弧是在焊丝周围熔渣围成的“空腔”内燃烧，而且弧柱的一部分侧壁直接与熔渣接触，亦即弧柱部分地被熔渣构成的外壁所包围。因为受到电弧加热的焊剂要产生一些气体，以及熔池金属本身含有的碳与氧结合放出CO气体，因此可以想象在电弧区附近的气体行为是活跃的。但是埋弧焊电弧与气体中的电弧有本质上的差异。实心焊丝CO2气保护焊时，电弧是在焊丝端头整个截面上产生的，同时熔滴在短路过渡瞬间会出现电弧瞬间熄灭现象，因此实心焊丝的电弧形态属于活动、断续型。而埋弧焊丝熔滴的过渡是沿“空腔”的渣壁向下滑落的，并未出现电弧瞬间熄灭现象，因此该类焊接方法的电弧形态应属于连续、非活动型。

图1 埋弧焊工作原理示意图

2.1.2 熔滴过渡特性

埋弧焊电弧在焊剂空腔内燃烧，虽然电弧的引燃可能是短路过程，且短路时间非常短，但焊丝熔化金属的过渡方式却排除了短路过渡形态。文献[1]认为，埋弧焊中电磁收缩效应的作用力很大，相信其焊丝端部熔化金属是以颗粒状过渡的。X 射线高速摄影观察表明，埋弧焊大部分熔滴呈渣壁过渡形态[3]。所谓渣壁过渡是指脱离焊丝末端的熔滴，沿空腔内壁滑落进入熔池的过渡方式（图2）。一般低速焊时，熔滴沿电弧前面渣壁过渡较多，焊接速度加快后，熔滴沿电弧后面渣壁过渡较多。此外，亦不排除少数熔滴以滴状直接过渡。熔滴的大小和过渡频率可能受到焊接电流和焊剂特性的控制，进而影响焊缝的成形等工艺质量。

图2 埋弧焊电弧空腔内的熔滴过渡示意图

2.2 工艺参数对焊剂工艺质量的影响

埋弧焊的电参数直接控制“空腔”内的电弧及熔滴过渡行为，进而影响它的焊接冶金过程和工艺质量。表2是在已给参数（I=450 A, U=30 V, ν=23 m/h,焊丝伸出长度= 25 mm，电源极性：直流反接，焊剂厚度=25 mm，焊剂粒度：标准粒度）基础上，单参数变化时焊剂工艺质量试验结果。可以看出，在本文试验条件下（试验用参数幅度变化有限），焊接电流增大时主要影响焊缝余高量增高，电流过大还使焊缝压坑敏感。这是因为电流过大后熔滴细化，携带进入熔池的氢总量增多，同时熔深过大使熔池中气体逸出路径增大所致。电弧电压升高时电弧长度变长，电弧飘移不稳，由于电弧空腔受到焊剂保护，表面氧化色变化并不大，熔深减小、熔宽增大，有利于气体逸出，熔滴不被细化亦是压坑不太敏感因素之一。焊接速度增大时主要使熔宽变窄，若是速度过快时，熔池存在时间太短了，熔池中气体逸出条件恶化（尤其是熔池边缘气体逸出困难），很容易出压坑。焊丝伸出长度太长时，电阻热使焊丝熔化速度加快，焊缝余高增大，但对压坑影响不明显，这是因为焊丝伸出长度在有限范围变长，没有增大熔池中氢含量，也没有恶化氢的逸出条件。焊剂堆高厚度增大时，对工艺指标影响不太明显，但过厚时透气性受到阻碍，使焊缝压坑敏感。焊剂含水量升高时熔滴气爆干扰电弧使电弧不稳、弧气氧化使渣中氧化亚铁剧增使脱渣变差、表面氧化色加重、进入熔池的水分使焊缝压坑剧增。

表2 焊接参数对焊剂工艺质量影响试验结果（φ4mm焊丝、直流反接）

焊剂粒度对工艺质量的影响较复杂。为了掌握焊剂粒度配比对工艺性的影响规律，采用直径φ4 mm的H08A焊丝和SJ101焊剂，在20 mm 厚Q235钢板制成90°十字接头船形位置角接头上施焊，焊机型号为MZ-1000，直流反接，用三种焊剂在不同的焊接规范下施焊：①号焊剂为市售的SJ101 烧结焊剂，虽说粗细粉混合，但该焊剂细粉较多；②号焊剂是把①号焊剂用20目筛子过后留在筛子中的较粗的焊剂; ③号试样是把①号焊剂用20 目筛子过后的细粉焊剂。试验结果见表3。可以看出，焊剂粒度对电弧稳定性、焊缝成形，以及脱渣性的影响并不明显，主要对焊缝中的压坑有影响。含有较多细粉的①焊剂对焊缝凹坑敏感；减少或去除细粉后的焊剂焊缝中的凹坑明显减少；全部为细粉的焊剂焊缝有凹坑，但比混合粉凹坑少；全细粉大电流焊接反而不出凹坑；全粗粉大电流焊接也不出凹坑。

表3 焊剂粒度对焊剂工艺质量的影响

含有较多细粉的焊剂对焊缝凹坑敏感的试验结果，与文献[1]中“全部为细粉焊剂时，具有较小的堆积密度，焊剂颗粒间空隙反而较多，其透气性较好”的观点不一致。原因是，在这种情况下，可能破坏了焊剂应有的粒度搭配及分布，致使焊剂的透气性变差。大电流焊接时，电弧空腔体积较大，不仅熔池存在时间相对较长，而且空腔内冲出的气体压力增大，无论全细粉焊剂或全粗粉焊剂的透气性都可能得以改善，焊缝表面凹坑倾向减小。不难看出，为了控制焊剂粒度对凹坑的影响，所用焊剂颗粒度大小比例要适度，搭配应均匀。大小粒度数量比例不当时反而使堆积密度增加，把颗粒间的空隙填死，堵住气体排出的通道，使焊缝表面产生凹坑的机会增加。不仅如此，焊剂颗粒度与焊接电流的匹配关系也是控制凹坑产生的可调因素。

从以上工艺参数对焊缝质量指标的影响看，主要的问题是焊缝中压坑倾向。其中影响最突出的参数首推焊剂中的水分，可以说，焊剂中水分的增大对应着压坑倾向的直线上升。其次是焊剂的粒度及粗细粉比例对压坑倾向的影响，情况比较复杂。再其次是焊接速度的影响。就压坑产生原理而论，焊剂中水分是内因，其他参数是外因。对脱渣性影响较为明显的是焊剂中的水分，然有文献报道[4]，焊接参数匹配不当也会影响脱渣性。

3 氟碱型烧结焊剂工艺质量的控制

氟碱型烧结焊剂涉及的工艺质量包括稳弧、成形、脱渣、焊接缺陷，以及熔敷金属化学成分、力学性能等方面。论文重点探讨用户反应强烈的、焊缝中压坑的控制。焊缝中凹坑控制的基本思路有两条：一是从源头上控制焊剂中的水分，尽量使焊剂含水量低于0.10%[5]；二是控制或改善熔渣中气体逸出条件。可供实际应用的凹坑控制原理如图3所示。当采用焊剂低水分控制时，应当尽量采用不含或少含结晶水的原材料，对含结晶水的原材料进行去除结晶水预处理，同时提高焊剂烘干温度和复烘温度。当采用控制熔渣中气体逸出条件时，可能有三条途径：一是适当增大熔渣的碱度，即在焊剂中加入适量碱性氧化物，使熔渣变稀，气体容易逸出；二是调整熔渣中氧化物种类和比例，即调整配方设计，适度降低熔渣粘度，或调整熔渣熔点到最佳或较好，有利气体逸出；三是适当减慢焊接速度，延长熔池存在时间，改善熔池中或熔池与熔渣界面间气体逸出条件。如此这样，焊缝中的压痕、凹坑倾向当会显著减小。诚然，在工程应用中，焊接规范参数的合理选用和调整，亦是避免凹坑出现的不可忽视的辅助环节。

图3 焊缝中凹坑控制原理方框图

上述思路中，第一条比较容易实施，已被广泛采用。第二条改善熔渣中气体逸出条件方面，熔渣的碱度过高，电弧不稳，成形不好，也会产生凹坑；熔渣粘度和熔点的控制需要恰到好处，否则效果不会明显。从使用者（即用户）观点看，上述思路所列第二条前两款，主要针对的是焊剂生产单位，生产单位有义务使成品焊剂的性能达到国标技术要求，其中亦包含对焊缝中压痕和凹坑的禁止要求。