手工自蔓延立焊焊条研制过程中的问题探讨

刘浩东，张 龙，王建江，吴永胜，王晓静

(1.军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2.中国石化齐鲁分公司胜利炼油厂 气体分离车间，山东 淄博 255434)

焊接材料

手工自蔓延立焊焊条研制过程中的问题探讨

刘浩东1，张 龙1，王建江1，吴永胜1，王晓静2

(1.军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2.中国石化齐鲁分公司胜利炼油厂 气体分离车间，山东 淄博 255434)

介绍了铁基燃烧型焊条的特点及其研究现状，针对将普通铁基燃烧型自蔓延焊条应用于立焊时焊接效果不佳的事实，在普通铁基燃烧型焊条的基础上，借鉴其他焊接技术的立焊工艺原理(包括短渣、造气、活化焊、小热量短弧焊接等)，研制可应用于立焊应急焊接的燃烧型焊条，以达到利用该焊条施行简便、快捷、单兵通用的立焊抢修目的。通过大量实验认为，基于自蔓延焊条在焊接原理上的特殊性，导致在将传统的立焊工艺原理移植应用于该类型焊条时达不到预期的效果，着重从原理角度阐述了出现上述现象的原因，并指出了进一步研究攻关的方向。

手工自蔓延焊接；焊条；立焊

0 前言

手工自蔓延焊接(MSHSW)是一种新的自蔓延熔焊方法，具有无需外界能源和设备、携带使用方便、操作简单、可单兵使用和快速通用等显著优点，是野外施工、应急修复安装的理想焊接手段，有着广阔的应用前景。该方法使用的焊接材料为燃烧型焊条，是实现手工自蔓延焊接的关键[1]。目前手工自蔓延焊接技术可以对低碳钢、中碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金等金属进行焊接，焊缝与母材为冶金结合，焊接接头具有良好的综合力学性能，抗拉强度达400 MPa[2]。

但因该焊接工艺的特殊性，导致其立焊作业对操作人员技术和焊接工艺及设备的要求较高，成为制约该技术在野战应急抢修方面进一步推广和应用的瓶颈问题。

目前国内外关于手工自蔓延焊接(尤其是立焊)方面的研究很少。因此针对常用的Q235低碳钢(厚度为3 mm)为焊接材料，以普通燃烧型焊条为基础，探索分析了在研制应用于立焊作业的燃烧型焊条过程中所出现的问题，并从理论角度分析了出现问题的原因，为手工自蔓延焊接技术的广泛应用奠定理论和实验基础。

1 研制过程中出现的问题及原因

1.1 短渣对立焊效果的影响及原因

各种熔渣在冷却过程中其粘度发生不同程度的变化，这些变化对冶金及焊接工艺性能影响较大[3]，渣系类型是影响焊条工艺性能的决定性因素。为了保证熔渣和铁水在立焊时不下淌，立焊焊条的渣系应为典型的短渣，即在焊弧区内熔渣粘度小、流动性好，有利于焊接冶金反应的充分进行，熔池中的气体和夹渣能及时浮出，而当焊弧移开后，熔渣粘度迅速增大并快速凝固，以避免熔渣和铁水下淌，从而获得成形良好的焊缝。通过查阅相关文献及理论分析可知普通燃烧型焊条形成碱性渣系Al2O3-SiO2-CaO，在该碱性渣系中加入TiO2和CaCO3均可形成典型的短渣，又由于SiO2为典型的长渣物质，因此通过在焊条配方中添加适量TiO2和CaCO3，同时适当减少FeSi来进行试验。

试验过程中观察到，当TiO2和CaCO3加入量较少时，渣系没有明显变化，熔渣对熔融焊料的阻挡作用也没有明显的改善；随着两种物质添加量的增加，出现熔融金属呈球状下淌的现象，同时焊后观察发现，部分熔渣在母材焊道表面均匀铺展，熔渣阻止焊料下淌的作用仍不明显。

之所以出现上述现象主要有两方面的原因：

(1)自蔓延焊接的工艺原理特殊性所致，自蔓延焊接是以自身燃烧合成反应为热源，依靠反应放出的大量热量使受焊母材局部受热熔化，凝固熔合后形成牢固不可拆接头，生成的金属产物填充于焊接母材之间形成焊缝，形成的非金属产物浮于焊缝表面形成焊渣[4]。因此为了保证母材的熔合就必须保证焊条燃烧生成足够的热量，但焊条燃烧产生热量的多少除了受配方因素(高热剂的比例)的影响外，最关键的因素是焊药的装填量，因此自蔓延燃烧型焊条一般都有一个最小直径的下限，焊条直径低于该下限将不能使母材熔化。对于前述规格的钢板经过试验可知，焊条的最小焊接直径为8 mm，由于焊条的焊弧为自蔓延反应所形成，因此该焊弧的集中度较差，焊弧加热区域较大，随着焊弧的移动，熔渣不能及时凝结挡住熔融焊料，而熔融焊料在重力作用下不断下淌，使渣和金属不能有效分离，并在熔渣尚未凝固时即被焊料压于底部，从而显现不出短渣对熔融焊料下淌的阻挡作用，同时也形成了严重的金属夹渣。

(2)熔渣的粘度和表面张力是立焊焊条最重要的工艺参数，通常为了使熔渣能有效地托住铁水，防止铁水和熔渣下流，立焊焊条熔渣的粘度和表面张力比普通焊条的熔渣要大[5]。而加入的TiO2不但是一种典型的短渣形成物质，还能有效的降低熔渣表面张力，增加熔渣润湿性同时稀释熔渣。该物质的加入可较大幅度地降低熔渣的表面张力，使熔渣的扩展功增大，改善熔渣覆盖的均匀性和焊缝成形[6]。因此在TiO2加入量较小时其短渣效果不明显，随着TiO2加入量的增加所具有的降低熔渣表面张力和稀渣作用逐渐显现，最终出现了熔渣均匀铺在母材表面，熔融金属呈球状下淌的现象。

1.2 造气剂对立焊效果的影响及原因分析

造气剂的主要作用是使焊弧产生较大的吹力，较大的焊弧吹力主要有四个功能：(1)在立焊时能有效地托住熔滴和铁水，防止其下淌或下流；(2)打底焊时保证焊透，反面形成焊缝；(3)下行焊条熔渣粘度较大，较大的焊弧吹力加强了熔池的搅拌作用，有利于气体的逸出，防止气孔产生；(4)造气剂分解产生的CO2气体具有较大的热导系数，起到快速冷却焊缝的作用，同时起到了保护焊缝和防止熔融焊料下淌的作用。

立焊焊条中常用的造气剂主要有大理石(CaCO3)和纤维素(有机物)两种，经综合考量决定以大理石为造气剂，主要是基于两个因素：(1)利用纤维素作为造气剂，容易使焊缝增氢而导致气孔、白点以及机械性能不稳，大直径焊条对此更为敏感[7]，同时焊接烟尘大而使劳动条件差，并且传统的纤维素型立焊焊条不适用于平焊[8]，因而也不利于自蔓延焊条全位置焊接的后续研究开发；(2)采用大理石作为低氢碱性焊条的主要造气剂，其分解产物为CaO和CO2[9]，而CaO的熔点较高，因此通过在焊条配方中通过加大w(CaCO3)，可促进熔渣凝固温度及增大粘度，同时由于CaO是由强正离子Ca2+与氧负离子O2-结合而成的，且其键合能力很大，这将导致凝固温度上升[10]，从而有助于形成短渣。

在试验过程中，首先在原配方的基础上逐步添加CaCO3，试验发现，当CaCO3的加入量较少时随着CaCO3量的增加，能观察到较小的吹力，焊条燃烧速度明显减慢，焊弧颜色变红，超过一定的范围后随着CaCO3加入量的增加焊弧吹力反而减小，甚至出现吹力小于普通燃烧型焊条的现象，同时观察到母材未熔合现象；随后在热力学理论计算的基础上增加高热剂的量，减少稀释剂的量，同时继续增加CaCO3的加入量，观察到在一定范围内随着CaCO3量的增加，吹力有了明显的增加，且焊弧颜色变淡偏蓝，当加到一定量时吹力维持一定值(最大值)，继续加入则发现燃烧速度明显减慢，且吹力迅速减小，焊弧颜色也由淡变红。试验后发现，试验过程中的焊条吹力最大时对熔融焊料所起的托力作用也较小，同时焊缝夹渣严重，在焊缝金属下部与母材表面之间铺展有一层熔渣。并且应用CaCO3加入量较多的焊条进行立焊时极易出现焊偏的现象。

出现上述实验现象的主要原因也是自蔓延焊条焊接原理的特殊性所致。CaCO3在高温下受热分解产生CO2气体为典型的吸热反应，经热力学计算可得，在忽略产生的CO2气体二次分解热效应的前提下，每克CaCO3分解所吸收的热量为8.61 kJ，因此在原配方的基础上加入CaCO3后焊条的总热量明显减少，而使焊条燃烧速度明显减慢，当加入量较小时，热量使加入的CaCO3分解产生气体，因而可观察到一定的吹力，但加入量较小产生的气体也较少，同时焊条总产热量的减少使燃烧绝热温度降低，因而焊弧颜色变红，在此基础上继续添加CaCO3时，总热量继续减小，使CaCO3的分解减缓，同时焊条燃烧速度也进一步减慢，因而出现焊弧吹力反而小于普通燃烧型焊条的现象；在添加高热剂和减少稀释剂后继续添加CaCO3时，开始阶段吹力较先前明显增强，焊弧颜色变淡偏蓝，原因同上，即焊条产热量增大，CaCO3分解产气量增加，分解反应较剧烈。继续增加CaCO3的量，吹力继续增加至维持一个稳定值，此时热量恰好满足CaCO3的分解，继续加入CaCO3则重复初期试验的现象。试验中发现若继续在添加高热剂和减少稀释剂的情况下增加CaCO3的量，焊接状况将变的极差，因此CaCO3的加入量有一个最大值，但CaCO3添加量最大值时所产生的气体吹力与其他立焊技术所产生的吹力相比仍很小，并不足以对熔融焊料的下淌产生明显的托力作用。此外CaCO3除了具有造气的作用外，还具有短渣和减少熔渣表面张力的作用，因此试验中加入CaCO3较多时，熔渣的粘度增大较多同时熔渣与母材的润湿性将得到改善，故出现焊缝夹渣严重，在焊缝金属下部与母材表面之间熔渣均匀铺展的现象。对易出现焊偏现象的原因进行分析，认为该现象不能简单的归结为操作者技术问题，其主要原因有以下五点：(1)焊料与母材的润湿性较差，在焊料下淌过程中遇到焊条和焊弧(短弧)的阻碍易发生改道，而发生焊偏(流偏)；(2)立焊焊条热量较小，因而实际形成的熔池也较小，从而焊道较窄，熔融焊料下淌时不容易沿焊道下流填充焊缝；(3)加入造气剂和短渣剂使焊渣与母材的润湿性得到改善，在由下向上焊接时，下部焊道上熔渣阻碍焊料流动而发生流偏；(4)下部焊道熔渣铺展在两板对接位置而阻碍焊料金属渗入焊缝接头，影响焊缝成形；(5)在焊接时由于角度的问题施焊人员不能很好的观察和掌握焊缝和熔池位置。

1.3 活化剂对立焊效果的影响及原因分析

活性剂焊接是近十几年来发展起来的增大焊接熔深、改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。早期主要集中在A-TIG焊，已在碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金的焊接中有了成功的应用[11]。研究结果表明，把某种物质成分的活性剂涂敷在被焊件母材焊接区，正常规范下焊接熔深将大幅度提高[12]。常用的活性剂主要有氧化物、氟化物和氯化物三大类，活性剂对熔深的影响机理主要有两种学说：一种是活性剂在电弧高温下蒸发后以原子形态包围在电弧周边区域，由于电弧周边区域温度较低，活性剂蒸发原子扑捉该区域中的电子形成负离子并散失到周围空间，使电弧中的电子数呈现减少趋势，电弧导电性能减弱，最终造成电弧自动产生收缩、热量集中、电弧力集中，从而使焊接熔深增加[13]；第二种机理是著名的表面张力影响学说，其基本观点认为，普通焊接金属熔化状态下其表面张力具有负的温度系数，而当熔池金属中存在某种微量元素或接触到活性气氛时，表面张力数值降低并且转变为正的温度系数，从而使熔池金属形成从熔池周边向着熔池中心区的表面张力流，熔池中心区的电弧热量通过液态金属的流动直接传向熔池底部，对熔池底部的加热效率提高，从而形成更大的熔深[14]。将活性剂引入本课题来进行立焊方面的影响正是利用了上述活性剂的第二个作用机理，以期能通过涂覆某种活性剂来改善熔池与母材的润湿，同时可利用较小热量的焊条实现试件的焊接，从而有利于抑制熔融焊料的下淌。

通过查阅相关文献，氯化物类活性剂在焊接高温状态下会形成对人体有害的易挥发有毒气体，目前各国均已不再采用该类物质进行研究；氟化物因具有较强的稀渣作用不利于方向性焊接，且在焊接过程中也会产生一定的有毒气体，不宜应用。因此经综合考量决定采用氧化物类作为试验的研究对象，并最终决定以目前国内外研究较多的TiO2和SiO2为研究对象。试验中将不同活性剂粉末研磨，并用丙酮(或无水酒精)作为分散剂，调成糊状后均匀涂覆在待焊试件的表面，待所涂活性剂晾干后用选定的焊接工艺参数连同涂刷区和未涂刷区一次施焊。焊后观察焊缝表面成形情况。横向切割涂刷区和未涂刷区焊缝，制取试样，测量熔深和熔宽。

试验过程中发现，涂覆不同种类不同量的活性剂后对原配方燃烧型焊条的焊接效果影响不明显。焊接熔深和焊缝成形情况与不用活性剂时相差无几。因此初步认为活性剂在自蔓延焊接中的活化作用不明显，究其原因主要是自蔓延焊接的工艺原理特殊性造成的，自蔓延焊接是以自身反应的化学热为热源，以自身熔融产生的金属为填充物，同时生成焊渣等。因而在普通燃烧型焊条配方中，为了满足焊接效果的需要，均已存在了不同量的各种成分，因此普通燃烧型焊条焊接时的熔深和焊缝成形就相当于添加活性剂后的效果；由于只有当活性剂少量涂敷时才对焊接熔深的增加有显著效果，当活性剂涂敷量大于0.7 mg／cm2后，焊接熔深的变化基本处于饱和[15]，因此在待焊试件表面再额外涂覆活性物质时达不到预期效果。

1.4 小热量短弧焊接对立焊效果的影响及原因分析

利用传统焊条电弧焊进行立焊作业时，要求所用焊接电流应比平焊时小10%～15%，以避免过多的熔化金属下淌；应采用短弧焊接，以避免电弧过长所造成的熔滴下淌及严重飞溅[16]。基于此，本课题研究通过调整自蔓延焊条高热剂、稀释剂和其他具有显著热效应的成分的相对量来改变焊条总产热量，从而研究应用小热量短弧状态下的燃烧型焊条进行立焊时的现象。

通过分析可知在燃烧型焊条各组成成分中，对普通燃烧型焊条的总热量起主要作用的是高热剂的相对量和稀释剂的添加量。

高热剂方面，在普通燃烧型焊条中主要存在以下两个高热反应[17]

单纯采用CuO+Al系铝热剂作为高热剂，其燃烧热大、绝热温度高，燃烧合成反应生成的焊缝金属为Cu基合金，焊缝抗拉强度约400 MPa，但进一步提高强度十分困难，而单纯选用Fe2O3+Al系作为高热剂，燃烧产生的热量不足以实现钢板的焊接[18]。因此普通燃烧型焊条采用两种高热剂以一定比例混合提供热源。

稀释剂方面，焊条组成中单纯用作稀释剂的物质主要有CuO和Fe2O3，其余几种相关成分(如脱氧剂、造渣剂等)除了其主要功能外也兼有稀释剂的作用。CuO和Fe2O3这两种稀释剂主要是通过受热相变的机理来稀释热量的，另外上述两种物质除用作稀释剂外，还具有填缝金属的作用。

试验中按上述机理调整高热剂和稀释剂的比例，使焊条的总产热量变动范围为836～1 519 kJ。试验过程中发现焊条的产热量对立焊焊接效果有一定的影响，但无规律性的对应关系，且随着焊条产热量的减少，焊料下淌的现象虽有所改善但仍较严重，甚至当焊条热量减至母材不能熔融的程度时仍会出现熔融焊料下淌的现象，并出现几组较小热量焊条焊穿试板的反常现象。

分析认为，应用传统手弧焊立焊时采用小电流和短焊弧的主要目的是为了控制熔池不下淌，而自蔓延焊接是以自身反应热为热源母材，反应生成熔融物质为填缝金属，因此在减小焊条热量时，母材熔化形成的熔池随着减小，但焊条自身反应生成的熔融焊料量并没有明显减少，而自蔓延焊接时液态金属的下淌主要是焊条反应生成的填缝焊料，因此观察到熔融焊料的下淌并没有随着焊条热量的减小而明显改善。至于出现小热量焊条使焊件异常烧穿的现象，分析原因为在调节焊条热量变小的过程中使熔融焊料与母材的润湿性变差，使该几组焊条立焊时的熔融焊料下淌加剧，导致母材被熔融焊料覆盖保护的时间变短，而使焊弧直接加热母材表面的时间变长，最终导致母材表面受热时间过长(热量过大)而熔穿。

2 结论

(1)自蔓延燃烧型焊条配方中的各组分在焊接中过程中同时会起几种作用，且由前期试验可知，各组分之间还有着复杂的交互作用，因而在原焊条成分基础上线性添加造气剂或短渣剂时，将改变原先各组分之间的相互关系，从而对立焊效果的改善达不到预期。基于此，在后续的研究中应在实验和理论分析的基础上，采用均匀设计法或正交设计法，对普通燃烧型焊条的配方进行优化设计。

(2)涂覆活性剂和单纯采取减小焊条的产热量及利用短弧等焊接工艺的改变对提高燃烧型焊条的立焊性能的效果不明显。

(3)为后续的对适用于立焊的燃烧型焊条的研制做了必要的理论和试验准备，明确了研究思路，认识到改善燃烧型焊条的立焊性能应从采取改变焊条的物理结构和对焊条的配方组分进行优化设计两方面着手，利用各方面的综合因素使所研制的燃烧型焊条的立焊性能得到明显改善。

[1]辛文彤，马世宁，李志尊，等.手工自蔓延焊接技术[J].热加工工艺，2007，36(23)：18-20.

[2]辛文彤，马世宁，李志尊，等.元素Cr对手工自蔓延焊接接头组织性能的影响[J].热加工工艺，2009，38(17)：5-7.

[3]储少军，刘海洪，刁淑生，等.区分“长渣”和“短渣”的新方法[J].钢铁，1990，25(12)：27-31.

[4]姚军刚，辛文彤，李志尊，等.45钢手工自蔓延焊接熔合区组织和性能分析[J].热加工工艺，2008，37(17)：108-110.

[5]唐伯钢.低碳钢与低台金高强度钢焊接材料[M].北京：机械工业出版杜，1987.

[6]杨元修.低氢型向下立焊焊条特殊工艺性能的探讨[J].热加工工艺，1999(7)：29-30.

[7]张清辉，吴宪平，洪 波.焊接材料研制理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[8]胡连海，黄 坚，任德亮，等.新型多功能全位置立向下焊条的开发[J].焊接学报，2008，29(11)：49-52.

[9]崔 伟，李志提，高盛平.立向下E5048低氢铁粉焊条的研制[J].热加工工艺，2003，32(3)：41-42.

[10]苏仲鸣.焊剂的性能和使用[M].北京：机械工业出版社，1987.

[11]陈 俐，胡伦骥，巩水利.活性剂焊接技术的研究[J].新技术新工艺，2005(4)：39-42.

[12]Gurevich S M，Zamakov V N.Some characteristic features of the welding of titanium with a non-consumable electrode using fluxes[J].Art.Svarka，1966(12)：13-16.

[13]Simonik A G.The effect of contraction of the arc discharge upon the introduction of electron negative elements[J].Welding Production，1976(3)：49-51.

[14]Heiple C R，Roper J R.Mechanism for minor dement effect on TIG fusion zone geometry[J].Welding Journal，1982(4)：97-102.

[15]杨春利，牛尾诚夫，田中学.表面活性剂对TIG焊电弧现象及焊接熔深的影响[J].机械工程学报，2000，36(12)：43-46.

[16]张文明，焦万才，刘兆甲.焊条电弧焊[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[17]Munir Z A.Self-propagation Exothermic Reaction：The Synthesis of High-temperature Materials by Combustion Materials Science Report[R].1989：277-365.

[18]辛文彤，马世宁，李志尊，等.Fe基手工自蔓延焊接接头的组织和性能[J].焊接学报，2009，30(10)：73-76.

Discussion on vertical welding rod of manual SHS welding during development stage

LIU Hao-dong1，ZHANG Long1，WANG Jian-jiang1，WU Yong-sheng1，WANG Xiao-jing2
(1.The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Gas separating shop of Shengli oil refinery，QiLu Petrochemical Company，SINOPEC，Zibo 255434，China)

The feature and current status of manual SHS welding rod was introduced.In allusion to the fact that the vertical welding effect was extraordinary bad when used with common Fe-base SHS welding rod，the SHS welding rod applicable for the vertical welding was developed by drawing lessons from the other vertical welding technology，including short slag，produce gas，activating flux，short arc as well as little heat，in order to let the use of SHS welding rod easy and convenience when there are vertical welding operation.After a large number of experiment，which suggest that the expected welding effect cannot be achieved when bring the tradition vertical welding principle into the SHS welding because of the special principle of SHS welding.This paper will explain the reason of the phenomenon above from the angle of principle on emphasis，and the farther research orientation was indicated.

manual SHS welding；welding rod；vertical welding

TG422.1

A

1001-2303(2011)12-0077-05

2011-07-05

军队科研计划资助项目

刘浩东(1986—)，男，山东淄博人，硕士，主要从事自蔓延焊接的开发与应用。