自蔓延焊条的焊接工艺性研究＊

门自兵， 张国栋， 李旭东， 张新佳

（1.中国电力投资集团公司宁夏青铜峡能源铝业集团有限公司，宁夏 银川750000；2.武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉430072）

自蔓延焊条是近年来新出现的一种焊接材料，其原理是以燃烧合成反应产物为焊接填充材料，采用手工电弧焊的方法，实现焊接母材的永久牢固连接.自蔓延焊条在施焊时不需要电焊机等专用设备，不需要电源和气源，是一种典型的无电、绿色和低碳焊接材料，可以实现杆体、箱体和管路等的快速、原位、可控的焊接和切割.

自蔓延焊条的制备方法是，将高热剂、造渣剂和合金剂等混合均匀制成焊粉［1－2］，在金属或纸质筒壳中成型，制成一端封闭一端安装引火系统的棒状物.其中，高热剂主要由镁粉、铝粉等还原剂和各种氧化物、硫化物组成，提供反应所需要的热量；造渣剂主要由萤石、氟硅酸钠等组成，和氧化还原反应生成的氧化铝等构成低熔点复合氧化物熔渣，覆盖在液态金属表面，发挥冶金保护作用；合金剂主要发挥各种强化和改性作用.在自蔓延焊条的成分确定以后，影响自蔓延焊条使用性能的主要因素是焊接工艺性，包括焊药的密实度、焊前预热、焊接速度、试板厚度、后热等，这些工艺因素直接影响焊条的燃烧速度、焊接可控性、焊接熔深、焊缝成形等，从而最终影响焊条的安全服役性能和焊接接头的力学性能.本文针对手工装药自蔓延焊条的焊接工艺性进行研究，从而为其工业化推广应用奠定坚实的理论基础和积累实验数据.

1 焊药密实度对焊条燃烧速度的影响

自蔓延焊条在制作过程中，将各种焊粉采用加压、振动等方法成型于圆柱形的纸质外壳中，压力大小和振动速度不同则药粉密度不同，焊条的燃烧速度和焊接可控性、剧烈程度亦随之发生改变.本文采用手工振动装药方法，装药密度一般控制在2.2～2.9g／cm3之间，低于压力成型方法的2.3～3.1g／cm3密度［3］.最小的密实度就是不对焊粉施加任何外力，焊粉依靠重力作用下装入外壳时所达到的密实度.最大的密实度是装药过程中，不断高速振动以墩实焊粉，直到焊粉不能收缩为止.

焊条配制和焊接实验过程中，铝粉颗粒度为150目，混粉时间为120s，焊笔直径为14mm，母材采用厚度为3～5mm的Q235钢板.测量每根焊条的长度，采用秒表记录不同焊条的燃烧反应时间，通过焊条长度与反应时间的比值，获得不同焊药密实度下对应的焊条燃烧速度，如表1所示.

表1 密实度对焊条燃烧速度的影响Table 1 Influence of compactness on burning speed of SHS electrode

可以看出，对于手工装药自蔓延焊条而言，当焊药密实度为2.21g／cm3时，由于焊粉比较疏松，反应火焰较大，使反应时间大大缩减，焊条燃烧速度很快，焊接过程难以控制，存在着喷射和溅出的危险.这主要因为三个方面因素的影响：一、当焊条内装药密度较小时，粉末间比较疏松，热传播以对流和辐射为主，热传播速度快［3－5］；二、粉末的颗粒间存在着大量的氧气，对粉末的反应燃烧具有推动作用；三、较小的密实度意味着单位体积内焊粉的质量较少，总体氧化还原反应时间较短，也增加了燃烧速度.

随着密实度的增大，反应时间有所延长，主要是因为焊粉质量的增加.当药粉密度为2.60～2.80g／cm3时，反应时间和燃烧速度基本保持稳定.试验发现，装药密度控制在此范围时，焊条燃烧速度基本维持在10.5mm／s右，焊接冶金反应平稳，反应产物不发生喷溅，焊接可控性良好.这一方面说明，当装药密度达到一定值后，较多的焊药意味着较高的焊接放热；另一方面，由于粉末间接触面积增大，热传播方式由对流和辐射为主向以传导和辐射为主转变，焊接散热加剧.随着焊药密实度的增加，这两个因素进一步平衡，热量传播速度基本恒定，因此随密度增大燃烧速度不再降低，而保持稳定.

2 焊前预热对焊缝成形的影响

预热指的是在施焊之前沿着焊接坡口用工具加热焊接试件，或者把整个焊接试件放到加热炉中进行整体加热.预热主要有以下几个作用：一是通过预热，能排除焊接区内的水分和氢气，可以预防产生气孔、麻面的原因；二是在寒冷的地区进行焊接时，例如在低于0℃的环境下进行焊接时，必须进行预热；三是对拘束度大的接头区进行焊接时，由于激冷激热在接头区就去产生收缩应力，从而产生裂纹，如果先预热，就可以起到减小收缩应力的作用；四是预热可以达到减慢冷却速度的目的，可以减轻热影响区的淬硬，使塑性增加.在本文试验中，被焊工件1不预热，被焊工件2采用乙炔气喷枪进行加热，使其表面达到350℃；预热对焊接反应时间和焊条燃烧速度的影响如表2所示.可以看出，焊笔的反应时间和燃烧速度没有差别，显然是否预热对焊笔的燃烧速度没有影响.

表2 预热对焊缝成形的影响Table 2 Influence of preheating on welding process

两个工件的焊缝表面成形有很大差别.工件1表面有较大的铜颗粒附着在焊渣边缘，出现了金属和熔渣的混合现象；工件2表面的铜粒比较分散而且比较细小.敲渣后两个工件的焊缝表面如图1所示，其中工件1焊缝表面成形不均匀，表面铺展性较差，少量金属液堆砌在一起并出现扭转现象.工件2的表面成形比较良好，说明在焊接过程中液态金属在焊接母材表面实现了较好的润湿、铺展和焊合.两个试件热影响区HAZ的金相如图2所示，显然预热增大了Q235钢HAZ区域的晶粒尺寸.这说明预热工艺引起了焊接热输入的增加.

图1 工件焊缝表面形态Fig.1 Welding shape of workpiece

图2 HAZ金相图（200×）Fig.2 Microstructure microscope of HAZ（200×）

实验发现，采用焊前预热工艺后，提高了自蔓延焊接的热循环起始温度，从而使熔池在高温的时间延长，焊接时飞溅较大，金属熔池流动性好，焊缝熔池熔深增大，燃烧产生的热量很容易将母材熔透，达到了单面焊双面成形的效果，焊接速度加快，提高了焊接效率.

3 焊接速度和试板厚度的影响

焊速对熔深、熔宽、焊缝成形均有明显影响，如表3所示.焊速较小时熔深随焊速增加略有增加，熔宽减小.但焊速达到一定数值以后，熔深和熔宽都随焊速增大而明显减小.若发现熔渣与液态金属混合不清时，可把电弧拉长一些，同时将焊条前倾，此时，焊条与前进方向成70°左右的角，往熔池后面推送熔渣.随着这个操作，熔渣就被推送到熔池后面去了，待熔渣和金属分清后，焊条再恢复正常角度继续焊接.

焊接速度的选择与焊接试板厚度有很大的关系.当焊接工件是薄板时，焊接速度过慢就会焊穿，而焊接工件是厚板时，焊接速度过快就会造成未焊透等缺陷，所以要根据板厚来选择合适的焊接速度，操作时随时注意熔融情况进行焊接，这是自蔓延焊条在焊接操作时需要注意的现象.

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

焊接试板的厚度和散热条件对焊缝成形产生一定的影响.被焊母材越厚，母材熔化需要的焊接热量也就越高.同样，被焊母材的体积越大，散热越快，也影响焊接热输入对母材的熔化.同样的装药40g焊粉的自蔓延焊条，焊接3mm的普通碳素钢板时，不仅能熔透，还能达到单面焊双面成形的良好焊接效果；焊接5mm的普通碳素钢板，则不能焊透，焊接效果较差.

4 后热影响

由于焊接引起焊件不均匀的温度分布和焊缝金属的热胀冷缩，所以伴随焊接施工必然会产生残余应力.消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低.

将3mm厚的Q235钢板采用相同成分的自蔓延焊条按照同样的焊接工艺进行焊接后，分别在200℃、300℃、400℃下进行1h的后热处理，焊接接头的外形、熔深和熔宽均没有明显变化.说明焊接过程结束后，焊缝金属已经充分凝固，不受焊接后热的影响.

5 结 论

（1）当自蔓延焊条的药粉密实度在2.60～2.80g／cm3时，焊条燃烧速度基本稳定在10.5 mm／s左右，焊接可控性良好.

（2）焊接预热改善了液态焊缝金属的润湿和铺展性能，促进了金属和熔渣的分离，增加了焊接熔深；但焊接预热引起了HAZ区域晶粒的粗化.

（3）焊接速度影响焊缝金属的外形，提高焊接速度能够增加焊缝宽度；焊接试板厚度显著影响焊接熔透性，过厚试板难以充分焊透.后热对自蔓延焊条工艺性能没有影响.

［1］辛文彤，李志尊，李宝峰，等.一种野外快速焊接技术［J］.焊接，2005（1）：19－21.

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