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摘要：探讨了氟碱型烧结焊剂冶金过程、电弧行为及工艺质量的控制。结果表明，在该焊剂的埋弧焊熔滴反应区，主要是渗硅氧化和锰元素的氧化烧损。在熔池的结晶部分冶金反应生成CO气体，是焊缝中不可避免地出现气孔或凹坑的重要原因。焊剂的埋弧焊电弧形态应属于连续、非活动型，而熔滴过渡则是呈典型的渣壁过渡形态。在焊缝压坑产生的诸多影响因素中，焊剂中水分的影响是该缺陷产生的内因，其他参数的影响则是外因。以减小焊缝中凹坑倾向为目标的控制方法，思路合理，针对性明确。 

　　关键词： 冶金过程；工艺质量；烧结焊剂；凹坑；控制 

　　Abstract： The metallurgical processes， welding arc behavior and usability quality control of fluorine basic type sintered flux were discussed. The results show that the silicon reduction reaction and manganese oxidation reaction in the drop reaction zone is the main. The carbon monoxide gas produced in the crystal part of molten pool is an important reasons of appear porosity or press hole inevitably in the weld metal. The arc shape of submerged arc welding should belong to the continuous and inactive type， and drop transfer is a typical flux wall guided transfer form. The water effects in the flux among many factors producing weld press hole are internal factors， and the other parameters influences are external factors. The control method taking reduce press hole tendency as a target is reasonable ， and its pertinence is clear. 

　　Key words： metallurgical process； usability quality； sintered flux； press hole； control 

　　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： 

　　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。 

　　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。 

　　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。 

　　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。 

　　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。 

　　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。 

　　4 结论 

　　（1）在SJ101型焊剂的埋弧焊熔滴反应区，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。在熔池的结晶部分冶金反应生成CO气体，是焊缝中不可避免地出现气孔或凹坑的重要原因。 

　　（2）使用SJ101型焊剂的埋弧焊电弧是在一个充满气体的所谓空腔内燃烧的，电弧形态应属于连续、非活动型，而熔滴过渡则是呈典型的渣壁过渡形态。 

　　（3）烧结焊剂SJ101虽然具有良好的焊接工艺性能，然而该焊剂对焊缝中压坑缺陷较为敏感，在诸多影响因素中，焊剂中的水分是压坑产生的内因，其他参数是外因。 

　　（4）以减小焊缝中凹坑倾向为目标的控制方法，思路合理，生产单位必须重视控制埋弧焊焊缝压痕、凹坑缺陷的研究。 

　　参考文献 

　　[1] 安藤弘平，长谷川光雄·焊接电弧现象[M].北京：机械工业出版社，1985：465-468. 

　　[2] 苏仲鸣.焊剂的性能与使用[M].北京：机械工业出版社，1989：238-344. 

　　[3] 唐伯钢，尹士科，王玉荣.低碳钢与低合金钢焊接材料[M].北京：机械工业出版社，1987：1-88. 

　　[4] 李振，杨晓敏，牛贺. SJ101烧结焊剂脱渣性能的分析[J].金属加工（热加工），2014（18）：70-71. 

　　[5] 中华人民共和国国家质量技术监督局.中华人民共和国国家标准 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂 GB/T5293-1999[S].北京：中国标准出版社，1999.