手工自蔓延焊接立焊工艺可行性分析

刘浩东，张 龙，王建江，吴永胜，李宝峰

(军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003)

手工自蔓延焊接立焊工艺可行性分析

刘浩东，张 龙，王建江，吴永胜，李宝峰

(军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003)

手工自蔓延焊接技术因在野战应急抢修方面的独特优越性而受到广泛关注。简述了手工自蔓延焊接技术的机理和研究现状及其所具有的军事和民用价值，讨论了当前手工自蔓延焊接的立焊工艺所存在的主要问题，并针对所存在的问题对普通自蔓延燃烧型焊条应用于立焊的可行性从强迫成形、自由成形、焊条结构梯度化、活性剂焊接及焊接操作工艺等方面进行了理论分析和归纳总结，着重指出需要进一步深入研究攻关的方向。

手工自蔓延焊接；立焊；工艺可行性

0 前言

手工自蔓延焊接是传统焊接工艺与自蔓延高温合成技术相结合的集成创新的自蔓延熔焊方法[1]。该方法以燃烧合成反应放出的热量为高温热源，将焊接母材局部加热熔化，以燃烧合成反应的产物为填料，采用焊条电弧焊实现焊接母材的永久牢固连接。该技术不需要电源和气源，只需用火柴点燃状似普通焊条的燃烧型焊条，即可方便地实施焊接[2]。可实现同种或异种金属材料的焊接，焊缝力学性能良好，抗拉强度大于等于400 MPa，弯曲强度大于等于1 000 MPa，不开坡口焊接厚度可达5 mm，焊条储存寿命五年以上。实现了无电、无气和无任何设备条件下的手工焊接，该技术既可广泛应用于武器装备战场抢修的应急焊接，也可用于民用野外工程设施的紧急修护，是金属构件战场或野外应急焊接修复技术领域“由伴随维修向原位维修转变”的革命。

1 手工自蔓延焊接立焊的研究现状

手工自蔓延焊接是一种全新的应急焊接方法，关于该技术的立焊工艺研究国内外开展较少。装甲兵工程学院在俄罗斯类似技术的应用方面做了大量研究工作。在对手工自蔓延焊接进行深入且富有成效的研究的基础上，也对该技术的立焊工艺进行了初步的研究分析。

2 手工自蔓延焊接立焊存在的问题及研究意义

前期的初步试验表明，在目前条件下，应用系列燃烧性手工自蔓延焊条进行平焊时，其焊接接头的焊缝基本可满足战场和野外应急抢修的要求[3]。但当进行立焊操作时，则出现熔池内熔融焊料因重力作用在凝固前流走，焊缝成形困难、强度低，熔渣剥离难，夹渣严重等现象，并且对施焊作业人员的技术和焊接工艺设备都有较高的要求。而在真实的野外和战场环境下，焊修装置的大型化、立体化和时间的紧迫性是野外应急抢修不能回避的问题，因此能否实现简单、快速、有效的立焊也就成为制约手工自蔓延焊接推广和应用的关键。

3 原因分析

手工自蔓延焊接作为一种特殊的熔焊技术，在热源、母材熔化、熔池特点、结晶机理等方面与普通熔焊存在着本质的区别，因此利用比较成熟的普通自蔓延燃烧型焊条进行立焊操作时，具有以下几个特点：

(1)焊接时不存在电弧作用力。

(2)由于主要作为野外应急抢修的手段，决定了其很难提供专门的保护气体，因而也就不具备保护气的向上吹力。

(3)由于没有专门的附加冷却装置，因而也不具备强迫成型立焊的实施条件。

(4)更为重要的一点是，由于手工自蔓延焊接原理的特殊性，即以燃烧合成反应放出的热量为高温热源将焊接母材局部加热熔化，以燃烧合成反应的产物为填料，因此熔融焊料与母材的润湿性与传统焊接方法相比不是十分理想。

基于以上几个原因，应用目前已较为成熟的普通燃烧型焊条施行立焊操作，其焊接状况很难满足野外应急抢修的要求。

4 解决思路及进一步研究方向

综观日常生产中常用的几种立焊工艺，原理不外乎两种类型：一种是利用电弧作用力或保护气的向上吹力和高导热系数，或两种效果同时作用，来维持熔池内熔融焊料不至于在凝固之前因重力作用而流走，即所谓的自由成形立焊原理；第二种是利用附加冷却装置来强制冷却熔池内熔融焊料，使其在流走之前凝固，进而起到阻止后续熔融焊料流动的作用，即所谓的强迫成形立焊原理。同时，熔融焊料与待焊母材的润湿性在以上两种类型的立焊原理中也起到至关重要的作用。

虽然手工自蔓延焊接是一种全新的技术，但在解决其立焊操作存在的问题时，仍需借鉴前述传统焊接技术的立焊工艺原理，主要有以下几个基本思路：

(1)借鉴强迫成型立焊工艺原理。具体思路是：探索在所制得的燃烧型焊条中添加某种焊接活性剂，使焊条在焊接时形成短渣，焊弧区内熔渣粘度小、流动性好，以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。以此来抑制立焊焊接时熔池中熔融焊料在重力作用下的流动，同时所添加的物质能在一定程度上增大熔池内熔融焊料与母材的润湿性，使熔融焊料不会呈金属球状下淌，减弱焊渣对熔融焊料的阻挡。基于上述构想并查阅文献，认为较为理想的添加物质分别是TiO2和TiFe，加入前者可较大幅度地降低熔渣的表面张力，增大熔渣的扩展功，改善熔渣覆盖的均匀性和焊缝成形，但应控制好TiO2含量。当TiO2含量过低时，熔渣粘度和表面张力过大，熔渣收缩成块状，局部覆盖在焊缝表面，且压迫焊缝，造成焊缝外形窄而高；而当TiO2含量过多时，熔渣太稀，易造成熔渣和铁水下流，覆盖均匀性差，焊缝也不能良好成形，同时适量的TiO2还可适当降低熔渣的熔点，并在渣中起网格作用，从而形成典型的短渣，有利于防止熔渣下流。加入TiFe除了具有TiO2的两个作用外，还起到一定的脱氧剂作用，但钛铁矿系混合物，其熔点要根据TiO2，FeO，Fe2O3熔点确定，且氧化性较强，合金过渡系数较低，同时形成的渣壳疏松多孔，热脱渣性较差，焊缝表面容易咬渣[4]。最终需通过立焊效果、焊缝成形和焊接强度等综合考虑决定采用对象，同时注意适当减少焊条中的典型长渣物质如SiO2等。

(2)借鉴自由成形原理。具体思路是：在焊条配方中添加造气剂，其主要作用是使焊弧产生较大的吹力。而要求焊弧有较大的吹力，主要有四点功能：一是在立焊时能有效托住熔滴和铁水，防止其下淌或下流；二是打底焊时保证焊透，反面形成焊缝；三是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；四是造气剂分解产生的CO2气体具有较大的导热系数，快速冷却焊缝，同时起到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有大理石(CaCO3)和纤维素(有机物)两种，本研究经综合考虑决定以大理石为造气剂，采用该物质作为添加剂主要基于两点考虑：一是若利用纤维素作为造气剂，由于纤维素为有机物，容易使焊缝增氢而导致气孔、白点以及机械性能不稳定，大直径焊条对此更为敏感[4]，且焊接烟尘大，劳动条件差，传统的纤维素型立焊焊条也不适用于平焊[5]，不利于自蔓延焊条后续全位置焊接的研究开发；二是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[6]，CaO的熔点较高，在焊条配方中通过增加w(CaCO3)，可促进熔渣凝固温度和粘度增大，同时由于CaO是由强正离子Ca2+与氧负离子O2-结合而成，并且结合得很牢固，键合能力很大，导致凝固温度上升[7]，有助于形成短渣。同时在其他立焊工艺中，大理石的加入量有一个合适的范围，加入量过低，则焊弧吹力不够，易造成淌渣现象；加入量过高，则熔渣粘度和表面张力过大，吹力过强，电弧稳定性欠佳，飞溅增大，并易产生渣压铁水和夹渣缺陷。

(3)借鉴焊条电弧焊立焊时的控制电弧不断燃烧和灭弧时间，以控制熔池形状、位置、温度和熔池中液态金属厚度的原理改变焊条的物理结构。具体思路是根据测量的断弧间隙时间，将焊条内部作梯度分段处理，每段之间以一定量的低产热量燃烧维持剂相连，以保证焊条燃烧的连续性，从而实现焊弧的燃烧和断弧。

(4)小热量短弧焊接。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小10%～15%，以避免过多的熔化金属下淌；其次采用短弧焊接，以避免电弧过长所造成的熔滴下淌和严重飞溅[8]。基于此，可研究调整自蔓延焊条高热剂、稀释剂和其他具有显著热效应成分的相对量来改变焊条的总产热量，从而研究在小热量短弧状况下燃烧型焊条进行立焊焊接时的现象。通过分析可知，在普通燃烧型焊条各组成成分中，对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，因此可通过调整高热剂的相对含量和稀释剂的添加量来研究小热量燃烧型焊条立焊作业的效果。

(5)将活性剂焊接引入自蔓延焊接，具体思路是利用活性剂发挥作用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，提高熔池底部的加热效率，从而形成更大的熔深[9]。将活性剂引入自蔓延立焊焊接，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，从而有利于减弱熔融焊料的下淌。通过查阅相关文献可知，常用的活性剂主要有氧化物、氟化物和氯化物三大类，氯化物类活性剂在焊接高温状态下会形成对人体有害易挥发的有毒气体，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。因此经综合考虑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。

5 结论

一种焊接技术对焊接位置的适用性深刻影响着该技术的推广和应用。对于既适用于武器装备战场抢修，同样可用于民用设施的野外应急焊接修护的手工自蔓延焊接而言，通过借鉴传统焊接技术的立焊工艺原理进行科研攻关以求解决手工自蔓延焊接的立焊中存在的问题，必将使该技术的应用前景更加广阔，社会经济效益更加显著。

[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.

[2]李宝峰，辛文彤，李志尊，等.Q235钢手工自蔓延焊接工艺研究[J].河北工业科技，2008(7)：193-197.

[3]李建平，石 全，甘茂治.装备战场抢修理论与应用[M].北京：兵器工业出版社，2000.

[4]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.

[5]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.

[6]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.

[7]苏仲鸣.焊剂的性能和使用[M].北京：机械工业出版社，1987.

[8]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.

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

Feasibility analysis for vertical welding of manual SHS welding

LIU Hao-dong，ZHANG Long，WANG Jian-jiang，WU Yong-sheng，LI Bao-feng
(Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Due to the special advantages of manual self-propagating high-temperature synthesis welding in the field emergency recovery service，which attract many researchers'interest.In this paper，manual self-propagating high-temperature synthesis welding is introduced as well as its value of military affairs and civil，the present problem of manual SHS vertical welding is discussed，meanwhile，the feasibility of manual SHS vertical welding，such as enclosed formation，free formation，structured gradient welding rod，activating fluxes and welding operation were studied and generalized with relevant theory on emphasis，and the farther research orientation was indicated.

self-shimanual self-propagating high-temperature synthesis welding；vertical welding；feasibility of technique

TG456.9

A

1001-2303(2011)07-0047-03

2011-01-13

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