烧结焊剂焊缝中的凹坑问题及对策

太原理工大学焊接材料研究所 （山西 030024） 孙 咸

以SJ101焊剂为代表的氟碱型烧结焊剂，以其优良的工艺性能、焊缝韧性好、抗裂性强等优点在高效、自动化埋弧焊工艺中得到越来越多的应用。然而在工程应用中反应较强烈的是，该类焊剂焊缝表面压痕、凹坑时而出现，网上亦常看到生产一线焊工征求埋弧焊缝凹坑解决方案的帖子。上述问题涉及到该焊剂的冶金特性及凹坑形成机理等焊接理论。迄今为止，介绍埋弧焊冶金特性较经典的文献，也仅限于20世纪80年代末出版的个别版本，进入本世纪以来，具有创新理论的相关文献少之甚少。为此，本文特意将烧结焊剂焊缝中凹坑的形态性质与焊接质量的影响相联系，探讨烧结焊剂焊缝中凹坑的形成机理、影响因素和相应对策。该项研究对生产企业开拓思路，进一步提升烧结焊剂水平，具有一定参考意义和实用价值。

一、烧结焊剂焊缝中凹坑的形态和性质

该类焊缝中出现的压痕、凹坑多数为保持间距的、单个凹坑或压痕（见图1、图2），两个或多个凹坑串接的极少出现，条虫状的更为罕见，未发现密集型凹坑或压痕出现。凹坑或压痕的外观形态多呈圆形或准圆形，有的圆形较规则，有的圆形发生变形，如有的呈指状。凹坑或压痕的尺寸大小不一，最大的直径达6～8mm，或者更大，最小的只有1mm左右。它们在整条焊缝上的分布，从纵向看，大多在引弧起焊后50～100mm以后出现，表明凹坑或压痕的形成需要一个积累时间，焊渣与焊缝间生成的气泡需一定时间，达到一定压力后，方可形成凹坑或压痕。从横向看，有的位于焊缝熔宽中心线附近，有的偏离中心线，分布随意，没有明显的规律性。但是，对于一般认为不太出凹坑的焊剂而言，一旦焊接速度加快后，在焊缝两侧边缘出现凹坑的倾向将大大提高（见图3）。压痕的色泽与正常焊缝有所差异，变得比较深暗或褐色，无光亮，但凭视觉可清楚辨认。凹坑内的色泽也有变褐、无光亮的明显特征。压痕与凹坑的不同之处在于，压痕部位只有色泽变化（变暗），没有凹下去的坑洞，而与焊缝表面一样平顺。但是在渣壳内表面与压痕对应的部位仍有孔洞出现。当然，几乎所有的凹坑，在渣壳内表面对应的部位均会出现明显的孔洞。与焊条电弧焊焊缝中气孔的性质有所不同，埋弧焊焊缝中压痕、凹坑形成机理表明，熔渣与焊缝间生成的气泡内，充满了多种气体，如CO、H2、N2、O2及金属和矿物蒸气等，因此，难以判定这种压痕或凹坑究竟属于哪种气体单独形成。可以认为，它们的性质属于混合气体导致的压痕或凹坑。

图1 焊缝中的凹坑

图2 焊缝中的压痕

图3

二、烧结焊剂焊缝凹坑的形成机理及影响因素

1. 烧结焊剂焊缝中凹坑的形成机理

埋弧焊电弧空腔内充满了各种气体，如焊剂受热放出的水气、熔滴反应区和熔池反应区生成的气体以及金属和矿物蒸汽等。这些气体大部分将穿过液态熔渣和粒状焊剂层进入大气。然而也有一些气体成气泡状停留在液态金属和液态熔渣之间的界面上，当它们未能及时冲出熔渣层时，泡内的气体便向四周施以一定压力，以求达到力的平衡。气泡内的压力越大，留在焊缝表面上的压痕越深，而对应在渣壳内侧上的孔洞也越深越大。焊缝凝固后就形成了一个压痕或者凹坑。

有一种观点认为，电弧空腔内熔池反应区生成的CO气体（[C]＋[O]=CO↑），和以原子状态溶入熔池金属中的H原子，进入液态金属和液态熔渣之间的界面上的气泡中，而原子态的H又聚合成为H2分子，导致气泡尺寸显著增大。这是对凹坑气泡生成长大原因的一种分析，与上述机理并不排斥。

焊缝中凹坑的形成可以归纳为3个条件：①液态金属和液态熔渣界面上气泡的生核。②气泡内压力的增大。③气泡内气体及时排出或冲出熔渣。其中①和②是产生凹坑的内因和必要条件，③则是外因和充分条件，二者缺一不可。不难看出，只要控制好充分条件(气泡的排出速度)，或改善气泡排出速度，就有可能有效控制凹坑，或防止凹坑的产生。

在下列情况下：液态熔渣的粘度大，熔渣的表面张力大，熔渣的透气性差，上部焊剂层的压力（堆层厚度）大和透气性差时，气泡的排出速度受阻或未能及时排出，焊缝凹坑倾向严重；反之，凹坑倾向被控制或防止。氟碱型焊剂的物理特性在一些情况下并非有利于气泡的排出，因此焊缝具有较大的凹坑敏感性。

2. 烧结焊剂焊缝中凹坑的影响因素

（1）焊剂中水分的影响 采用不同烘烤规范烘烤的焊剂进行试验，结果显示，随烘烤温度的提高，焊缝中凹坑倾向明显减小，甚至完全消失。市售同类名牌焊剂在空气中放置时间较长，焊缝会出现了大量压痕、凹坑，正常复烘后压痕、凹坑消失。由此表明，焊剂中的水分是焊缝中凹坑产生的最直接和最直观原因。焊剂中水分既有焊剂组成物自身带入的，也有焊剂造粒时使用液体水玻璃造成的。

焊剂组成物中的水分有多种形式：①吸附水。又称自由水，是指外界原因（雨水、露水及湿气等）在焊剂颗粒表面附着的一薄层水分。这种水分实际上没有与焊剂发生连接反应，只要加热到100℃左右就可排除。②化合水。是以化合物形式进入晶体组织中并构成结构的一部分，又称结晶水。进入结构中的结晶水原则上不会改变基本化合物离子间的连接形式。但是水分子的结构组织稳定，不经过破坏作用结晶水是不会除掉的。要除去结晶水须加热到400℃左右。③元素的氢氧化物。还有一种水分是以各种元素的氢氧化物的形式存在于焊剂中。碱金属氢氧化物结合特别牢固，甚至在高温时也没有明显的分解，比如，氢氧化铝在加热到1000℃时还会保存一定数量的水分。所以，排除这类水分相当困难。④氟石水。焊剂中还可能存在氟石水。这种水在晶体中以单独的分子形式存在，其数量是可变的。要除去氟石水，加热的温度度范围较大（200～1100℃）。

（2）焊剂颗粒度及堆积密度的影响 采用f4mm的H08A焊丝和SJ101焊剂，在20mm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#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#焊剂是把2#焊剂用20目筛子过后留在筛子中的较粗的焊剂。3#试样是把1#焊剂用20目筛子过后的细粉焊剂。试验结果如附表所示。可以看出，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。

焊剂粒度对焊缝凹坑的影响

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，无论全细粉焊剂还是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，焊剂粒度对凹坑有重要影响，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。

（3）焊剂组成物及熔渣粘度的影响 焊剂的化学组成对焊接过程中的冶金反应特点及程度有极重要的影响，这些反应与熔化金属中析出的气体聚集和分解紧密相关。提高焊剂的氧化性就会使焊缝的凹坑敏感性增大，如果焊剂中SiO2、Al2O3、TiO2、及MgO等氧化物含量不足，或比例不当，当焊剂碱度≥1.3时，焊缝表面也可能出现凹坑，而CaF2含量过高时，使电弧不稳，焊缝表面也会产生凹坑。采用熔渣粘度较高的焊剂时，产生凹坑的机会更多。使用熔点特别低的焊剂时，焊剂熔化量较多，焊接熔池表面压力较大，气体集中在熔渣下面，造成气体析出困难，凹坑的倾向增大。据文献介绍，用部分TiO2代替SiO2不会影响焊剂的工艺性。少量的TiO2加入焊剂中可以降低熔渣的粘度，减小表面张力，有利于焊缝、熔渣界面上的气泡排出，减少凹坑倾向。

（4）焊接参数的影响 焊接电流对熔化速度及熔深有很大影响。随焊接电流的增大，熔深和余高随之增加，熔深过大，气体逸出路径增大，凹坑倾向增大。电弧电压过低，形成深而窄的焊缝，对气体逸出不利；适当提高电弧电压，熔深减小，熔宽增大，有利于气体逸出。增大焊接速度，焊缝宽度、熔深同时减小；焊接速度过大，熔池存在时间过短，气体逸出条件恶化，凹坑倾向增大；反之，有利于气体逸出，凹坑倾向减小。

工程实践表明，在各项焊接参数中，焊接速度的影响更为明显，通常采用较慢焊速时，凹坑倾向明显减小或完全避免。需要指出的是，有时候凹坑的出现与焊道的层数有关，比如在丁字或十字接头90°坡口船形位置焊接时，根部间隙内残留气体有时也会引起打底层焊缝气孔或凹坑，而以后各层就会完全消失。总之，选用匹配良好的焊接参数，是控制凹坑出现不可或缺的工艺措施。但是，焊剂中水分较多时，仅靠调整焊接规范是难以彻底消除压痕和凹坑缺陷的。

三、焊缝中凹坑压痕对焊接质量的影响

文献认为，焊缝中压坑的形成机理与气孔的产生具有同源性，即焊缝中的气体及逸出行为是其根源。当气体从焊缝金属中逸出被阻止于焊缝中时，就形成了气孔；当气体从焊缝金属中逸出被困于熔渣下面，或在焊缝表面聚集时，未能及时排出熔渣，就形成了焊缝表面压痕或凹坑。可以说，凹坑是气孔的另一种表现形式。略有区别的是，后者对焊接熔渣的凝固速度、熔渣中气体的逸出难易程度，具有更强的依赖性。据此，焊缝中压痕、凹坑对焊接质量的影响，可以参照焊缝中气孔的影响进行分析。从质量控制标准的观点看，焊缝中出现成串或密集型凹坑时，由于承载截面积减小，使静载强度和疲劳强度明显降低；从适合于使用的标准观点看，除了表面凹坑对疲劳强度不利之外，焊缝中的凹坑对结构使用的有害影响程度是较小的；然而从现场施工技术的要求看，在较重要结构的焊缝中（如GB/T12469—1990中Ⅰ、Ⅱ级焊缝）出现表面凹坑通常是不允许的。即使在Ⅲ级焊缝中，表面凹坑的大小、数量和分布也是有严格限制的。换言之，在这类焊缝中出现表面凹坑，常被判为不合格产品，有的需要通过焊接修复去除凹坑，不仅增加制造成本，而且可能对结构的使用性能带来不利影响。

四、控制焊缝中凹坑的对策

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%；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4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、凹坑倾向会显著减小。诚然，在工程应用中，焊接参数的合理选用和调整，亦是避免凹坑出现、不可忽视的辅助环节。

图4 焊缝中凹坑控制原理

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，熔渣的碱度增得过高，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，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、凹坑的禁止要求。

五、结语

（1）焊缝中出现的多数为保持间距的、单个凹坑或压痕，外观形态多呈圆形或准圆形，尺寸大小不一，分布随意，压痕、凹坑内的色泽变得比较深暗或褐色，它们的性质属于混合气体导致的压痕或凹坑。

（2）焊缝中压坑的形成机理与气孔的产生具有同源性，即焊缝中的气体及其逸出行为是其根源。当气体从焊缝金属中逸出被困于熔渣下面，或在焊缝表面聚集时，未能及时排出熔渣，就形成了焊缝表面压痕或凹坑。

（3）焊剂中的水分是焊缝中凹坑产生的最关键因素，焊剂组成物及熔渣粘度对凹坑的产生有重要影响，焊剂颗粒度及堆积密度对其他有一定的影响，焊接参数的影响不可小觑。

（4）从现场施工技术的要求看，在较重要结构的焊缝中出现表面凹坑通常是不允许的；去除凹坑进行焊接修复，不仅增加制造成本，而且可能对结构的使用性能带来不利影响。

总之，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。