脉冲燃烧型焊条立焊接头中的夹渣及控制方法

吴永胜，王建江，辛文彤，曲立峰，陈雪礼

（1.军械工程学院先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2.重庆军事代表局驻167厂军事代表室，四川 成都 610110；3.中国人民解放军78666部队，云南 昆明 652102）

脉冲燃烧型焊条立焊接头中的夹渣及控制方法

吴永胜1，王建江1，辛文彤1，曲立峰2，陈雪礼3

（1.军械工程学院先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2.重庆军事代表局驻167厂军事代表室，四川 成都 610110；3.中国人民解放军78666部队，云南 昆明 652102）

用脉冲燃烧型焊条对Q235钢进行了手工自蔓延立焊焊接，脉冲燃烧型焊条中三段长度不同的高热焊药形成了三个有效熔池。通过观察接头焊缝合金金相，并结合SEM分析焊缝合金组织和断口组织研究了立焊接头夹渣，提出立焊接头中夹渣的四个来源途径及其相应的控制措施。

手工自蔓延焊接；立焊；夹渣

0 前言

手工自蔓延焊接是一种新的自蔓延熔焊方法，该方法以燃烧型焊条为焊接材料，通过焊条自身燃烧合成反应产生的热量将焊接母材局部加热熔化，用反应的产物填充焊缝，采用焊条电弧焊的操作方法，实现母材的永久牢固连接，该方法无需外界能源，在野外应急抢修领域有广阔的应用前景[1-3]。燃烧型焊条分为普通燃烧型焊条和脉冲燃烧型焊条，前者主要用于平焊，后者主要用于立焊。手工自蔓延焊接过程中温度高、温差大，偏析现象很突出，金相组织的差别也比较大，造成焊接接头中出现各种类型的缺陷[4]，同时由于立焊工艺及脉冲燃烧型焊条热作用方式的特殊性，使脉冲燃烧型焊条立焊时形成的缺陷与普通燃烧型焊条平焊时的缺陷既有相同的部分，也存在一定差异[5-6]。本研究初步分析了脉冲燃烧型焊条立焊时夹杂的成因，并有针对性的提出初步的解决和控制措施，为以后的工程实际应用及理论研究提供有效的借鉴和依据。

1 实验材料和焊接试样

图1中左图是脉冲燃烧型焊条示意图，右图是脉冲燃烧型焊条剖面示意图。

脉冲燃烧型焊条外径φ10 mm，长度140 mm。高热焊药段由高热剂、造渣剂、合金剂和脱氧剂组成，低热造渣段由高热剂、造渣剂和稀释剂组成。把焊药混合均匀后按图1所示装入焊条即可得到脉冲燃烧型焊条。

焊接试验以脉冲燃烧型焊条为焊接材料采用板材对接立焊，焊接时用火柴点燃引火线，引火线段燃烧引燃焊药，焊药发生燃烧合成反应形成燃烧弧，采用焊条电弧焊的运条方法，具体工艺参数为：焊接速度3～5mm/s，电极夹角25°～35°，弧长2～3 mm，不预热。焊接结束焊件完全冷却后，轻轻敲打即可除去焊缝表面熔渣，焊接接头完整（见图2），焊缝表面成波浪型，质量良好无表面裂纹，观察焊接过程并分析焊缝发现，脉冲燃烧型焊条的三个高热焊药段对应形成三个有效熔池并凝固成型。

2 焊接夹杂的来源分析

对立焊接头焊缝合金进行金相观察，并结合SEM分析焊缝合金组织和断口组织发现，应用脉冲燃烧型焊条进行立焊时，存在的夹杂缺陷主要是焊条燃烧产生的非金属熔渣，即通常所说的夹渣缺陷，其主要来源有四个方面：

第一个来源是由于脉冲燃烧型焊条相邻两段焊药之间进行间断焊接时，前一焊药段焊完后留下的熔渣及燃烧维持剂燃烧产生的熔渣铺在下一焊药段的部分施焊区域，在进行下段焊药的焊接时未把该部分熔渣全部熔化排开而留在两焊接区域的接头部分造成夹渣，如图3所示。可以观察到该部分夹渣主要集中在焊缝上部的熔覆金属接头处，而在熔覆金属下部及熔合区等部位则存在相对较少。

第二个来源是由于焊接操作不良而在熔化金属内混入的熔渣残留下来形成夹渣，焊接接头拉伸断面SEM照片如图4所示。夹杂物集中出现的某些位置易形成裂纹源，导致在其周围形成具有扇形花样的解理断口，使焊接接头的力学性能下降。

第三个来源是脉冲燃烧型焊条的主体高热剂发生燃烧合成反应生成的产物Al2O3残留在焊缝中形成夹渣，同时在一定的条件下极有可能与焊接冶金过程中产生的FeO形成另外一种夹渣成分——铁铝尖晶石，其化学式为FeO·Al2O3。焊缝组织抛光面的SEM照片如图5所示，可观察到焊缝组织在夹杂周围一般都形成收缩而与夹杂分离（如图中A、B、C点所示），这主要是因为该夹杂物为高熔点熔渣成分，在焊缝组织凝固的过程中，该夹杂将首先凝固，而当较低熔点的焊缝组织开始凝固时，在液态金属表面张力的作用下使夹杂周围的焊缝组织产生收缩而与夹杂分离。

第四个来源是由于脉冲燃烧型焊条焊药成分中含有的硅元素，其作为脱氧剂发生脱氧反应生成的SiO2一方面未能随溶渣完全析出，同时还可能与铝结合生成硅酸铝而形成新的熔渣颗粒夹渣。

3 夹渣的防治措施

（1）首先针对夹渣的第一和第二种来源，主要是从焊接工艺方面控制其产生，一方面要注意焊弧的长度保证有足够的热量使铺展在焊接区域的熔渣被完全熔化排开，另一方面要注意第二和第三焊药段的起焊位置，后段的起焊位置应在前段焊接区域的2/3～3/4接头处。

（2）改变夹渣物质的物化性质，焊缝内部夹渣的的主要成因是焊药燃烧产生的熔渣熔点较高，导致反应生成的熔渣小颗粒没有充分时间碰撞聚合为大颗粒从焊缝液态合金中析出，而Al2O3的熔点较高（2323K），因此可尝试通过加入特定的化合物（如B2O3）来降低熔渣的凝固点，B2O3是酸性氧化物，在加入保护渣中后，由于B3+与O2-之间的键强非常强，它能夺取硅氧链中的氧形成自己的硼氧离子团，这使得硅氧链断链，使渣中聚合阴离子总的复杂程度有所下降，离子团比较简单，从而使粘度下降。又由于B2O3熔点（450℃）低，在熔渣中易形成低熔点的物质，降低熔渣熔化温度的效果显著。从而使滞留在焊缝液态合金中的夹渣物有相对较长的时间聚合析出，减少焊缝中的夹渣。

[1]李志尊，辛文彤，武斌等.高热剂对低碳钢手工自蔓延焊接的影响[J].焊接学报，2007，28（2）：79-81.

[2]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）：73-75.

[3]辛文彤.装备金属结构自蔓延焊接机理的研究[D].北京：装甲兵工程学院，北京：2010.

[4]姚军刚.40Cr钢燃烧型焊条及焊接工艺的研究[D].石家庄：军械工程学院，2008.

[5] 吴永胜，王建江，辛文彤，等.脉冲燃烧型立焊焊条[J].焊接学报，2012，33（12）：109-112.

[6]吴永胜，王建江，辛文彤，等.脉冲燃烧型焊条立焊纵向焊缝的组织[J].材料热处理学报，2013，34（1）：122-126.

Slag inclusion in joints of vertical weld by plus combustion welding rod

WU Yong-sheng1，WANG Jian-jiang1，XIN Wen-tong1，QU Li-feng2，Chen Xue-li3
（1.The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Military Delegate Office of Chongqing Martial Delegate Agency in No.167 Factory，Chengdu 610110，China；3.78666 Unit，Chinese People’s Liberation Army，Kunming 652102，China）

Q235 steel was welded by manual SHS vertical welding with pulse combustion welding rod，and three molten pools were formed under the action of three segments of high heat solder with different lengths in pulse combustion welding rod.Slag inclusion in joints of vertical weld was studied through observations of metallographic structure and analysis of weld alloy and fracture by SEM.The results indicate 4 sources of inclusion in joints and corresponding control measures.

manual SHS welding technology；vertical weld；slag inclusion

TG441.7

：A

：1001-2303（2014）02-0067-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.15

2013-04-26

吴永胜（1985—），男，湖南长沙人，在读博士，主要从事自蔓延焊接技术研究与应用工作。