碱性气体保护药芯焊丝工艺质量的选择与控制

摘要： 介绍了碱性气体保护药芯焊丝的冶金特点、电弧行为及工艺质量，探讨了焊丝工艺质量选用原则和控制原理。结果表明，典型碱性焊丝熔渣色泽赭色泛黄、玻璃状薄渣，渣中SiO2很少，熔滴不增氧，不被细化。该类焊丝的电弧形态属于活动、连续型。焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡。可以保证焊丝熔敷金属低的含氧、含氢量及较少的有害杂质，保证焊缝组织大量的针状铁素体，因而获得了优异的力学性能。焊丝工艺质量指标选择的“合于使用”原则，强调产品特征或用户要求。提出了减小焊接飞溅的技术路线，和保证获得优异、稳定冲击吸收能量的焊缝韧性控制原理。

关键词： 工艺质量；气体保护药芯焊丝；碱性渣系；选择与控制

中图分类号： TG442

0前言

以E500T-5为代表的碱性渣系气体保护药芯焊丝的使用性能非常优异，无论是抗裂性还是低温韧性，都远比E501T-1焊丝好许多。许多重要产品或工程结构的施工技术条件明确标明，必须使用碱性药芯焊丝。一些单位担心的是焊丝操作工艺性的不适应，比如习惯了E501T-1焊丝的焊工，用该焊丝总觉得飞溅大、成形难控制，甚至不能操作。这是焊工的经验不足或技术尚不全面造成的。深入了解并长期体验碱性焊丝的特性和操作要点后[1]，广大焊工同样会喜欢上这类焊丝的。虽然采用富氩混合气体保护时，能改变碱性药芯焊丝熔滴过渡形态，从而改善焊丝的工艺性。然而，考虑到大多数用户的需求，本文仅限于探讨CO2保护下的焊丝工艺质量问题。

有的市售E500T-5焊丝，烧焊时护镜下看到的熔渣、熔池形态与E501T-1差别不大，熔池轮廓不清楚，熔渣紧跟电弧，熔池裸露部分很小；熄弧后，固态熔渣的色泽形态与E501T-1焊丝的很接近。这表明该焊丝不属于碱性渣，至少是熔渣的碱度不够高。应该说，碱性焊丝不仅在操作手感方面，而且在焊缝凝固后熔渣色泽、厚薄、脱渣性，以及焊缝成形等方面均与E501T-1有明显的区别。然而，遗憾的是，有的E500T-5焊丝不具备上述特征。这样的焊丝当作碱性焊丝用在重要或重大工程结构上，结构的安全性会受到一定影响。为此，本文特意将碱性药芯焊丝的工艺质量与熔渣的冶金特点、熔滴过渡特性相联系，通过两种渣系碱性焊丝工艺质量对比，探讨碱性焊丝工艺质量的选用原则与控制原理。该项研究对推动企业技术进步、改变经营理念、提升产品竞争力，具有参考意义和实用价值。

1碱性渣系及碱性气体保护药芯焊丝的冶金特点

1.1碱性熔渣宏观特征

碱性渣顾名思义熔渣的碱度高，按照文献[2]建议的熔渣碱度计算公式，一般BI>1.5为碱性熔渣。从熔渣碱度定义出发，可以设计出多种碱性熔渣焊丝。本文选择CaF2-CaO-SiO2和MgO-CaF2-SiO2-TiO2两种碱性熔渣进行试验。首先从熔渣宏观特征说起（表1），第一种渣与酸性渣大不相同，一是色泽赭色里透着暗黄，二是渣很薄，与焊缝抓得很紧，不易脱落，必须施加外力或振动，振后易碎，脱不干净，而且是玻璃状渣。第二种渣与酸性渣有点接近，渣的色泽褐色里透着暗红，渣比前者较厚，渣与焊缝抓得不牢，比较容易分离，渣是瓷石状。其次，从渣的高温熔化特性看，二者差别不大，面罩下看到的是典型碱性渣熔池形

貌，高温渣的流动性很好，覆盖性后者更满意。最后，

必须强调的是，碱性熔渣的特性决定了该焊丝的操作特性与E501T-1酸性焊丝是不同的，主要焊接参数不同，操作技巧要用心掌握：电弧要压低一点、焊丝倾角要大点、焊接速度适当放慢点、横向可以摆开点。只要操作技术掌握得好，飞溅会变得较小，电弧不再那么太飘，感觉自然好多了。

1.2碱性气体保护药芯焊丝的冶金特点

121熔滴过渡区

从焊丝端部熔滴形成、过渡至焊缝熔池这一区间，可能发生下列化学冶金反应：

（1）熔滴、芯柱与电弧中CO2及其分解物作用

1.2.2熔池反应区

在熔池反应区将继续进行熔滴阶段的化学反应，只是反应速度和反应剧烈程度与熔滴阶段不尽相同，也可能出现与焊条电弧焊熔池反应区不同的情况。注意到熔滴过渡中伴随渣柱（或芯柱），以及渣柱直接进入熔池现象，可能导致焊接化学冶金反应不完全和冶金过程的新变化。另一方面，由于熔渣较稀，熔滴过渡过程中，熔渣未必完整包覆熔滴，熔滴的氧化对去氢有一定作用（当然，亦要考虑熔滴尺寸较大，比表面积较小因素），携带氢量相对较少，进入熔池氢总量小。还有，熔池轮廓清晰，裸露面较大，熔池中气泡易于浮出。

2碱性渣气体保护药芯焊丝的电弧行为与工艺质量2.1碱性渣系药芯焊丝的电弧行为

2.1.1电弧形态

文献[3]通过与实心焊丝的对比观察，把药芯焊丝的电弧形态分为四种类型：按电弧的连续性分，可以分为连续型和断续型电弧；按电弧的活动性分，可以分为活动型和非活动型电弧。实心焊丝CO2气体保护焊时，尽管熔滴的非轴向排斥过渡形态使电弧偏离焊丝轴线，而且随熔滴在焊丝端急速摆动而飘移不定，但电弧首先是在焊丝端头的整个截面上产生的，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“O”型截面药芯焊丝（无论酸性或者碱性）CO2气体保护焊时，熔滴虽然也是非轴向排斥过渡形态，而且随熔滴在焊丝端急速摆动而发生电弧迁移，然而电弧首先是产生在焊丝金属外套管上，况且熔滴的滴状过渡并未出现电弧瞬间熄灭现象，因此该类药芯焊丝的电弧形态应属于活动、连续型。总体上看，药芯焊丝CO2气体保护焊时，因为药芯中加有稳弧剂，电弧的挺度和稳定性均比实心焊丝的好，焊丝的工艺性理应得到明显的改善。

2.1.2熔滴过渡特性

2.1.2.1熔滴形成过程

观察对接口“O”形截面药芯焊丝熔滴形成过程，可以发现，进入电弧区的焊丝端部，在接口处及其附近的钢带首先快速熔化，而在接口的径向处钢带则滞后熔化，于是很快形成了偏心熔滴悬于焊丝端部；与此同时处于焊丝端部、熔滴下方的还有滞后钢带熔化的所谓渣柱，有时还有滞后熔化的一小段细钢带。随着焊丝不断送进，熔滴在电弧中急速旋转、飘移并过渡。可以看出，电弧燃烧时，焊丝端部沿圆周方向不能同步熔化，而是沿接口处熔化速度快，接口径向处熔化速度慢，结果出现偏心熔化（或马蹄形熔化）、熔滴沿焊丝周边悬挂运动和熔滴的非轴向过渡现象。至于处于熔滴下方的渣柱的形成，则是由于药芯组成物熔点比钢带高所致。

2.1.2.2熔滴过渡形态

在CO2气体保护下，这类药芯焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡），其主要的过渡指标是熔滴尺寸、过渡频率及熔滴过渡的非轴向倾向（熔滴与焊丝轴线夹角）。熔滴过渡形态的变化，主要依赖于焊接电流变化。在小电流下焊接时，焊丝端部的滴状熔滴受多种力作用，急速地摆动，并以非轴向方式不停地脱离焊丝实现过渡。随焊接电流的增大，熔滴尺寸减小，过渡频率增大，熔滴的非轴向倾向略显减小；当焊接电流大于某范围值后，随着过渡频率急剧增大，熔滴沿焊丝渣柱方向过渡。熔滴沿渣柱的过渡行为，对稳定电弧、减小焊接飞溅、改善操作工艺性较为有利。在生产现场通常采用较大焊接电流，电弧电压达相应数值时，这类焊丝发生短路过渡的机会较小。

2.2碱性渣系气体保护药芯焊丝的工艺质量（实测）

3碱性渣系气体保护药芯焊丝熔敷金属的力学性能3.1碱性渣焊丝熔敷金属拉伸力学性能

焊丝熔敷金属的拉伸试验（表3）表明，两种焊丝的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等指标都能达到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于两种焊丝这些指标的差异，显然是由于化学成分不同所造成。虽然碱性渣氧化性小、焊缝金属含氧量特别低、含氢量也很低、去除S、P能力强，焊丝拉伸性能指标能被方便调整或控制，但是，与E501T-1焊丝相比，这两种焊丝在拉伸性能方面的优势并不突出。该焊丝优势主要体现在焊缝韧性，特别是焊缝金属的低温冲击性能非常优秀。

碱性药芯焊丝熔敷金属韧性的控制包括四个方面（图2）：首先，要控制熔渣的碱度。焊丝熔渣的碱度BI大于1.5时，能保证焊缝金属低氢和低氧含量，而且是图2熔敷金属韧性控制原理方框图

低硫、磷含量，及低夹杂物含量（晶界净化）。第二，要控制焊缝化学成分。从两方面入手：①控制熔敷金属的屈强比Rel/Rm=0.85～0.95，或延强比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要时可以在焊缝中加适量的Ti、B微量元素，其目的是保证熔敷金属形成85%以上的针状铁素体组织。第三，控制焊接热输入。进一步强化或助力焊缝中针状铁素体组织形成。第四，控制生产线装备[7]。要保证装备的先进性，确保送粉的均匀性和焊丝接口的密封性，防止药粉分层，杜绝焊丝漏粉、焊丝扭曲等不良现象出现，确保冲击试件无低值数据出现。

6结论

（1）典型碱性焊丝熔渣色泽赭色透黄、渣薄玻璃状，渣中SiO2很少，在熔滴反应区渗硅反应被抑制，熔滴不增氧，不被细化。弧柱中氧化性及熔池面裸露有利去氢作用。

（2）该类药芯焊丝的电弧形态属于活动、连续型。焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡）。实测的两种碱性焊丝，在焊缝成形、

全位置焊接适应性等工艺性能方面有所差别，但抗气孔性能都很满意。

（3）碱性渣药芯焊丝可以保证熔敷金属低的含氧、含氢量及较少的有害杂质，保证焊缝组织大量的针状铁素体，因而获得了优异的力学性能。第二种焊丝出现韧性低值试件问题，与焊丝制造过程中药粉的均匀性、流动性等因素有关。

（4）碱性药芯焊丝工艺质量指标选择的“合于使用”原则，强调产品特征或用户要求，注重某些单项工艺质量指标的研发与改进。

（5）提出了通过两个形成焊接飞溅关键参数控制飞溅的技术路线，以及通过4个方面确保获得优异、稳定冲击性能的焊缝韧性控制原理。

参考文献

[1]孙咸. 碱性渣系气保护药芯焊丝立向上焊接工艺[J].焊接，2003（9）：16-19.

[2]陈伯蠡. 焊接冶金原理[M].北京：清华大学出版社，1991.

[3]孙咸.气体保护药芯焊丝熔滴过渡形态的研究[J].MM现代制造（现代焊接工程），2010（2）： 57-61.

[4]中国机械工程学会，北京·埃森焊接与切割展览会组委会.北京·埃森焊接与切割展览会综合技术报告[R].北京：2012：146.

[5]吴磊磊. 船舶制造高效焊接—船舶制造中高效焊接对焊材的要求[J].金属加工（热加工），2013（22）：21.

[6]孙咸. 钛型渣系气保护药芯焊丝熔敷金属力学性能的控制[J].机械工人（热加工），2005（8）：31-34.

[7]孙咸. 药芯焊丝生产线装备特性以及与焊丝品质的相关性[J].焊接，2011（2）：14-18

2.1.2.2熔滴过渡形态

在CO2气体保护下，这类药芯焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡），其主要的过渡指标是熔滴尺寸、过渡频率及熔滴过渡的非轴向倾向（熔滴与焊丝轴线夹角）。熔滴过渡形态的变化，主要依赖于焊接电流变化。在小电流下焊接时，焊丝端部的滴状熔滴受多种力作用，急速地摆动，并以非轴向方式不停地脱离焊丝实现过渡。随焊接电流的增大，熔滴尺寸减小，过渡频率增大，熔滴的非轴向倾向略显减小；当焊接电流大于某范围值后，随着过渡频率急剧增大，熔滴沿焊丝渣柱方向过渡。熔滴沿渣柱的过渡行为，对稳定电弧、减小焊接飞溅、改善操作工艺性较为有利。在生产现场通常采用较大焊接电流，电弧电压达相应数值时，这类焊丝发生短路过渡的机会较小。

2.2碱性渣系气体保护药芯焊丝的工艺质量（实测）

3碱性渣系气体保护药芯焊丝熔敷金属的力学性能3.1碱性渣焊丝熔敷金属拉伸力学性能

焊丝熔敷金属的拉伸试验（表3）表明，两种焊丝的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等指标都能达到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于两种焊丝这些指标的差异，显然是由于化学成分不同所造成。虽然碱性渣氧化性小、焊缝金属含氧量特别低、含氢量也很低、去除S、P能力强，焊丝拉伸性能指标能被方便调整或控制，但是，与E501T-1焊丝相比，这两种焊丝在拉伸性能方面的优势并不突出。该焊丝优势主要体现在焊缝韧性，特别是焊缝金属的低温冲击性能非常优秀。

碱性药芯焊丝熔敷金属韧性的控制包括四个方面（图2）：首先，要控制熔渣的碱度。焊丝熔渣的碱度BI大于1.5时，能保证焊缝金属低氢和低氧含量，而且是图2熔敷金属韧性控制原理方框图

低硫、磷含量，及低夹杂物含量（晶界净化）。第二，要控制焊缝化学成分。从两方面入手：①控制熔敷金属的屈强比Rel/Rm=0.85～0.95，或延强比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要时可以在焊缝中加适量的Ti、B微量元素，其目的是保证熔敷金属形成85%以上的针状铁素体组织。第三，控制焊接热输入。进一步强化或助力焊缝中针状铁素体组织形成。第四，控制生产线装备[7]。要保证装备的先进性，确保送粉的均匀性和焊丝接口的密封性，防止药粉分层，杜绝焊丝漏粉、焊丝扭曲等不良现象出现，确保冲击试件无低值数据出现。

6结论

（1）典型碱性焊丝熔渣色泽赭色透黄、渣薄玻璃状，渣中SiO2很少，在熔滴反应区渗硅反应被抑制，熔滴不增氧，不被细化。弧柱中氧化性及熔池面裸露有利去氢作用。

（2）该类药芯焊丝的电弧形态属于活动、连续型。焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡）。实测的两种碱性焊丝，在焊缝成形、

全位置焊接适应性等工艺性能方面有所差别，但抗气孔性能都很满意。

（3）碱性渣药芯焊丝可以保证熔敷金属低的含氧、含氢量及较少的有害杂质，保证焊缝组织大量的针状铁素体，因而获得了优异的力学性能。第二种焊丝出现韧性低值试件问题，与焊丝制造过程中药粉的均匀性、流动性等因素有关。

（4）碱性药芯焊丝工艺质量指标选择的“合于使用”原则，强调产品特征或用户要求，注重某些单项工艺质量指标的研发与改进。

（5）提出了通过两个形成焊接飞溅关键参数控制飞溅的技术路线，以及通过4个方面确保获得优异、稳定冲击性能的焊缝韧性控制原理。

参考文献

[1]孙咸. 碱性渣系气保护药芯焊丝立向上焊接工艺[J].焊接，2003（9）：16-19.

[2]陈伯蠡. 焊接冶金原理[M].北京：清华大学出版社，1991.

[3]孙咸.气体保护药芯焊丝熔滴过渡形态的研究[J].MM现代制造（现代焊接工程），2010（2）： 57-61.

[4]中国机械工程学会，北京·埃森焊接与切割展览会组委会.北京·埃森焊接与切割展览会综合技术报告[R].北京：2012：146.

[5]吴磊磊. 船舶制造高效焊接—船舶制造中高效焊接对焊材的要求[J].金属加工（热加工），2013（22）：21.

[6]孙咸. 钛型渣系气保护药芯焊丝熔敷金属力学性能的控制[J].机械工人（热加工），2005（8）：31-34.

[7]孙咸. 药芯焊丝生产线装备特性以及与焊丝品质的相关性[J].焊接，2011（2）：14-18

2.1.2.2熔滴过渡形态

在CO2气体保护下，这类药芯焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡），其主要的过渡指标是熔滴尺寸、过渡频率及熔滴过渡的非轴向倾向（熔滴与焊丝轴线夹角）。熔滴过渡形态的变化，主要依赖于焊接电流变化。在小电流下焊接时，焊丝端部的滴状熔滴受多种力作用，急速地摆动，并以非轴向方式不停地脱离焊丝实现过渡。随焊接电流的增大，熔滴尺寸减小，过渡频率增大，熔滴的非轴向倾向略显减小；当焊接电流大于某范围值后，随着过渡频率急剧增大，熔滴沿焊丝渣柱方向过渡。熔滴沿渣柱的过渡行为，对稳定电弧、减小焊接飞溅、改善操作工艺性较为有利。在生产现场通常采用较大焊接电流，电弧电压达相应数值时，这类焊丝发生短路过渡的机会较小。

2.2碱性渣系气体保护药芯焊丝的工艺质量（实测）

3碱性渣系气体保护药芯焊丝熔敷金属的力学性能3.1碱性渣焊丝熔敷金属拉伸力学性能

焊丝熔敷金属的拉伸试验（表3）表明，两种焊丝的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等指标都能达到GB/T10054—2001 E500T-5要求，至于两种焊丝这些指标的差异，显然是由于化学成分不同所造成。虽然碱性渣氧化性小、焊缝金属含氧量特别低、含氢量也很低、去除S、P能力强，焊丝拉伸性能指标能被方便调整或控制，但是，与E501T-1焊丝相比，这两种焊丝在拉伸性能方面的优势并不突出。该焊丝优势主要体现在焊缝韧性，特别是焊缝金属的低温冲击性能非常优秀。

碱性药芯焊丝熔敷金属韧性的控制包括四个方面（图2）：首先，要控制熔渣的碱度。焊丝熔渣的碱度BI大于1.5时，能保证焊缝金属低氢和低氧含量，而且是图2熔敷金属韧性控制原理方框图

低硫、磷含量，及低夹杂物含量（晶界净化）。第二，要控制焊缝化学成分。从两方面入手：①控制熔敷金属的屈强比Rel/Rm=0.85～0.95，或延强比A/Rm=0.034～0.055[6]；②必要时可以在焊缝中加适量的Ti、B微量元素，其目的是保证熔敷金属形成85%以上的针状铁素体组织。第三，控制焊接热输入。进一步强化或助力焊缝中针状铁素体组织形成。第四，控制生产线装备[7]。要保证装备的先进性，确保送粉的均匀性和焊丝接口的密封性，防止药粉分层，杜绝焊丝漏粉、焊丝扭曲等不良现象出现，确保冲击试件无低值数据出现。

6结论

（1）典型碱性焊丝熔渣色泽赭色透黄、渣薄玻璃状，渣中SiO2很少，在熔滴反应区渗硅反应被抑制，熔滴不增氧，不被细化。弧柱中氧化性及熔池面裸露有利去氢作用。

（2）该类药芯焊丝的电弧形态属于活动、连续型。焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡（大角度排斥过渡）。实测的两种碱性焊丝，在焊缝成形、

全位置焊接适应性等工艺性能方面有所差别，但抗气孔性能都很满意。

（3）碱性渣药芯焊丝可以保证熔敷金属低的含氧、含氢量及较少的有害杂质，保证焊缝组织大量的针状铁素体，因而获得了优异的力学性能。第二种焊丝出现韧性低值试件问题，与焊丝制造过程中药粉的均匀性、流动性等因素有关。

（4）碱性药芯焊丝工艺质量指标选择的“合于使用”原则，强调产品特征或用户要求，注重某些单项工艺质量指标的研发与改进。

（5）提出了通过两个形成焊接飞溅关键参数控制飞溅的技术路线，以及通过4个方面确保获得优异、稳定冲击性能的焊缝韧性控制原理。

参考文献

[1]孙咸. 碱性渣系气保护药芯焊丝立向上焊接工艺[J].焊接，2003（9）：16-19.

[2]陈伯蠡. 焊接冶金原理[M].北京：清华大学出版社，1991.

[3]孙咸.气体保护药芯焊丝熔滴过渡形态的研究[J].MM现代制造（现代焊接工程），2010（2）： 57-61.

[4]中国机械工程学会，北京·埃森焊接与切割展览会组委会.北京·埃森焊接与切割展览会综合技术报告[R].北京：2012：146.

[5]吴磊磊. 船舶制造高效焊接—船舶制造中高效焊接对焊材的要求[J].金属加工（热加工），2013（22）：21.

[6]孙咸. 钛型渣系气保护药芯焊丝熔敷金属力学性能的控制[J].机械工人（热加工），2005（8）：31-34.

[7]孙咸. 药芯焊丝生产线装备特性以及与焊丝品质的相关性[J].焊接，2011（2）：14-18