手工自蔓延焊接立焊工藝可行性分析

劉浩東，張 龍，王建江，吳永勝，李寶峰

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

手工自蔓延焊接立焊工藝可行性分析

劉浩東，張 龍，王建江，吳永勝，李寶峰

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

手工自蔓延焊接技術因在野戰應急搶修方面的獨特優越性而受到廣泛關注。簡述了手工自蔓延焊接技術的機理和研究現狀及其所具有的軍事和民用價值，討論了當前手工自蔓延焊接的立焊工藝所存在的主要問題，并針對所存在的問題對普通自蔓延燃燒型焊條應用于立焊的可行性從強迫成形、自由成形、焊條結構梯度化、活性劑焊接及焊接操作工藝等方面進行了理論分析和歸納總結，著重指出需要進一步深入研究攻關的方向。

手工自蔓延焊接；立焊；工藝可行性

0 前言

手工自蔓延焊接是傳統焊接工藝與自蔓延高溫合成技術相結合的集成創新的自蔓延熔焊方法[1]。該方法以燃燒合成反應放出的熱量為高溫熱源，將焊接母材局部加熱熔化，以燃燒合成反應的產物為填料，采用焊條電弧焊實現焊接母材的永久牢固連接。該技術不需要電源和氣源，只需用火柴點燃狀似普通焊條的燃燒型焊條，即可方便地實施焊接[2]。可實現同種或異種金屬材料的焊接，焊縫力學性能良好，抗拉強度大于等于400 MPa，彎曲強度大于等于1 000 MPa，不開坡口焊接厚度可達5 mm，焊條儲存壽命五年以上。實現了無電、無氣和無任何設備條件下的手工焊接，該技術既可廣泛應用于武器裝備戰場搶修的應急焊接，也可用于民用野外工程設施的緊急修護，是金屬構件戰場或野外應急焊接修復技術領域“由伴隨維修向原位維修轉變”的革命。

1 手工自蔓延焊接立焊的研究現狀

手工自蔓延焊接是一種全新的應急焊接方法，關于該技術的立焊工藝研究國內外開展較少。裝甲兵工程學院在俄羅斯類似技術的應用方面做了大量研究工作。在對手工自蔓延焊接進行深入且富有成效的研究的基礎上，也對該技術的立焊工藝進行了初步的研究分析。

2 手工自蔓延焊接立焊存在的問題及研究意義

前期的初步試驗表明，在目前條件下，應用系列燃燒性手工自蔓延焊條進行平焊時，其焊接接頭的焊縫基本可滿足戰場和野外應急搶修的要求[3]。但當進行立焊操作時，則出現熔池內熔融焊料因重力作用在凝固前流走，焊縫成形困難、強度低，熔渣剝離難，夾渣嚴重等現象，并且對施焊作業人員的技術和焊接工藝設備都有較高的要求。而在真實的野外和戰場環境下，焊修裝置的大型化、立體化和時間的緊迫性是野外應急搶修不能回避的問題，因此能否實現簡單、快速、有效的立焊也就成為制約手工自蔓延焊接推廣和應用的關鍵。

3 原因分析

手工自蔓延焊接作為一種特殊的熔焊技術，在熱源、母材熔化、熔池特點、結晶機理等方面與普通熔焊存在著本質的區別，因此利用比較成熟的普通自蔓延燃燒型焊條進行立焊操作時，具有以下幾個特點：

(1)焊接時不存在電弧作用力。

(2)由于主要作為野外應急搶修的手段，決定了其很難提供專門的保護氣體，因而也就不具備保護氣的向上吹力。

(3)由于沒有專門的附加冷卻裝置，因而也不具備強迫成型立焊的實施條件。

(4)更為重要的一點是，由于手工自蔓延焊接原理的特殊性，即以燃燒合成反應放出的熱量為高溫熱源將焊接母材局部加熱熔化，以燃燒合成反應的產物為填料，因此熔融焊料與母材的潤濕性與傳統焊接方法相比不是十分理想。

基于以上幾個原因，應用目前已較為成熟的普通燃燒型焊條施行立焊操作，其焊接狀況很難滿足野外應急搶修的要求。

4 解決思路及進一步研究方向

綜觀日常生產中常用的幾種立焊工藝，原理不外乎兩種類型：一種是利用電弧作用力或保護氣的向上吹力和高導熱系數，或兩種效果同時作用，來維持熔池內熔融焊料不至于在凝固之前因重力作用而流走，即所謂的自由成形立焊原理；第二種是利用附加冷卻裝置來強制冷卻熔池內熔融焊料，使其在流走之前凝固，進而起到阻止后續熔融焊料流動的作用，即所謂的強迫成形立焊原理。同時，熔融焊料與待焊母材的潤濕性在以上兩種類型的立焊原理中也起到至關重要的作用。

雖然手工自蔓延焊接是一種全新的技術，但在解決其立焊操作存在的問題時，仍需借鑒前述傳統焊接技術的立焊工藝原理，主要有以下幾個基本思路：

(1)借鑒強迫成型立焊工藝原理。具體思路是：探索在所制得的燃燒型焊條中添加某種焊接活性劑，使焊條在焊接時形成短渣，焊弧區內熔渣粘度小、流動性好，以利于焊接冶金反應的充分進行，熔池中的氣體和夾渣能及時浮出；而當焊弧移開后，熔渣粘度迅速增大并快速凝固，以避免熔渣和鐵水下淌，從而獲得成形良好的焊縫。以此來抑制立焊焊接時熔池中熔融焊料在重力作用下的流動，同時所添加的物質能在一定程度上增大熔池內熔融焊料與母材的潤濕性，使熔融焊料不會呈金屬球狀下淌，減弱焊渣對熔融焊料的阻擋。基于上述構想并查閱文獻，認為較為理想的添加物質分別是TiO2和TiFe，加入前者可較大幅度地降低熔渣的表面張力，增大熔渣的擴展功，改善熔渣覆蓋的均勻性和焊縫成形，但應控制好TiO2含量。當TiO2含量過低時，熔渣粘度和表面張力過大，熔渣收縮成塊狀，局部覆蓋在焊縫表面，且壓迫焊縫，造成焊縫外形窄而高；而當TiO2含量過多時，熔渣太稀，易造成熔渣和鐵水下流，覆蓋均勻性差，焊縫也不能良好成形，同時適量的TiO2還可適當降低熔渣的熔點，并在渣中起網格作用，從而形成典型的短渣，有利于防止熔渣下流。加入TiFe除了具有TiO2的兩個作用外，還起到一定的脫氧劑作用，但鈦鐵礦系混合物，其熔點要根據TiO2，FeO，Fe2O3熔點確定，且氧化性較強，合金過渡系數較低，同時形成的渣殼疏松多孔，熱脫渣性較差，焊縫表面容易咬渣[4]。最終需通過立焊效果、焊縫成形和焊接強度等綜合考慮決定采用對象，同時注意適當減少焊條中的典型長渣物質如SiO2等。

(2)借鑒自由成形原理。具體思路是：在焊條配方中添加造氣劑，其主要作用是使焊弧產生較大的吹力。而要求焊弧有較大的吹力，主要有四點功能：一是在立焊時能有效托住熔滴和鐵水，防止其下淌或下流；二是打底焊時保證焊透，反面形成焊縫；三是下行焊條熔渣粘度較大，較大的焊弧吹力加強了熔池的攪拌作用，有利于氣體的逸出，防止氣孔產生；四是造氣劑分解產生的CO2氣體具有較大的導熱系數，快速冷卻焊縫，同時起到保護焊縫和防止熔融焊料下淌的作用。立焊焊條中常用的造氣劑有大理石(CaCO3)和纖維素(有機物)兩種，本研究經綜合考慮決定以大理石為造氣劑，采用該物質作為添加劑主要基于兩點考慮：一是若利用纖維素作為造氣劑，由于纖維素為有機物，容易使焊縫增氫而導致氣孔、白點以及機械性能不穩定，大直徑焊條對此更為敏感[4]，且焊接煙塵大，勞動條件差，傳統的纖維素型立焊焊條也不適用于平焊[5]，不利于自蔓延焊條后續全位置焊接的研究開發；二是采用大理石作為低氫堿性焊條的主要造氣劑，其分解產物為CaO和CO2[6]，CaO的熔點較高，在焊條配方中通過增加w(CaCO3)，可促進熔渣凝固溫度和粘度增大，同時由于CaO是由強正離子Ca2+與氧負離子O2-結合而成，并且結合得很牢固，鍵合能力很大，導致凝固溫度上升[7]，有助于形成短渣。同時在其他立焊工藝中，大理石的加入量有一個合適的范圍，加入量過低，則焊弧吹力不夠，易造成淌渣現象；加入量過高，則熔渣粘度和表面張力過大，吹力過強，電弧穩定性欠佳，飛濺增大，并易產生渣壓鐵水和夾渣缺陷。

(3)借鑒焊條電弧焊立焊時的控制電弧不斷燃燒和滅弧時間，以控制熔池形狀、位置、溫度和熔池中液態金屬厚度的原理改變焊條的物理結構。具體思路是根據測量的斷弧間隙時間，將焊條內部作梯度分段處理，每段之間以一定量的低產熱量燃燒維持劑相連，以保證焊條燃燒的連續性，從而實現焊弧的燃燒和斷弧。

(4)小熱量短弧焊接。傳統焊條電弧焊進行立焊作業時，要求所用焊接電流應比平焊小10%～15%，以避免過多的熔化金屬下淌；其次采用短弧焊接，以避免電弧過長所造成的熔滴下淌和嚴重飛濺[8]。基于此，可研究調整自蔓延焊條高熱劑、稀釋劑和其他具有顯著熱效應成分的相對量來改變焊條的總產熱量，從而研究在小熱量短弧狀況下燃燒型焊條進行立焊焊接時的現象。通過分析可知，在普通燃燒型焊條各組成成分中，對焊條的總熱量起主要作用的是高熱劑的相對量和稀釋劑的添加量，因此可通過調整高熱劑的相對含量和稀釋劑的添加量來研究小熱量燃燒型焊條立焊作業的效果。

(5)將活性劑焊接引入自蔓延焊接，具體思路是利用活性劑發揮作用的表面張力影響學說。其基本觀點認為，普通焊接金屬熔化狀態下其表面張力具有負的溫度系數，而當熔池金屬中存在某種微量元素或接觸到活性氣氛時，表面張力數值降低并且轉變為正的溫度系數，從而使熔池金屬形成從熔池周邊向著熔池中心區的表面張力流，熔池中心區的電弧熱量通過液態金屬的流動直接傳向熔池底部，提高熔池底部的加熱效率，從而形成更大的熔深[9]。將活性劑引入自蔓延立焊焊接，以期能通過涂覆某種活性劑來改善熔池與母材的潤濕，同時可利用較小熱量的焊條實現試件的焊接，從而有利于減弱熔融焊料的下淌。通過查閱相關文獻可知，常用的活性劑主要有氧化物、氟化物和氯化物三大類，氯化物類活性劑在焊接高溫狀態下會形成對人體有害易揮發的有毒氣體，目前各國均已不再采用該類物質進行研究；氟化物因具有較強的稀渣作用不利于方向性焊接，且在焊接過程中也會產生一定的有毒氣體，不宜應用。因此經綜合考慮決定采用氧化物類作為試驗的研究對象，并最終決定以目前國內外研究較多的TiO2和SiO2為研究對象。

5 結論

一種焊接技術對焊接位置的適用性深刻影響著該技術的推廣和應用。對于既適用于武器裝備戰場搶修，同樣可用于民用設施的野外應急焊接修護的手工自蔓延焊接而言，通過借鑒傳統焊接技術的立焊工藝原理進行科研攻關以求解決手工自蔓延焊接的立焊中存在的問題，必將使該技術的應用前景更加廣闊，社會經濟效益更加顯著。

[1]辛文彤，李志尊，李寶峰，等.一種野外快速焊接技術[J].焊接，2005(1)：19-21.

[2]李寶峰，辛文彤，李志尊，等.Q235鋼手工自蔓延焊接工藝研究[J].河北工業科技，2008(7)：193-197.

[3]李建平，石 全，甘茂治.裝備戰場搶修理論與應用[M].北京：兵器工業出版社，2000.

[4]張清輝，吳憲平，洪 波.焊接材料研制理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[5]胡連海，黃 堅，任德亮，等.新型多功能全位置立向下焊條的開發[J].焊接學報，2008，29(11)：49-52.

[6]崔 偉，李志提，高盛平.立向下E5048低氫鐵粉焊條的研制[J].熱加工工藝，2003，32(3)：41-42.

[7]蘇仲鳴.焊劑的性能和使用[M].北京：機械工業出版社，1987.

[8]張文明，焦萬才，劉兆甲.焊條電弧焊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，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

劉浩東(1986—)，男，山東淄博人，在讀碩士，主要從事自蔓延焊接的開發與應用的研究。