焊劑各組元間交互作用對焊縫工藝性的影響研究*

張 敏，邢 奎，舒紹燕，周永欣，李繼紅

（西安理工大學 材料科學與工程學院，西安710048）

0 前 言

埋弧焊用燒結焊劑的生產成本較低，且制作方便。特別是在堿性焊劑的焊縫金屬中，非金屬夾雜物少，從而使焊縫具有較高的力學性能[1-5]。但由于堿性焊劑的堿度較高，在實際焊接過程中，易出現焊道成形不規整、夾渣等缺陷。實踐經驗表明[6-8]，良好的焊縫成形可避免焊接缺陷，確保焊接工藝性能優異和焊接接頭質量穩定。因此，提高焊縫金屬的成形性成為焊接工作者關心的高堿度燒結焊劑工藝性能的重要技術問題之一。

埋弧焊焊劑的成分配比對焊劑的物理性能有著直接的影響，而良好的物理性能可保證焊縫金屬具有優異的電弧燃燒穩定性和成形性，對提高焊接工藝性能有著直接的影響[9-11]。雖然國內外對焊劑物理性質的研究已引起非常高的重視，并展開了一定的研究工作，但針對復雜的多因素綜合交互作用的配方配比問題，特別是對X1～X66組元及以上配比的這樣一個復雜的交互作用問題，采用傳統的經驗方法，很難揭示其內在規律。因此建立合適的數學模型，揭示焊劑各組元之間的交互作用對選定目標函數的綜合影響規律，對焊劑的研究具有重要意義。本研究通過采用以數理統計理論為基礎的均勻設計方法，研究CaF2-MgO-Al2O3-CaO-ZrO2-TiO2氟堿型渣系燒結焊劑的各原料組分對焊縫成形的影響，建立數學模型，討論焊劑組元間多因素相互影響規律，揭示焊劑組成成分與焊接工藝之間的關系，為研制具有優良焊接工藝性能的高速埋弧焊劑開辟新的途徑。

1 試驗材料及方法

試驗材料主要由螢石、鎂砂等組成，配制成CaF2-MgO-Al2O3-TiO2渣系燒結焊劑，通過粘結劑鉀鈉混合型水玻璃添加少量的K2O和Na2O來穩弧。其中，各類礦物粉中均含有SiO2，而SiO2含量不能太高，過多的SiO2會增加熔渣粘度，降低電弧穩定性。因此，SiO2的加入量是通過其它礦物原料的添加而附加帶入的。

在研究初期，通過均勻設計法設計焊劑配方，為使最佳條件落在設計的范圍內，確定試驗因素為22水平。由此可確定選用11因素22水平的均勻設計表 U*22（2211），根據 U*22（2211）的使用表，選用1，4，7，8，9和11列進行設計，得出22組焊劑配方，所設計的焊劑為氟堿型燒結焊劑。在這22組焊劑配方中，由氟堿型渣系的組分要求及本次試驗焊劑的堿度范圍要求，剔除不合理的焊劑型號，最終得到符合要求的11種焊劑配方，見表1。

按表1所列焊劑藥粉的質量分數配制成11組堿性燒結焊劑，每種配方制作1 kg的焊劑，其粒度控制在10～40目，并經過晾干、燒結等工藝處理。匹配實驗室自主研制的Mn-Ni-Mo-B合金系焊絲（準4 mm），試驗所用母材為國產低碳貝氏體鋼，試板規格為520 mm×250 mm×15.3 mm，采用兩板對接方式，不開坡口。

表1 設計試驗用11種焊劑藥粉的質量分數%

使用MZ-1000自動埋弧焊機對試驗鋼板進行直縫埋弧焊，雙面焊雙面成形。焊前需要對板材表面進行污漬清理。焊接工藝參數見表2。

表2 焊接工藝參數

為了更好地對試驗數據進行分析，對因變量焊縫工藝性Y值采用十分制評分。焊接工藝性考察脫渣性、焊縫表面質量等方面因素。具體的評分規則如下：

（1）焊縫表面出現大量密集性氣孔造成的麻點或氣體壓痕5處以上；渣殼不易脫落，出現大量粘渣，焊縫表面發黑且無金屬光澤，余高超過3.0 mm，評分值Y<6；

（2）麻點面積小于焊縫表面積的5%，焊縫表面氣體壓痕少于5處；部分渣殼可自動脫落，出現部分粘渣；焊縫表面發黑無金屬光澤，焊縫余高超過3.0 mm，評分值6≤Y<7；

（3）少數幾個麻點 （≤5個），無氣體壓痕；部分渣殼可自動脫落，無粘渣；焊道邊緣整齊，表面略發黑無金屬光澤，余高超過3.0 mm，寬度小于14 mm，評分值7≤Y<8；

（4）無麻點和氣體壓痕，焊縫表面平滑，無粘渣，但表面略發黑無金屬光澤，余高超過3.0 mm，焊縫寬度小于14 mm；渣殼可全部自動脫落，無粘渣，電弧較為平穩，評分值8≤Y<9。

（5）無麻點和氣體壓痕，渣殼內表面邊緣及中心部位都未出現氣孔；焊道邊緣整齊、過渡平緩、表面光滑，焊縫表面有良好的金屬光澤，且余高小于3.0 mm，寬度大于14 mm；焊接完成后，部分渣殼可全部自動脫落，無粘渣，電弧平穩且無明弧現象，評分值Y≥9。

2 試驗結果

2.1 焊接工藝性試驗測試結果

按照上述的評分規則，對每組焊劑配方進行實際施焊評分，結果見表3。

表3 焊劑焊接工藝性能評分

2.2 數學模型

將表3中所測試的每組焊接的工藝性評分作為目標函數Y，利用DPS數據統計軟件的回歸功能，將焊接的工藝性能試驗數據，與表1所示的焊劑組分在高維空間的分布數據X1～X6，建立起因變量焊縫成形工藝性對應于各種焊劑組分相關系數的回歸模型，并對其進行顯著性檢驗。所得的回歸模型如下：

考察此數學模型的真偽，其模型數據為：相關系數 R=0.999 9；F=7 404.85；Df=（9，1）；p=0.009 0；剩余標準差 S=0.0013。

調整后的相關系數Ra=0.999 9；Durbin-Watson統計量d=1.540 34；決定系數Ra2=0.999 85。

模型回歸顯著性概率見表4。從回歸方程中可以看出，在所選的全部27個含有未知數項中，有9個項反應出各焊劑組元對焊接工藝性有影響，這些影響絕大部分都呈交互作用形式。從表4中可以看出，回歸模型的p=0.009，為高度顯著，說明回歸是高度有效的。并且從逐步回歸的輸出結果中可以知道回歸方程的決定系數為R-square=0.999 85，此即同樣說明線性回歸結果為高度顯著。從表4可以看出，在輸出的回歸系數表中，各自變量的顯著性概率p值都小于0.05，說明回歸方程中的每一項都是顯著有效的，所以該回歸方程可以認為是最佳方程。

表4 模型回歸顯著性概率

3 結果分析

焊劑中各組元在高溫下的物理冶金行為是一個復雜的多因素交互問題，為了描述各因素之間的內在關系，揭示焊劑成分對焊縫工藝性的影響規律，對上述回歸方程進行多組元交互作用分析。

從上述回歸方程可以看出：螢石X1與鋯英砂X4的交互作用對焊縫成形的影響為負相關，但與硅灰石X5的交互作用對焊縫成形的影響則為正相關。由于螢石在燒結焊劑中的作用主要是造渣和除氫，當其在合適的范圍內逐漸增大時，由于 O2-離子的半徑（1.32×10-10m）與 F-離子的半徑（1.33×10-10m）相近，在高溫時可互換，所以在硅酸鹽四面體中加入CaF2就會產生O2-離子鍵被F-離子取代的現象，從而使氧橋連結（≡Si-O-Si≡）破壞，形成≡Si-F連結，氟在負離子結構中起到解聚作用，使得原結構斷裂，導致聚合體變小，從而改善焊道的融合性和脫渣性。但是當螢石的含量繼續增加時，就會對焊劑的各項工藝性能產生不利影響，這是由于螢石中的主要成分CaF2電離電位較高，并且電離所得的F-極易奪取電弧中的電子，使焊接電弧的燃燒穩定性降低，在焊接過程中會使空氣大量侵入電弧區，從而導致焊縫金屬成形變差。相反，在此種堿性渣系中增加含有堿性物質的硅灰石則提高了焊接電弧穩定性，增加熔渣流動性，有利于熔渣從熔池中浮出，從而改善焊縫成形。

鎂砂X2與硅灰石X5和鈦白粉X6的交互作用有利于焊縫成形，這可能是由于MgO和CaO都是高熔點物質，不易分解，當（MgO+CaO）/SiO2的比例不大3時，可增強焊接熔池的脫硫能力；焊劑中加入少量的TiO2，可以改善熔渣流動性和易熔性，促使焊縫金屬還原產物的聚集，并把它們排除到熔渣中。隨著其含量增加，會使渣殼容易脫落，使焊縫光潔無瑕疵，同時TiO2的加入還能顯著提高熔渣導電性，從而提高焊接電弧穩定性。根據分子理論，當MgO-TiO2-CaO交互作用時，可在熔渣中形成相當數量的鈣鈦礦 （CaO·TiO2），這種礦物由于其具有較高的結晶性（結晶溫度在1 400℃），從而使熔化溫度較高，可以較好地保護好熔池，從而可使脫渣性得到改善，獲得成形性優良的焊縫。

鋁礬土X3與鋯英砂X4和硅灰石X5的交互作用同樣有利于焊縫成形，因為堿性和氟化物燒結焊劑在埋弧焊時容易使電弧燃燒不穩定，為了得到好的焊接工藝，焊劑成分中必須含有電離勢低的成分，加入Al2O3和CaO會使電離勢變低，電弧燃燒穩定；同時，加入具有明顯離子鍵的CaO，由于增加O2-離子數量，使聚合的硅氧負離子團發生破裂；ZrO2為酸性氧化物，一方面，加入ZrO2會顯著提高熔化焊劑的粘度和熔點，這就會使電弧燃燒的穩定性提高，促使焊縫金屬表面波紋消除，另一方面，由于ZrO2會分解為Zr4+和O2，使焊劑具有較高的表面張力，從而在焊接過程中，有利于脫渣，改善焊縫的成形性能。

4 結 論

（1）基于均勻設計的方法研究燒結焊劑，能夠把多種焊劑原料對焊縫成形的影響進行量化，給出較為合理的回歸數學模型，利用模型對焊劑配方進行優化，能夠大大降低試驗次數，為開發新型焊劑提供較為科學的方法。

（2）焊劑成分之間的交互作用對焊縫工藝性有很大影響，CaF2與ZrO2的交互作用對焊縫成形的影響為負相關，與CaO的交互作用對焊縫成形的影響則為正相關；當 （MgO+CaO）/SiO2的比例不大于3時，可增強焊接熔池的脫硫能力，向焊劑中加入少量的TiO2，可改善熔渣流動性，從而改善焊縫成形。

（3）Al2O3與ZrO2和CaO的交互作用同樣有利于焊縫成形。

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