面向工程應用的焊條焊接工藝性能評價方法探討

蘇州熱工研究院有限公司 （江蘇 215004） 朱 平 王淦剛 趙建倉

中廣核工程有限公司 （廣東深圳 518000） 楊春樂

四川大西洋焊接材料股份有限公司 （四川自貢 643010） 蔣 勇

1.概述

我國已成為世界第一大焊接材料生產國，但高端及特種焊材的占比較小。以核電焊接材料為例，我國自20世紀70年代開始進行核島主設備用焊材的開發，并取得了大量的科技成果。但目前在建核電機組大批核島關鍵設備用焊接材料仍以進口為主，除了受制于冶金水平的限制導致部分產品質量與國外進口焊材有差距外，焊接材料的質量穩定性及焊接工藝性能成為制約國產核電用高端焊接材料大規模推廣應用的主要因素。可見焊接材料焊接工藝性能對產品工程應用的影響程度，缺少相應合格標準及量化指標，與工程應用切合度不高等成為焊接材料焊接工藝性能改進的關鍵影響因素。

本文以焊條為例，簡要分析焊接工藝性能的主要構成要素對工程應用的影響和現階段焊條焊接工藝性能的檢測方法，提出面向工程應用，采用建立以行業一線焊工的操作驗證與定量技術指標檢測的對應關系方法，探索焊接工藝性能主要構成要素的驗收指標，以期推動焊條焊接工藝性能的改進。

2.焊接工藝性能影響分析

焊條的焊接工藝性能主要包括電弧穩定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數、熔敷效率、發塵量及焊接成形質量等，對工程應用有顯著影響的主要是電弧穩定性、脫渣性、飛濺率、發塵量及焊接成形質量等5個方面。

電弧穩定性決定了焊條能否穩定持續的燃燒，對焊條的用量和施工進度有明顯的影響，可反饋焊條熔敷金屬的熔滴過渡形式，例如對堿性不銹鋼焊條，大顆粒的熔滴過渡因為短路時間較長易造成爆弧現象，而細顆粒的渣壁過渡則會使焊接過程更加平穩。

脫渣性指焊后覆蓋在焊縫上的焊接熔渣與焊縫表面分離的難易程度。通常以“熔渣與焊縫金屬間的結合層理論”解釋熔渣分離機理，焊縫表面形成的FeO薄膜層與基體的α-Fe、熔渣中的MeO、Me2O3尖晶石符合化合物具有相同的體心立方晶格特征，晶體結構的共格排列導致渣與金屬表面結合緊密、脫渣困難。緊密結合的焊渣使得工程上清渣費時、費工，降低生產率，增大了焊縫夾渣缺陷及接頭使用性能不良的風險，清渣過程也會惡化工作環境。

圖1 焊道自動翹起脫渣

焊接飛濺是指電弧焊時在熔滴過渡過程中飛向熔池之外、冷卻后在焊縫及其附近殘留的金屬顆粒。以堿性不銹鋼為例，堿性渣系與酸性渣系焊接飛濺行為不同，主要包括熔滴短路過渡引起的飛濺和電弧力引起的飛濺兩種類型，藥皮組成物所決定的粗熔滴以及短路過渡中的爆炸行為是產生焊接飛濺的必要條件。焊接飛濺主要與熔滴過渡特性有關，可間接反映熔滴的過渡形式，對工程的主要影響是產生數量較多或大顆粒的金屬顆粒，焊接電弧不穩定。以管道焊接為例，一般工程焊接過程中母材表面是不進行保護的，過大的飛濺會造成坡口面和管道表面殘留大量的顆粒狀金屬，有時會殘存較大顆粒的飛濺附著在坡口或前一焊道表面，這樣既增加了清理的工作量，同時也增大焊接缺陷的幾率。

發塵量直接影響工作環境，焊工工作環境本身存在電弧輻射、焊接煙塵等，工作環境較差，過大的發塵量又會一進步惡化工作環境，同時也影響焊接位置的可視性。

焊條焊道成形質量直接影響焊接工藝質量，成形不良或比較難得到良好成形質量的焊條，增大了焊接操作的難度，進而對焊工的操作水平提出了更嚴格的要求。近年來，由于國內核電建設的大范圍展開，優秀的焊工資源越來越匱乏，在這種背景下操作性較差的焊條難以得到青睞，因為其直接影響產品合格率，增大返修風險。

3.現有評定方式方法

（1）焊條研制階段工藝性能檢測 焊條研制開發階段，研發機構在廠內進行焊條的焊接工藝性能檢測，采用的方式主要是由企業熟練的焊工在鋼板上進行堆焊，檢測的內容包括焊條熔敷效率、熔化系數、脫渣情況、飛濺現象、煙塵和成形質量等。該類檢測結果一般依靠焊工及研發人員的經驗判斷，人為因素對結果判定的影響較大。廠內檢測時采用的材料一般與實際工程應用的材料有差異，有的差異還較大，這對某些焊條熔敷金屬的成形質量、電弧穩定性等工藝性能檢測結果有一定影響。廠內階段更多的是采用平板而非實際的工程焊接結構，因此對脫渣現象、焊道成形質量等項目的檢測針對性不強。另外，一般焊材企業缺少定量檢測飛濺率、脫渣率、煙塵量等參量的儀器裝置，基本依靠平板堆焊后觀察焊道兩側的板表面的顆粒大小和數量來評價飛濺率、觀察煙塵覆蓋寬度評價發塵量、敲擊去除藥皮的難度定性評價脫渣性，如圖2所示。考慮成本和周期的影響也較少進行定量檢測，同時因為飛濺率、脫渣率、煙塵量等參數難以給出具體的合格指標，因此用戶在采購條件中不給出明確要求或只是給出飛濺率低、脫渣容易、成形良好等定性的要求。

圖2 焊道飛濺、煙塵顯示

（2）按標準進行焊接工藝性能評定 國家標準中列出了焊接材料工藝性能評定方法，給出了電弧穩定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數、熔敷效率及發塵量的評定方法，但如前所述仍沒有合格標準的表述，同時測試方法仍采用平板堆焊的方式，與工程實際的焊接結構、實際使用的材料等有不同程度的偏離，造成了有檢測結果無法認定合格與否的現象，無法反饋焊接材料焊接工藝性能的改進，也缺少針對工程實際結構的焊接成形質量檢測。

4.改進及研究方向展望

（1）加強與工程應用的銜接 焊條焊接工藝性能對焊條的工程應用及大范圍推廣有直接且顯著的影響，工程應用階段需加強對特種及高端焊條的工藝性能考核。針對特種及高端焊接材料，應注重工程應用方一線操作人員焊接工藝性能的考核與驗證。為減少不同操作人員反饋信息的離散性，可在同一工程領域內請多家制造或安裝企業的一線焊工來對焊接工藝性能進行定性評價，應盡可能采用實際的工程焊接坡口形式、材料型號及厚度等進行，以切合工程應用需求。選擇的操作人員盡可能涵蓋不同的工作經驗和操作習慣。對收集的反饋信息進行綜合統計分析整理，實現焊條生產方與使用方的良性互動，使焊條工藝性能的改進與檢測更具有實用性和針對性。

（2）探索定量的技術指標 針對特種焊條或高端焊條，可積極探索定量的指數指標，可采用工程使用驗證與定量測試相結合的方法進行。例如脫渣率指標，根據脫渣率的影響因素改變某些產量完成系列產品的設計生產后，分別采用工程一線焊工操作驗證和標準規定的方法進行測試，工程操作驗證選用特定行業的具體坡口形式、母材和焊接參數，從優到差累計設計分成若干檔，獲取多人次的評價結果。依據標準方法的測試每組增加試驗量，可取5個比較接近的數據的平均值作為單組測試數據，以此建立工程驗證評價檔次與標準測試值的總體對應關系，摸索規律，針對具體產品和行業初步建立脫渣率的驗收指標。

（3）確定組合式的檢測項目 鑒于目前的焊接材料設計、驗收均未給出針對焊接工藝性能的具體檢測項目，導致焊材企業和應用單位針對焊條焊接工藝性能的檢測不全面。建議提出面向具體行業工程應用的焊接材料焊接工藝性能組合式檢測項目，以焊條為例，可采用焊接電弧穩定性、脫渣性、飛濺率、焊道成形質量及發塵量5個方面組合式的檢測，在目前無量化指標的情況下，需要同時結合工程應用方檢測結果，以期焊條的焊接工藝性能評價更全面、實用。

5.結語

焊條焊接工藝性能對焊條的工程推廣應用具有重要的影響，建議以具體行業的工程實際應用為目標，實現焊材工藝性能與工程應用需求的良性互動，實現焊材研發與工程應用的良好切合。現階段有必要針對具體的焊材類型建立組合式的焊材工藝性能評價項目，并結合工程應用方的檢測進行綜合評價，以滿足焊材設計及應用驗收的要求。

總之，研究探索工程驗證評價檔次與標準測試值的總體對應規律，針對具體同類產品和行業需求，逐步建立焊接工藝性能的量化驗收指標。