便攜式無電焊接技術的研究與應用

龔寅卿,蔣相森,高霆,肖亞東,張建強,張國棟

(1.武漢大學，武漢 430072；2.成都銀河動力有限公司，成都 610505)

0 前言

焊接技術是野外緊急搶險作業和裝備應急維修的一項關鍵技術。近年來，隨著機械精密化的發展與野外大型器械作業的增多，人們對大型器械特定位置下材料的連接與修復提出了更高的要求。目前，便攜式氣焊或者外加發電機伴隨的焊條電弧焊仍是野外緊急搶險作業的主要方式，但這些焊接方法都受制于傳統電源、氣焊瓶等輔助設備，很難在短時間內快速完成焊接作業[1]。便攜式無電焊接技術因其使用方便，操作靈活的特點,能夠為重大自然災害搶修，戰場裝備應急維修等重要關口爭取寶貴的時間，這直接關系到了人民的生命安全和國家的經濟效益，是各國研究者重點關注的研究方向。

作為新一代武器裝備應急維修和野外工程器械等快速應急維修的理想焊接手段，便攜式無電焊接技術具有巨大的戰略意義，各國研究者都對其研究進展進行了一定程度的封鎖。國外，俄羅斯率先在該領域展開研究，并生產制造有針對厚度3 mm 內鋼板的無電焊筆在國際上銷售。國內，軍械工程學院辛文彤教授團隊于2008 年成功研發出用于無電焊接的燃燒型焊條并投入生產應用，填補了國內在該領域的空白，隨后國內多位焊接專家繼續在該領域深入研究，取得了豐碩的成果。目前，無電焊接技術研究主要圍繞無電焊筆的焊接過程展開，進而對焊接工藝的優化，焊接接頭組織分析與性能的提升，特定條件及位置下的無電焊接等相關問題進行探索。

1 便攜式無電焊接

1.1 便攜式無電焊接原理

便攜式無電焊接技術（亦稱手工自蔓延焊接技術）是自蔓延高溫合成技術（Self-propagating high-temperature synthesis,SHS）與傳統焊條電弧焊相結合的一種新型焊接方法[2]。SHS 技術是一種依靠化學反應自身放出的熱量來維持反應持續進行，并且合成材料的技術，因其放熱量大，升降溫迅速等優點，被廣泛用于研究難熔金屬材料、陶瓷材料、金屬間化合物等之間的焊接[3-7]。SHS 燃燒示意圖如圖1[8]所示。

圖1 SHS 燃燒示意圖[8]

相比于SHS 技術，便攜式無電焊接技術采用先進的燃燒型焊條制成的便攜式手持無電焊筆對材料進行焊接，改進了SHS 焊接技術的點火模式，成功克服了真空壓力等工藝參數對焊接過程的影響，簡化了材料的焊接過程。該技術的原理是將能夠發生自蔓延反應的焊接材料制成便攜式手持焊筆，采用焊條電弧焊的操作方法，利用焊接材料本身自蔓延反應放出的熱量作為熱源，使母材局部熔化，并與反應產生的金屬熔液擴散后填充于母材間形成焊縫，反應生成的金屬氧化物及其他雜質形成焊渣浮于焊縫表面保護焊縫，待凝固后形成焊接接頭，實現母材間的永久性牢固焊接，同時達到單面焊雙面成形的效果，如圖2 所示。

圖2 無電焊接原理

1.2 便攜式無電焊筆

便攜式無電焊筆是無電焊接技術的集中體現，其結構如圖3[9]所示，主要由焊藥藥柱、紙管、帶有引線的引火帽、堵頭和套筒5 部分組成。其中，焊藥由能夠進行自蔓延反應的高熱劑及必要的造渣劑、合金劑和稀釋劑等添加劑組成，經混合后壓實封裝于紙筒內。紙筒用于保護焊藥藥柱，同時便于成形焊筆。堵頭裝于紙筒的末端，用于封裝藥柱及焊接時夾持焊筆。帶有引線的引火帽裝于紙筒前端，起到點燃的作用。便攜式無電焊接手持焊筆外徑一般在φ10～φ25 mm 之間，長度約100～500 mm，具體尺寸根據使用時具體焊接要求確定，焊筆外徑與長度越大，放熱量越充足[10]。焊接時，將套筒固定于紙筒末端的堵頭上，用火柴點燃引火帽，達到點燃溫度，進而引發焊藥藥柱的自蔓延合成反應。作為焊料中提供熱量的重要成分，高熱劑一般采用CuO/Al 與Fe2O3/Al 的高放熱體系，具體放熱反應[11]如下：

圖3 無電焊筆示意圖[9]

這2 個反應的絕熱燃燒溫度分別為 3 622 K 和 5 151 K，完全可以使絕大多數的鋼質金屬構件熔化，而且反應生成的Fe 與Cu 能夠滿足作為焊縫填充材料的需要[12]。

2 便攜式無電焊接技術的機理研究

2.1 便攜式無電焊接的燃燒過程

在實現無電焊接的途徑中，首先要解決的是熱量和焊接性的問題，SHS 反應燃燒模式多為非穩態螺旋燃燒，過程復雜且不好控制，無電焊筆內焊粉的燃燒受到狹小空間的約束，過程更加復雜。目前已確定鋁熱型SHS 反應體系能夠提供充足的放熱量完成應急焊接，相關研究主要集中在探究高熱劑燃燒體系的組成規律與焊筆燃燒速度的控制，力求能夠更好的保證焊藥的高放熱量和穩定性，兼顧焊接質量的同時使得無電焊筆的制造、使用與儲存更加方便且安全。

李志尊等學者[13-15]對CuO/Al 系和Fe2O3/Al 系放熱體系的無電焊筆進行了深入的研究。李志尊等學者[13-14]通過大量試驗研究發現：將CuO/Al 系和Fe2O3/Al 系高熱劑以一定比例混合(前者質量分數為50%～80%)，焊筆燃燒速度基本保持穩定，為13.5 mm/s 左右，燃燒產生的熱量將試板焊透，且焊縫質量優良，達到單面焊雙面成形的效果。進一步地，李志尊等學者[15]對外部環境因素考察發現：無電焊接對環境溫度的敏感性較高，如圖4[15]所示，低溫下流失到周圍環境中的熱量不可忽視，在36 ℃和-10 ℃環境中，燃燒速度分別為14.3 mm/s 和9.6 mm/s。

圖4 環境溫度對燃燒速率與平均冷卻速率的影響[15]

為保證極端環境下無電焊筆的焊接質量，找尋高效穩定的熱源至關重要。工藝改進方面，申超等學者[16]研究發現采用二重熱輸入的方式能夠在提供熱量的同時，保證焊縫的質量，焊接接頭的抗拉強度能夠達到340 MPa。原料改進方面，鋁/硫酸鹽放熱體系的熱量遠高于鋁/氧化物放熱體系，且該反應生成物均為熔渣，不會向焊縫中引入其他元素影響組織組成，是一種理想的無電焊接輔助熱源，其反應通式[17-18]為：

目前，關于無電焊筆中添加鋁/硫酸鹽作為輔助熱源的相關研究鮮有報道，主要問題有2 點：①Al/CaSO4反應放熱量大且更加劇烈，實際操作中對焊接人員提出了更高的要求；②該反應中硫化物的引入復雜了渣系，除渣更加困難。作者課題組以Al/CaSO4與Al/CuO 復合高放熱體系為基礎，采用不銹鋼套管和分離式結構重新設計了一款保護性更好，靈活性更高的無電焊筆。該焊筆結構如圖5 所示，焊筆主體采用不銹鋼制套筒，增強焊筆保護性的同時吸收掉了Al/CaSO4放熱體系的部分熱量，使得焊接更加平穩。采用該焊筆成功焊接了5 mm 厚的Q235 鋼板，研究發現：隨著高熱劑中Al/CaSO4比例的增加，焊縫成形性與抗拉強度均呈近似正態分布，如圖6 所示。

圖5 新型便攜式無電焊筆成品

圖6 Al/CaSO4 含量對焊接接頭抗拉強度的影響

相比于傳統的粉末燃燒，無電焊筆中的粉末燃燒過程更加復雜。在無電焊筆制作過程中，焊粉被壓縮到狹窄的密閉環境中，燃燒時，由于反應物受到管壁擠壓與燃燒前沿各處粉末中反應物含量不同、密度不一等問題，焊筆燃燒前沿傳播失去穩定性和周期性，燃燒波中各點幾乎獨立傳播，一定程度上影響了焊筆的穩定燃燒。李志尊等學者[19]測量不同規格的無電焊筆反應前端朝上和前端朝下的燃燒速度發現：2 種情況下燃燒速率基本一致，證明了液相毛細漫滲強烈促進燃燒的作用在無電焊接中并不太顯著。現有研究表明：通過焊筆成形工藝的優化，焊筆燃燒更加平穩。袁軒一等學者[20]通過對不同粒徑的高熱劑對燃燒速率的影響揭示了：在低粒徑下，燃燒反應主要由傳輸過程控制，燃燒速率受反應物粒徑影響大；在高粒徑下，燃燒反應主要由毛細作用控制，燃燒速率受反應物粒徑影響大，如圖7[20]所示。在基于大量試驗的基礎上，李志尊等學者[21]研究發現：針對鋁/氧化物體系為主的焊粉，粒度在平均粒徑53.5 μm（260～300 目）、混料時間30 min、藥粉密度2.7 g/cm3時，焊接效果最佳。但是，各焊接工藝參數對焊筆燃燒的具體影響及規律仍未被揭示，比如焊筆直徑對焊筆前沿燃燒波的影響、焊筆套筒厚度與焊筆前端傳熱模式及燃燒弧形狀的影響等。

圖7 反應物粒徑對焊筆燃燒速率的影響[20]

采用外加熱力偶的方式進行測量發現：無電焊接在加熱階段的升溫速度與冷卻階段的降溫速度均顯著小于電弧焊，且焊接熱量沿橫向的傳熱速度遠大于其沿縱向的傳熱速度[22]。有學者[23-26]研究發現：無電焊接的熱循環在800 ℃以上停留時間過長，導致熱影響區組織的粗大生長，加之魏氏組織的長大，使得熱影響區成為無電焊接接頭的薄弱區域，經焊前預熱、焊后熱處理后，組織能夠得到明顯改善。

目前，對無電焊接燃燒過程的研究主要圍繞焊接時的熱輸入、燃燒溫度及燃燒速度與高熱劑的組成、粒徑、球磨工藝、外部環境等因素展開。由于大量試驗的壓力與某些極端條件下的高熱量配方在實際焊接操作中的可操作性較低，研究少有涉及到焊接的熱循環，焊筆內的具體燃燒模式與焊料組分、顆粒度、壓實密度等影響因素具體關系的構建。采用計算機模擬的方式對無電焊接燃燒過程的深入研究是較為可行、且具有重大意義的研究方向，通過建立兩者間的聯系，將有利于進一步提升焊接質量，擴大無電焊接的應用領域。此外，當前無電焊接相關工作者在試驗時均默認采用鋁/氧化物放熱體系來進行焊粉和焊筆的設計，在熱源的最大放熱量被限定的情況下，該技術很難在應用領域內進一步突破。作者課題組成功引入作為輔助熱源的先例很好地證實了在不引入其他金屬元素的前提下，通過引入輔助熱源增大放熱量的可行性。相關工作者可以在此基礎上進一步拓展，高氯酸鉀等優質熱源都可以作為考慮范圍。

2.2 焊渣與焊縫金屬的分離及保護

無電焊接的主要反應為放熱量大，燃燒速度快的Al/CuO 等鋁熱系反應，該反應在放出熱量的同時生成大量的Al2O3，質量分數約為焊筆產物的30%，在熔渣中可達50%。在鋁熱系反應中，如何實現Al2O3與熔融金屬的分離與利用是成功的關鍵。由于Al2O3是玻璃體系中的重要氧化物，通過在焊藥中添加SiO2，CaO，CaF2和MgO 等造渣劑或Si-Ca 粉反應造渣的方式，形成以A12O3玻璃為基和以含A12O3尖晶石中間陶瓷相為第二相的焊接渣系，能夠有效降低熔渣的粘度、凝固點及密度，改善渣的流動性，使其具有適宜的表面張力，實現焊接熔渣與焊縫液態金屬的有效分離[27-29]。

有學者[30-34]研究發現：熔渣的主要成分為玻璃態的CaO-Al2O3-SiO2，同時具有部分的2CaO·3SiO2，CaO·Al2O3和FeO·Al2O3的低熔點晶體狀組織及少量未分離的金屬熔滴。在添加劑中，FeO 能夠與Al2O3反應結晶出FeO·Al2O3的晶體狀組織，大大減少玻璃態熔渣中的Al2O3含量；適量B2O3能夠與Al2O3反應生成低熔點的Al18B4O33與Al4B2O9相降低Al2O3的熔點；CaCO3對燃燒速度和絕熱燃燒溫度的影響最明顯，CaF2能夠有效促進熔渣與金屬的分離，其效果與CaO和SiO2同時加入相當。為了保證焊接時充足的熱量，在高熱劑中加入Si-Ca 粉或一定比例的Si 與CuO，通過反應造渣除去焊縫中的Al2O3也具有較為理想的效果[35-37]。

目前，渣系的研究受制于有限放熱量的限制，過多的造渣劑會吸收更多的熱量，影響焊縫的成形；過少的造渣劑則會導致排渣不充分，焊縫金屬中出現夾雜等缺陷。當下熱門的反應物造渣方式本質上是對焊接熱輸入的保護，對渣系的研究仍然停留在，如何在焊透的情況下獲得更加純凈的焊縫。因此，找尋更加高效的熱源并配置相應的造渣劑或采用更合理的方式保護現有的熱輸入，最終整理出對應不同板厚、不同熱輸入下，何種造渣方式與粉料配比更加合適是需要進一步深入研究的方向。

2.3 焊縫金屬與焊接母材的界面強化

無電焊筆采用自蔓延粉末作為主放熱體系，放熱量高但持續時間短，在較高的冷卻速度下Fe 與Cu 發生液相分離，最終所得焊縫組織由富銅相與富鐵相組成，如圖8 所示[38]，由于焊縫中富銅相的存在，焊接接頭的抗拉強度較低，需要輔以添加一定量的合金元素強化焊接質量[39-42]。Ni 能夠與鐵在熔合區形成大量固溶體，加強熔合區和母材的結合，提高焊接接頭的力學性能，起到關鍵的過渡作用[43]。目前，已確定焊縫組織以Cu-Fe-Ni 三元合金系為主，（wNi≤7.86%，質量分數）[44]，通過繼續添加W，Cr，Mn，Zn 及稀土材料等組元，優化組織及性能。有學者[45-47]研究發現：W 能夠起到細化晶粒的作用，且能與少量Ni 形成Ni(W)固溶體，提高熔合區與焊接母材和焊縫金屬之間的結合力及焊接接頭的力學性能；Cr 能強化富Fe 相，抑制焊接熱裂紋的產生；B 能改善熔融金屬的流動性，降低焊接溫度，提高焊接的可控性，且可在一定程度上細化晶粒。

圖8 無電焊接焊縫組織[38]

3 無電焊接工藝與應用

無電焊接技術以手持便攜式無電焊筆為核心技術，對操作人員要求不高，操作具有極強的靈活性。對無電焊筆形式及結構進行改進，加強對焊筆外殼的保護措施同時使其更加輕便易攜帶，一直是各大企業關注的熱點。同時，針對不同種類、厚度及結構的被焊母材及不同環境下的無電焊接，其焊接工藝各不相同，焊筆結構各式各樣。因此，不同環境下及不同母材焊接的研究對拓展其應用領域具有重大的研究價值。

3.1 鋼的焊接

針對低碳鋼、低合金鋼及中碳鋼等常用鋼種的無電焊接研究比較成熟，尤其是針對45 鋼與Q235 鋼的焊接，已根據鋼的厚度配置出15 mm 厚度以下的能夠一次焊接成功的不同的便攜式無電焊筆，并通過改進焊接工藝對厚度高于15 mm 的厚板進行了嘗試焊接。

武斌等學者[48]用顆粒度為48 μm（300 目）的CuO，Fe2O3與Al 粉對5 mm 厚的Q235 鋼進行了無電焊接，發現焊接接頭冶金結合良好，具有明顯的過渡區。焊接試件抗拉強度達到350 MPa 以上，抗彎強度達到1 000 MPa 以上，能夠滿足應急焊接的需要。徐錦飛等學者[49]以3 mm 厚Q235 鋼板為焊接母材，研究發現：采用后傾約70°角、焊接弧長5 mm、焊接速度7～9 mm/s 的工藝參數焊接，焊縫成形良好，能夠達到單面焊雙面成形的效果。中厚鋼板在機械裝備中應用最為廣泛，針對中厚度鋼板的焊接搶修問題，劉宏偉等學者[50]在選擇高放熱體系基礎上，通過提高焊藥體系放熱量、增大焊接筆直徑、減小反應物鏈度、提高混粉均勻性、增大壓坯密度等工藝方法，減少焊接過程中的熱量損失，成功實現12 mm 厚度45 鋼板的無電焊接。針對大厚度鋼板的無電焊接問題，劉宏偉等學者[51]采用“開坡口、多道焊”工藝方法，實現了16 mm 厚45 鋼板的無電焊接，為大厚度鋼板的無電焊接提供了一定的參考價值；結果表明：以焊接角度85°、燃弧長0～5 mm、焊接速度4 mm/s 進行無電焊接，只需焊接2 層即可完全填充焊縫，且焊接接頭力學性能良好，拉伸強度為314 MPa，彎曲強度為367 MPa。

針對不同厚度的45 鋼與Q235 鋼的焊接，Hu 等學者[52]研究開發出一種新型Cu 基無電焊接材料成功焊接了2～4 mm 厚的45 鋼與Q235 鋼板，其焊縫抗拉強度均大于200 MPa，彎曲強度最高接近600 MPa，抗沖擊性能可達Q235 鋼的51%，表面硬度可達120 HRB，滿足金屬間快速焊接的需要。通過進一步優化焊料組分，胡軍志等學者[53-54]利用新開發的Cu 基無電焊筆成功焊接了10 mm 厚的45 鋼與Q235 鋼板，焊接接頭的抗拉強度達283 MPa，彎曲強度達628 MPa，均與Q235 鋼接近，但低于45 鋼，能夠滿足在野外應急情況下裝備維修中的使用要求。

3.2 銅的焊接

曲利峰等學者[55]針對銅及其合金的無電焊接問題進行了探討，并嘗試采用均勻設計法對已有的銅基無電焊筆配方進行優化，得出焊接最佳配方范圍：高熱劑為70%～72%，造渣劑B2O3為6%～10%，稀釋劑CuO 為4%～6%，合金劑Ni 為2.5%～3.5%，Zn 為3%～4%（質量分數）。Qu 等學者[56-58]研究發現：在銅的焊接中，高熔點的Al2O3除了形成玻璃渣系外，還能與CuO 形成CuO·Al2O3陶瓷相降低熔點；向焊劑中添加一定量的Zn，對焊接接頭抗拉強度和硬度有顯著提高。

3.3 特殊環境及位置的焊接

3.3.1水下無電焊接的研究

水下濕法焊接目前以焊條電弧焊和藥芯焊絲電弧焊為主，Li 等學者[59]研究發現水下濕法藥芯焊絲電弧焊中加入鋁熱劑能夠提高濕法焊接過程的穩定性，當鋁熱劑添加量從0%增加到50%（質量分數）時，焊縫熔深從2 mm 增加到4 mm，焊縫稀釋率從22%增加到37%。因此，采用無電焊接的方式進行水下焊接具有一定的可行性。在此基礎上，有學者[60-63]借鑒濕法電弧焊的原理，研究了一種用于水下金屬結構應急維修的新型焊接方法，即水下濕法無電焊接技術，并通過對焊條結構的重新設計與焊料組分的優化，研制出了一種水下無電焊筆，如圖9[60]所示。用該焊筆對5 mm 的Q235 鋼板在0.3 m 水浴中進行了濕法焊接，其接頭抗拉強度達到267 MPa，沖擊吸收能量13.8 J。雖然無電焊接在水下能夠順利完成焊接作業，但水下焊接仍然存在擴散氫含量較高，焊縫組織氣孔與夾雜較多，焊接煙塵過大難以精準焊接等問題，需要進一步的研究。

圖9 水下無電焊筆示意圖[60]

3.3.2無電焊接立焊工藝的研究

由于無電焊接反應放熱量大不易控制，立焊時焊件上部容易燒穿，且熔融金屬受重力影響下淌嚴重，焊縫成形困難。劉浩東等學者[64]借鑒傳統立焊經驗，對無電焊接的立焊工藝進行了探究，提出添加活性劑焊接時形成短渣或加入造氣劑產生吹力拖住熔渣2 種思路制備用于立焊的燃燒型焊條，并采用均勻設計法研制出了一種無電焊接立焊焊條，成功對3 mm厚的Q235 鋼進行立焊，最佳焊條傾角為30°左右，形成的焊縫美觀，具有良好的力學性能。其焊料組分：高熱劑為71.5%～73.0%，稀釋劑為14%～15%，造渣劑SiFe 為2.5%～3.0%，合金劑 MnFe 為2.3%～2.6%，Ni 為4.6%～5.6%，其他添加劑含量為1.8%～2.9%（質量分數）。

Wu 等學者[65-67]設計出高熱焊藥段和低熱造渣段交替的脈沖型立焊焊條，如圖10[68]所示，利用焊條在低熱造渣段燃燒時產生的短渣托住熔融金屬，提高填縫性同時起到保護焊縫的作用，最終得到的焊縫成形良好，采用該焊條對Q235 鋼進行焊接，焊弧長度約為3 mm 時效果最好，其抗拉強度達367 MPa。但相較于平地焊接試樣，立焊焊接試樣沖擊韌性較低，斷口內氣孔及雜質較多，需要進一步優化配方及工藝，延長焊接熔池的凝固時間，提高焊接作業的質量[68]。

圖10 脈沖燃燒型焊條裝配及焊條剖面圖[68]

4 結束語

無電焊接技術是一種用于裝備應急搶修的新型焊接技術，具有簡單、高效、節能等優勢，深受軍方的重視，目前其研究與應用已取得階段性進展。針對陸地平地焊接，無電焊接技術已成功投入使用，且焊接質量較高。近年來，相關研究人員主要致力于無電焊接的立焊和水下焊接的實現，借助于陸地焊接的基礎，已取得一定的成果，但距離廣泛投入使用仍存在較大差距。針對無電焊接技術的發展，可在以下幾個方面進行突破與改進。

（1）焊接熱量的提高。目前無電焊接技術能一次成功焊接小于10 mm 厚的鋼結構件，對于高厚度的鋼結構需采用多道焊或者二次熱輸入的方式進行焊接，且效果大打折扣。提高焊接熱量，可以考慮引入高放熱的新反應體系（比如鋁/硫酸鹽體系），進一步優化焊料的配方，配制出針對大厚度鋼板、陶瓷、難熔合金的無電焊筆，拓展無電焊筆的應用領域。

（2）焊接過程及熱循環的研究。無電焊筆反應快且過程復雜，一旦發生反應無法停止，嚴重阻礙了無電焊接立焊，全位置焊接等工藝的實現，同時，焊筆的反應速度及溫度直接影響著焊接的熱循環，從而影響了焊接接頭的質量。目前的研究主要圍繞如何通過改良焊接材料的成分配比、顆粒度、顆粒密度與其混料方式等制備工藝展開，并輔以大量的試驗，取得了一定的成果。受制于龐大的實驗壓力與極端條件下的焊接安全性問題，考慮引入計算機模擬手段，利用有限元仿真分析對無電焊接燃燒放熱過程進行仿真模擬，嘗試對焊筆燃燒過程進行還原，尋找焊接熱循環與焊筆成分、焊接工藝之間的關系，同時可對反應過程中各項工藝參數的優化，進一步提高焊接質量。

（3）建立焊縫金屬力學性能與探究焊料的成分配比，焊接接頭組織及力學性能三者間的對應關系。目前的研究鮮有對無電焊接目前的研究成果進行整理，建立焊縫金屬力學性能微觀組織、焊接母材、焊接工藝等的對應關系。通過對目前研究的整理與補充，進一步辯證性地把握焊料中各組分的作用規律和相互影響規律，探究焊料的成分配比，焊接接頭組織及力學性能三者間的對應關系，提升對焊接熔渣結構及排渣機理的深入認識，改善焊縫的綜合力學性能是擴大無電焊接技術應用領域的一個重要研究方向。

（4）無電焊接材料的進一步開發。目前無電焊接的研究主要集中于陸地平地焊接并已能夠投入生產應用，水下焊接及立焊也取得了一定的進展。進一步解決立焊熔融金屬下趟，水下焊接能見度低且氫氣等特定環境下的焊接缺陷等問題，提升焊接過程中熔池的凝固時間是下一階段研究的重點方向。