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湿法水下焊接的冶金特点及水下焊条设计 |
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作者：吴安如 夏平 贺永祥 |
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摘要：湿法水下焊接最常见的缺陷是：焊缝气孔、焊缝成形差、焊缝及热影响区氢致裂纹敏感性大. 作者通过分析水下焊接的冶金特点，设计了相应的焊条配方，初步解决了焊接过程电弧气泡不稳定的问题，并降低了电弧气泡中氢的浓度，避免了以上问题的产生.
关键词：湿法焊接；电弧气泡；渣系；氢致裂纹
水下焊接有干法和湿法两种，前者需要置整个焊接环境于无水的容器中进行，后者则直接在水中操作. 对于形状复杂、尺寸较大的工件用干法焊接很难实现，而且干法焊接成本很高. 现如今，国内外都将湿法焊接作为水下焊接的重点加以研究，其中湿法电焊条电弧焊是使用方便、应用最为普遍的水下焊接方法. 因此，水下专用焊条的设计是水下焊接研究的主要课题之一. 用普通陆用焊条进行水下焊接时，焊缝气孔多、焊缝成形差，当焊接水深超过30 m 时，在压力作用下，电弧不能稳定燃烧，致使焊接过程无法进行. 本文旨在设计水下专用焊条，以避免这些问题的产生。
1 水下焊接的冶金特点分析
湿法水下焊接的电弧实际上是在电弧气泡中燃烧的. 水下焊接时电弧周围能否形成一定大小、稳定的电弧气泡是水下焊接成功的首要条件. 电弧气泡中的气体主要是由水蒸汽高温解离形成的氢和氧，焊条药皮中燃烧分解的CO 和CO2 所组成. 普通酸性及碱性焊条用于水下焊时形成的电弧气泡成份如表1 所示.
随着水下焊接水深的增加，形成电弧气泡的体积因受到压缩而逐渐变小，而过少的电弧气泡导致焊缝金属气孔倾向增加. 当电弧气泡变得足够少时，电弧极易熄灭使焊接过程无法顺利进行.
电弧气泡形成后的长大应满足以下物理条件
pg ≥ pa + ph + ps
式中， pg 为气泡内部的压力； pa 为大气压力； ph 为气泡周围的静水压力； ps 为气泡表面张力引起的附加压力.
在陆地焊接时， ph 近于零；而在水下焊接时，ph随水深的增加而增大，pa和ps可以看作不受水深的影响. 故要使焊接顺利进行，只有增大pg. 增大pg 的途径之一是增加电弧温度，这可通过调整焊接电流来实现，这是由于较高的电弧温度能解离足够的氢和氧；二是提高焊条药皮的造气功能，使焊条药皮燃烧时能生成更多的CO2 、CO 气体. 但电弧气泡中氢的比例过大将导致二种与氢有关缺陷的生成，一是焊缝中气孔的倾向增加，二是焊缝金属及热影响区氢致裂纹敏感性增大. 因此，在设计配方时既要保证电弧气泡有足够的压力，又要设法降低电弧气泡中氢的比例. 在药皮中加入适量的CaF2 和SiO2 可以实现这一目的. 因为
化学冶金反应产物CaO、SiF 或SiF4 与其它反应产物MnO、SiO2 及起稀渣作用的TiO2 等浮出熔池进入熔渣，HF 气体对焊缝金属无有害作用并同样起着增加电弧气泡压力的作用.
水下焊接氢致裂纹敏感性比陆地焊接要大，这是由于水对工件的强烈冷却作用致使低碳钢的焊接热影响区都能发生相变而产生马氏体. 当钢中碳当量超过0. 4 %时，热影响区的维氏硬度可超过400 ，同时焊接过程中如果氢气含量高，一旦焊缝吸氢较多，在焊接热应力和相变应力的作用下容易引起氢致裂纹的产生. 可见降低电弧气泡中氢的比例是非常必要的[1 ，2 ] 。
2 焊条药皮配方的设计
2. 1 熔渣渣系的选择
熔渣是焊条在焊接过程中，焊芯、药皮及熔合的母材部分经高温冶金反应所得的覆盖于焊缝表面上的渣壳. 熔渣的性质(氧化、还原能力，流动性、透气性等) 对焊缝金属的保护、焊缝的成形有着直接影响[3 ，4 ] ，本试验在介于酸性渣系和碱性渣系之中选取SiO2 - TiO2 - CaF2- CaO 渣系，既可保证有良好的焊接工艺性能，又能有效地降低电弧气泡中氢的危害，按其成分要求选取相应的矿物质和化工产品来配制.
2. 2 药皮配方的调试
表2 所列是根据水下湿法焊接的冶金特点调试的10 个配方的试验结果，配方中各物质含量：金红石中TiO2 ：52 %；萤石中CaF2 ：98 %；大理石中CaCO3 ：98 %；低碳锰铁中Mn ：85 %；钛铁中Ti ：75 %；硅铁中Si ：45 %；长石中SiO2 ：93 %. 调试的过程是一边进行工艺性能测试，一边进行新配方的配制. 所有焊接试验均在模拟水深70～100 m 加压容器内进行.
3 工艺性能及力学性能试验
用1～10 号配方在25 t 油压涂料机上生产少量直径4. 0 mm 的焊条并进行如下各项试验.
3. 1 气孔及成形试验
试验材料为Q235 - C 的6 mm 板材，1～3 号配方在水下70 m 施焊时，由于无足够的造气材料，电弧气泡难以稳定存在，气孔严重，焊接过程不能顺利进行. 4～10 号配方增加了造气材料并能降低氢的比例，无气孔出现，其中7～9 号配方成形良好，形貌特征如图1 所示.
3. 2 熔敷金属扩散氢含量测定
扩散氢含量是衡量焊条性能的一项主要指标. 本研究对初试性能较好的4～10 号配方按GB 3965 —93 用甘油法对扩散氢含量进行了测定，4～10 号样的测定结果分别为(mL/ 100g) ：15. 5 ，16 ，18. 2 ，7. 2 ，6. 7 ，6. 9 ，7. 2. 可见，7～10 号配方符合GB 5117 —95 的要求(扩散氢≤
8ml/ 100g) .
图1 4～10 号配方焊缝成形外观
3. 3 力学性能试验
从工艺性能试验的综合结果来分析，7、8、9 三种配方的焊条各项指标均符合水下焊接的要求. 10 号配方虽然扩散氢含量符合要求，但焊缝成形较差故不予采用. 用7～9 号三种配方所制焊条焊制试板(厚为19 mm 的16Mn 板材) 进行熔敷金属拉力试验及V 型缺口冲击试验. 试验结果如表3.
从表3 得知，7～9 号焊条力学性能指标完全符合GB 5117 —95 对低碳钢及低合金高强度钢的要求，可作为低碳钢及低合金钢水下焊接用焊条.
4 结论
水下焊接必须保证有足够的气体生成，使电弧能在电弧气泡中稳定燃烧.
降低电弧气泡中氢的浓度可以减少水下焊接常见缺陷———氢致裂纹的产生.
选择中性的SiO2 - TiO2 - CaF2 - CaO 渣系有利于产生足够的电弧气泡并降低氢的危害.
本文设计的7～9 号配方焊条可以用于水深70 m 以下相应强度级别钢材的焊接.
参考文献：
[1 ] 陈伯蠡. 金属焊接性基础[M] . 北京：机械工业出版社，1982
[2 ] 唐伯钢. 低碳钢与低合金高强度钢焊接材料[M] . 北京：机械工业出版社，1987
[3 ] 史耀武. 严酷条件下的焊接技术[M] . 北京：机械工业出版社，2000
[4 ] 李志远. 先进连接方法[M] . 北京：机械工业出版社，2000(end)
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(6/30/2012) |
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