太原理工大學焊接材料研究所 （山西 030024） 孫 咸

以SJ101焊劑為代表的氟堿型燒結(jié)焊劑，以其優(yōu)良的工藝性能、焊縫韌性好、抗裂性強等優(yōu)點在高效、自動化埋弧焊工藝中得到越來越多的應用。然而在工程應用中反應較強烈的是，該類焊劑焊縫表面壓痕、凹坑時而出現(xiàn)，網(wǎng)上亦常看到生產(chǎn)一線焊工征求埋弧焊縫凹坑解決方案的帖子。上述問題涉及到該焊劑的冶金特性及凹坑形成機理等焊接理論。迄今為止，介紹埋弧焊冶金特性較經(jīng)典的文獻，也僅限于20世紀80年代末出版的個別版本，進入本世紀以來，具有創(chuàng)新理論的相關文獻少之甚少。為此，本文特意將燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形態(tài)性質(zhì)與焊接質(zhì)量的影響相聯(lián)系，探討燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形成機理、影響因素和相應對策。該項研究對生產(chǎn)企業(yè)開拓思路，進一步提升燒結(jié)焊劑水平，具有一定參考意義和實用價值。

一、燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形態(tài)和性質(zhì)

該類焊縫中出現(xiàn)的壓痕、凹坑多數(shù)為保持間距的、單個凹坑或壓痕（見圖1、圖2），兩個或多個凹坑串接的極少出現(xiàn)，條蟲狀的更為罕見，未發(fā)現(xiàn)密集型凹坑或壓痕出現(xiàn)。凹坑或壓痕的外觀形態(tài)多呈圓形或準圓形，有的圓形較規(guī)則，有的圓形發(fā)生變形，如有的呈指狀。凹坑或壓痕的尺寸大小不一，最大的直徑達6～8mm，或者更大，最小的只有1mm左右。它們在整條焊縫上的分布，從縱向看，大多在引弧起焊后50～100mm以后出現(xiàn)，表明凹坑或壓痕的形成需要一個積累時間，焊渣與焊縫間生成的氣泡需一定時間，達到一定壓力后，方可形成凹坑或壓痕。從橫向看，有的位于焊縫熔寬中心線附近，有的偏離中心線，分布隨意，沒有明顯的規(guī)律性。但是，對于一般認為不太出凹坑的焊劑而言，一旦焊接速度加快后，在焊縫兩側(cè)邊緣出現(xiàn)凹坑的傾向?qū)⒋蟠筇岣撸ㄒ妶D3）。壓痕的色澤與正常焊縫有所差異，變得比較深暗或褐色，無光亮，但憑視覺可清楚辨認。凹坑內(nèi)的色澤也有變褐、無光亮的明顯特征。壓痕與凹坑的不同之處在于，壓痕部位只有色澤變化（變暗），沒有凹下去的坑洞，而與焊縫表面一樣平順。但是在渣殼內(nèi)表面與壓痕對應的部位仍有孔洞出現(xiàn)。當然，幾乎所有的凹坑，在渣殼內(nèi)表面對應的部位均會出現(xiàn)明顯的孔洞。與焊條電弧焊焊縫中氣孔的性質(zhì)有所不同，埋弧焊焊縫中壓痕、凹坑形成機理表明，熔渣與焊縫間生成的氣泡內(nèi)，充滿了多種氣體，如CO、H2、N2、O2及金屬和礦物蒸氣等，因此，難以判定這種壓痕或凹坑究竟屬于哪種氣體單獨形成。可以認為，它們的性質(zhì)屬于混合氣體導致的壓痕或凹坑。

圖1 焊縫中的凹坑

圖2 焊縫中的壓痕

圖3

二、燒結(jié)焊劑焊縫凹坑的形成機理及影響因素

1. 燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的形成機理

埋弧焊電弧空腔內(nèi)充滿了各種氣體，如焊劑受熱放出的水氣、熔滴反應區(qū)和熔池反應區(qū)生成的氣體以及金屬和礦物蒸汽等。這些氣體大部分將穿過液態(tài)熔渣和粒狀焊劑層進入大氣。然而也有一些氣體成氣泡狀停留在液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣之間的界面上，當它們未能及時沖出熔渣層時，泡內(nèi)的氣體便向四周施以一定壓力，以求達到力的平衡。氣泡內(nèi)的壓力越大，留在焊縫表面上的壓痕越深，而對應在渣殼內(nèi)側(cè)上的孔洞也越深越大。焊縫凝固后就形成了一個壓痕或者凹坑。

有一種觀點認為，電弧空腔內(nèi)熔池反應區(qū)生成的CO氣體（[C]＋[O]=CO↑），和以原子狀態(tài)溶入熔池金屬中的H原子，進入液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣之間的界面上的氣泡中，而原子態(tài)的H又聚合成為H2分子，導致氣泡尺寸顯著增大。這是對凹坑氣泡生成長大原因的一種分析，與上述機理并不排斥。

焊縫中凹坑的形成可以歸納為3個條件：①液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣界面上氣泡的生核。②氣泡內(nèi)壓力的增大。③氣泡內(nèi)氣體及時排出或沖出熔渣。其中①和②是產(chǎn)生凹坑的內(nèi)因和必要條件，③則是外因和充分條件，二者缺一不可。不難看出，只要控制好充分條件(氣泡的排出速度)，或改善氣泡排出速度，就有可能有效控制凹坑，或防止凹坑的產(chǎn)生。

在下列情況下：液態(tài)熔渣的粘度大，熔渣的表面張力大，熔渣的透氣性差，上部焊劑層的壓力（堆層厚度）大和透氣性差時，氣泡的排出速度受阻或未能及時排出，焊縫凹坑傾向嚴重；反之，凹坑傾向被控制或防止。氟堿型焊劑的物理特性在一些情況下并非有利于氣泡的排出，因此焊縫具有較大的凹坑敏感性。

2. 燒結(jié)焊劑焊縫中凹坑的影響因素

（1）焊劑中水分的影響 采用不同烘烤規(guī)范烘烤的焊劑進行試驗，結(jié)果顯示，隨烘烤溫度的提高，焊縫中凹坑傾向明顯減小，甚至完全消失。市售同類名牌焊劑在空氣中放置時間較長，焊縫會出現(xiàn)了大量壓痕、凹坑，正常復烘后壓痕、凹坑消失。由此表明，焊劑中的水分是焊縫中凹坑產(chǎn)生的最直接和最直觀原因。焊劑中水分既有焊劑組成物自身帶入的，也有焊劑造粒時使用液體水玻璃造成的。

焊劑組成物中的水分有多種形式：①吸附水。又稱自由水，是指外界原因（雨水、露水及濕氣等）在焊劑顆粒表面附著的一薄層水分。這種水分實際上沒有與焊劑發(fā)生連接反應，只要加熱到100℃左右就可排除。②化合水。是以化合物形式進入晶體組織中并構成結(jié)構的一部分，又稱結(jié)晶水。進入結(jié)構中的結(jié)晶水原則上不會改變基本化合物離子間的連接形式。但是水分子的結(jié)構組織穩(wěn)定，不經(jīng)過破壞作用結(jié)晶水是不會除掉的。要除去結(jié)晶水須加熱到400℃左右。③元素的氫氧化物。還有一種水分是以各種元素的氫氧化物的形式存在于焊劑中。堿金屬氫氧化物結(jié)合特別牢固，甚至在高溫時也沒有明顯的分解，比如，氫氧化鋁在加熱到1000℃時還會保存一定數(shù)量的水分。所以，排除這類水分相當困難。④氟石水。焊劑中還可能存在氟石水。這種水在晶體中以單獨的分子形式存在，其數(shù)量是可變的。要除去氟石水，加熱的溫度度范圍較大（200～1100℃）。

（2）焊劑顆粒度及堆積密度的影響 采用f4mm的H08A焊絲和SJ101焊劑，在20mm厚Q235鋼板制成90°十字接頭船形位置角接頭上施焊，焊機型號為MZ—1000，直流反接，用三種焊劑在不同的焊接規(guī)范下施焊：1#焊劑為市售的SJ101燒結(jié)焊劑，雖說粗細粉混合，但該焊劑細粉較多。2#焊劑是把2#焊劑用20目篩子過后留在篩子中的較粗的焊劑。3#試樣是把1#焊劑用20目篩子過后的細粉焊劑。試驗結(jié)果如附表所示?？梢钥闯觯休^多細粉的1#焊劑對焊縫凹坑敏感；減少或去除細粉后的焊劑焊縫中的凹坑明顯減少；全部為細粉的焊劑焊縫有凹坑，但比混合粉凹坑少；全細粉大電流焊接反而不出凹坑；全粗粉大電流焊接也不出凹坑。

焊劑粒度對焊縫凹坑的影響

含有較多細粉的焊劑對焊縫凹坑敏感的試驗結(jié)果，與文獻中“全部為細粉焊劑時，具有較小的堆積密度，焊劑顆粒間空隙反而較多，其透氣性較好”的觀點不一致。原因是，在這種情況下，可能破壞了焊劑應有的粒度搭配及分布，致使焊劑的透氣性變差。大電流焊接時，電弧空腔體積較大，不僅熔池存在時間相對較長，而且空腔內(nèi)沖出的氣體壓力增大，無論全細粉焊劑還是全粗粉焊劑的透氣性都可能得以改善，焊縫表面凹坑傾向減小。不難看出，焊劑粒度對凹坑有重要影響，焊劑顆粒度大小比例要適度，搭配應均勻。大小粒度數(shù)量比例不當時反而使堆積密度增加，把顆粒間的空隙填死，堵住氣體排出的通道，使焊縫表面產(chǎn)生凹坑的機會增加。不僅如此，焊劑顆粒度與焊接電流的匹配關系也是控制凹坑產(chǎn)生的可調(diào)因素。

（3）焊劑組成物及熔渣粘度的影響 焊劑的化學組成對焊接過程中的冶金反應特點及程度有極重要的影響，這些反應與熔化金屬中析出的氣體聚集和分解緊密相關。提高焊劑的氧化性就會使焊縫的凹坑敏感性增大，如果焊劑中SiO2、Al2O3、TiO2、及MgO等氧化物含量不足，或比例不當，當焊劑堿度≥1.3時，焊縫表面也可能出現(xiàn)凹坑，而CaF2含量過高時，使電弧不穩(wěn)，焊縫表面也會產(chǎn)生凹坑。采用熔渣粘度較高的焊劑時，產(chǎn)生凹坑的機會更多。使用熔點特別低的焊劑時，焊劑熔化量較多，焊接熔池表面壓力較大，氣體集中在熔渣下面，造成氣體析出困難，凹坑的傾向增大。據(jù)文獻介紹，用部分TiO2代替SiO2不會影響焊劑的工藝性。少量的TiO2加入焊劑中可以降低熔渣的粘度，減小表面張力，有利于焊縫、熔渣界面上的氣泡排出，減少凹坑傾向。

（4）焊接參數(shù)的影響 焊接電流對熔化速度及熔深有很大影響。隨焊接電流的增大，熔深和余高隨之增加，熔深過大，氣體逸出路徑增大，凹坑傾向增大。電弧電壓過低，形成深而窄的焊縫，對氣體逸出不利；適當提高電弧電壓，熔深減小，熔寬增大，有利于氣體逸出。增大焊接速度，焊縫寬度、熔深同時減??；焊接速度過大，熔池存在時間過短，氣體逸出條件惡化，凹坑傾向增大；反之，有利于氣體逸出，凹坑傾向減小。

工程實踐表明，在各項焊接參數(shù)中，焊接速度的影響更為明顯，通常采用較慢焊速時，凹坑傾向明顯減小或完全避免。需要指出的是，有時候凹坑的出現(xiàn)與焊道的層數(shù)有關，比如在丁字或十字接頭90°坡口船形位置焊接時，根部間隙內(nèi)殘留氣體有時也會引起打底層焊縫氣孔或凹坑，而以后各層就會完全消失。總之，選用匹配良好的焊接參數(shù)，是控制凹坑出現(xiàn)不可或缺的工藝措施。但是，焊劑中水分較多時，僅靠調(diào)整焊接規(guī)范是難以徹底消除壓痕和凹坑缺陷的。

三、焊縫中凹坑壓痕對焊接質(zhì)量的影響

文獻認為，焊縫中壓坑的形成機理與氣孔的產(chǎn)生具有同源性，即焊縫中的氣體及逸出行為是其根源。當氣體從焊縫金屬中逸出被阻止于焊縫中時，就形成了氣孔；當氣體從焊縫金屬中逸出被困于熔渣下面，或在焊縫表面聚集時，未能及時排出熔渣，就形成了焊縫表面壓痕或凹坑?？梢哉f，凹坑是氣孔的另一種表現(xiàn)形式。略有區(qū)別的是，后者對焊接熔渣的凝固速度、熔渣中氣體的逸出難易程度，具有更強的依賴性。據(jù)此，焊縫中壓痕、凹坑對焊接質(zhì)量的影響，可以參照焊縫中氣孔的影響進行分析。從質(zhì)量控制標準的觀點看，焊縫中出現(xiàn)成串或密集型凹坑時，由于承載截面積減小，使靜載強度和疲勞強度明顯降低；從適合于使用的標準觀點看，除了表面凹坑對疲勞強度不利之外，焊縫中的凹坑對結(jié)構使用的有害影響程度是較小的；然而從現(xiàn)場施工技術的要求看，在較重要結(jié)構的焊縫中（如GB/T12469—1990中Ⅰ、Ⅱ級焊縫）出現(xiàn)表面凹坑通常是不允許的。即使在Ⅲ級焊縫中，表面凹坑的大小、數(shù)量和分布也是有嚴格限制的。換言之，在這類焊縫中出現(xiàn)表面凹坑，常被判為不合格產(chǎn)品，有的需要通過焊接修復去除凹坑，不僅增加制造成本，而且可能對結(jié)構的使用性能帶來不利影響。

四、控制焊縫中凹坑的對策

焊縫中凹坑控制的基本思路有兩條：一是從源頭上控制焊劑中的水分，盡量使焊劑含水量低于0.10%；二是控制或改善熔渣中氣體逸出條件?？晒嶋H應用的凹坑控制原理如圖4所示。當采用焊劑低水分控制時，應當盡量采用不含或少含結(jié)晶水的原材料，對含結(jié)晶水的原材料進行去除結(jié)晶水預處理，同時提高焊劑烘干溫度和復烘溫度。當采用控制熔渣中氣體逸出條件時，可能有三條途徑：一是適當增大熔渣的堿度，即在焊劑中加入適量堿性氧化物，使熔渣變稀，氣體容易逸出。二是調(diào)整熔渣中氧化物種類和比例，即調(diào)整配方設計，適度降低熔渣粘度，或調(diào)整熔渣熔點到最佳或較好，有利氣體逸出。三是適當減慢焊接速度，延長熔池存在時間，改善熔池中或熔池與熔渣界面間氣體逸出條件。如此這樣，焊縫中的壓痕、凹坑傾向會顯著減小。誠然，在工程應用中，焊接參數(shù)的合理選用和調(diào)整，亦是避免凹坑出現(xiàn)、不可忽視的輔助環(huán)節(jié)。

圖4 焊縫中凹坑控制原理

上述思路中，第一條比較容易實施，已被廣泛采用。第二條改善熔渣中氣體逸出條件方面，熔渣的堿度增得過高，電弧不穩(wěn)，成形不好，也會產(chǎn)生凹坑；熔渣粘度和熔點的控制需要恰到好處，否則效果不會明顯。從使用者（即用戶）觀點看，思路所列第二條前兩款，主要針對的是焊劑生產(chǎn)單位，生產(chǎn)單位有義務使成品焊劑的性能達到國標技術要求，其中亦包含對焊縫中壓痕、凹坑的禁止要求。

五、結(jié)語

（1）焊縫中出現(xiàn)的多數(shù)為保持間距的、單個凹坑或壓痕，外觀形態(tài)多呈圓形或準圓形，尺寸大小不一，分布隨意，壓痕、凹坑內(nèi)的色澤變得比較深暗或褐色，它們的性質(zhì)屬于混合氣體導致的壓痕或凹坑。

（2）焊縫中壓坑的形成機理與氣孔的產(chǎn)生具有同源性，即焊縫中的氣體及其逸出行為是其根源。當氣體從焊縫金屬中逸出被困于熔渣下面，或在焊縫表面聚集時，未能及時排出熔渣，就形成了焊縫表面壓痕或凹坑。

（3）焊劑中的水分是焊縫中凹坑產(chǎn)生的最關鍵因素，焊劑組成物及熔渣粘度對凹坑的產(chǎn)生有重要影響，焊劑顆粒度及堆積密度對其他有一定的影響，焊接參數(shù)的影響不可小覷。

（4）從現(xiàn)場施工技術的要求看，在較重要結(jié)構的焊縫中出現(xiàn)表面凹坑通常是不允許的；去除凹坑進行焊接修復，不僅增加制造成本，而且可能對結(jié)構的使用性能帶來不利影響。

總之，以減小焊縫中凹坑傾向為目標的控制方法，思路合理，生產(chǎn)單位必須重視控制埋弧焊焊縫壓痕、凹坑缺陷的研究。