徐錦飛，張國棟，張新佳，任志鵬

(武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 前言

手工自蔓延焊接是一種新型的焊接、切割方法[1]，其基本工藝是將能發(fā)生劇烈鋁熱反應(yīng)的高熱劑和必要的造渣劑、合金劑粉末混合均勻成的焊粉成型于一定直徑的紙管內(nèi)，在一端加裝點火藥，用于引燃焊藥發(fā)生自蔓延反應(yīng)，另一端裝上堵頭，再套上起儲存保護作用的套管，即制成自蔓延焊條，如圖1所示。焊接時取出套管套在堵頭上，用手握住套管，點燃引火帽后采取焊條電弧焊的運條方式，將反應(yīng)生成的高溫熔體均勻地涂敷于待焊部位。在熔體冷卻的過程中，由于密度不同而出現(xiàn)相的分離，密度大的金屬相沉積在底部，與部分熔化的基體形成冶金結(jié)合，完成工件間的焊接；密度小的熔渣相則浮起并包覆在金屬相的表面，對焊縫金屬形成良好的機械保護。

自蔓延焊條的成形過程的工藝參數(shù)為：焊粉顆粒度、焊粉堆積密度、混粉時間及焊條直徑等，李志尊等人[2-3]就工藝參數(shù)對手工自蔓延焊接的影響進行了系統(tǒng)的研究。在此采用小型高速混料機作為混粉設(shè)備時，研究混粉時間對焊條燃燒的影響。探討焊接工藝參數(shù)如焊接方向、焊接傾角、焊條焰長以及焊接速度等對焊接過程的影響，為該焊接方法的進一步實用化提供有益的參考。

圖1 焊條結(jié)構(gòu)

1 試驗方法

試驗所用焊粉的化學(xué)成分如表1所示，采用小型高速混料機（22000 r/min）進行混料。焊筆直徑為12mm，長度為180mm。焊接母材為100mm×40mm×3 mm的Q235鋼板，平板對焊。試驗遵循單因子變量法則，保持其他參數(shù)和實驗條件不變。焊條燃燒速度為單位時間內(nèi)焊條燃燒的長度，實驗中用電子秒表計量焊條燃燒的時間。

表1 焊條焊藥成分%

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 混粉時間對焊條燃燒速度的影響

自蔓延焊條的焊粉是多種不同密度、不同粒徑粉料的混合物，必須將粉體原料經(jīng)過計量配料后施加適當形式的外力進行攪拌混合，以得到組成和性質(zhì)均勻的混合物，保證最終焊粉組成、結(jié)構(gòu)和性能的均勻一致性?；旌线^程實際上是各種組分顆粒之間發(fā)生相對位移，以擴散混合、對流混合和剪切混合三種機理之一起主導(dǎo)作用的結(jié)果。衡量混合效果的評價指標之一的標準偏差S的對數(shù)lnS隨混合時間的變化曲線如圖2所示[4]。粉料混合前期，lnS呈線性減小，混合速度較快，直至達到最佳混合狀態(tài)；繼續(xù)混合時，一般難以達到最初的最佳混合狀態(tài)。因為混合進行至一定程度時，總是伴隨另一個相反的過程——逆混合或者偏析，混合和偏析交替進行。當兩者速度相等時，混合達到動態(tài)平衡。因此，焊粉的混合存在最佳的混合時間，即混合達到平衡狀態(tài)的最短時間。

圖2 混合過程曲線

由于焊粉中包含有較大偏析傾向的Al粉和合金粉末，實驗采用以對流混合機理為主的小型高速混料機，以期將偏析程度減到最小。混粉時間分別為15 s、30 s、60 s、90 s、120 s、180 s。而混合效果的好壞由焊條的燃燒速度來衡量，焊條燃燒速度與混粉時間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著混粉時間的增加，燃燒速度加快，這是混料均勻度增加，特別是高熱劑中的Al粉同金屬氧化物顆粒之間的接觸面積增加所致。當混粉時間超過60s后，燃燒速度基本穩(wěn)定，約11 mm/s，說明混合過程達到了動態(tài)平衡。而焊條在此燃燒速度下放熱量大，且操作可控。因此最佳混粉時間為60 s。

圖3 燃燒速度與混粉時間的關(guān)系

2.2 焊接方向?qū)附舆^程的影響

手工自蔓延焊接雖然是一種不同于電弧焊的新型焊接方法，但用自蔓延焊條施焊時采取與焊條電弧焊相同的運條方式，主要的焊接工藝參數(shù)有焊接方向和傾角、焊接高度以及焊接速度。焊條前傾時(見圖4)，反應(yīng)吹力對熔池液體金屬后排作用減弱，熔池底部液體金屬層增厚，阻礙了對熔池底部母材的加熱，故熔深減小。同時，對熔池前部未熔化母材預(yù)熱作用加強。因此熔寬增加，增高減小。焊條后傾時的情況與上述分析相反。

圖4 焊接方向

焊薄板時常采用焊條前傾，這是為了在一定程度上減小熔深，以免燒穿薄板。焊厚板時采用焊條后傾，在厚板的散熱效應(yīng)較大的情況下，加大熔深。由于自蔓延焊條燃燒時的放熱量和反應(yīng)吹力都不如焊條電弧焊，對3 mm厚鋼板一般采用后傾的焊接方向。

2.3 焊接傾角對焊接過程的影響

手工自蔓延焊接的焊接傾角是指焊條與工件表面所形成的夾角。若傾角過大（大于80°），燃燒熱量幾乎垂直集中向液態(tài)熔池傳遞，同時反應(yīng)產(chǎn)物向熔池劇烈過渡，這將對熔池產(chǎn)生巨大的“挖掘”作用，嚴重時還會焊穿母材；若傾角過?。ㄐ∮?0°），反應(yīng)吹力對液態(tài)熔池后排作用加強，造成焊縫前端厚而粗大，后端窄而細小，焊縫成形不美觀。實驗表明，當焊接傾角約為70°時，焊縫成形良好，便于操作。

2.4 焊條焰長對焊接過程的影響

焊條焰長指焊條前端燃燒點距母材表面的距離。焊條電弧焊時，電弧過長會導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定甚至熄弧。自蔓延焊條燃燒時不會出現(xiàn)此種情況，但焰長大于10 mm時，燃燒前端距母材表面過遠，生成物噴射過于分散，形成的焊縫過寬，且熱量散失快，易造成未焊透等缺陷，如圖5a所示。焰長小于2mm時，燃燒前端容易被熔池浸沒，火焰變小，焊接速度減慢。焰長約5 mm時，燃燒速度和焊縫成形較好。

圖5 焊接效果

2.5 焊接速度對焊接過程的影響

焊接速度即焊條的移動速度，它對熔深和熔寬均有明顯影響。對3 mm厚的鋼板，若焊速過快，反應(yīng)產(chǎn)物向熔池過渡不連續(xù)，單位長度熔池中所得合金量過少，形成的焊縫斷斷續(xù)續(xù)，且焊縫的熱輸入減小，會造成母材未焊透；若焊速過慢，單位長度熔池中合金過多，造成焊縫粗大，焊縫成形不美觀，且焊接效率低。當焊速為7～9 mm/s時，焊接質(zhì)量良好，焊縫成形美觀。

焊接過程中應(yīng)綜合考慮以上三個焊接工藝參數(shù)，注意焊接熔池的實時變化，對相關(guān)參數(shù)進行微調(diào)，才能獲得成形良好的焊縫，如圖5b所示，焊縫外觀平整光滑，焊道寬度均勻，達到單面焊雙面成形的效果。

3 結(jié)論

（1）使用小型高速混料機，混粉時間約60 s時，手工自蔓延焊條燃燒平穩(wěn)，燃燒速度合適，具有良好的操作可控性，焊接質(zhì)量高。

（2）手工自蔓延焊接時，焊接方向采用后傾，焊接傾角約70°，焊條焰長約5 mm，焊接速度為7～9 mm/s時容易獲得成形良好的焊縫。

[1]辛文彤，馬世寧，李志尊，等.手工自蔓延焊接技術(shù)[J].熱加工工藝，2007，36(23)：18-20.

[2]李志尊，辛文彤，胡仁喜，等.焊條成形工藝對手工自蔓延焊接的影響[J].焊接學(xué)報，2010，31(12)：81-84.

[3]吳永勝，辛文彤，姚軍剛，等.燃燒型焊條成型工藝對其燃燒的影響[J].熱加工工藝，2009，38(9)：123-124.

[4]蔣 陽，陶珍東.粉體工程[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2008：240.