蘇州熱工研究院有限公司 （江蘇 215004） 朱 平 王淦剛 趙建倉

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1.概述

我國已成為世界第一大焊接材料生產(chǎn)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(jì)70年代開始進(jìn)行核島主設(shè)備用焊材的開發(fā)，并取得了大量的科技成果。但目前在建核電機(jī)組大批核島關(guān)鍵設(shè)備用焊接材料仍以進(jìn)口為主，除了受制于冶金水平的限制導(dǎo)致部分產(chǎn)品質(zhì)量與國外進(jìn)口焊材有差距外，焊接材料的質(zhì)量穩(wěn)定性及焊接工藝性能成為制約國產(chǎn)核電用高端焊接材料大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要因素?？梢姾附硬牧虾附庸に囆阅軐Ξa(chǎn)品工程應(yīng)用的影響程度，缺少相應(yīng)合格標(biāo)準(zhǔn)及量化指標(biāo)，與工程應(yīng)用切合度不高等成為焊接材料焊接工藝性能改進(jìn)的關(guān)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(gòu)成要素對工程應(yīng)用的影響和現(xiàn)階段焊條焊接工藝性能的檢測方法，提出面向工程應(yīng)用，采用建立以行業(yè)一線焊工的操作驗證與定量技術(shù)指標(biāo)檢測的對應(yīng)關(guān)系方法，探索焊接工藝性能主要構(gòu)成要素的驗收指標(biāo)，以期推動焊條焊接工藝性能的改進(jìn)。

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(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數(shù)、熔敷效率、發(fā)塵量及焊接成形質(zhì)量等，對工程應(yīng)用有顯著影響的主要是電弧穩(wěn)定性、脫渣性、飛濺率、發(fā)塵量及焊接成形質(zhì)量等5個方面。

電弧穩(wěn)定性決定了焊條能否穩(wěn)定持續(xù)的燃燒，對焊條的用量和施工進(jìn)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(xiàn)象，而細(xì)顆粒的渣壁過渡則會使焊接過程更加平穩(wěn)。

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(jié)合層理論”解釋熔渣分離機(jī)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(jié)構(gòu)的共格排列導(dǎo)致渣與金屬表面結(jié)合緊密、脫渣困難。緊密結(jié)合的焊渣使得工程上清渣費(fèi)時、費(fèi)工，降低生產(chǎn)率，增大了焊縫夾渣缺陷及接頭使用性能不良的風(fēng)險，清渣過程也會惡化工作環(huán)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(chǎn)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(guān)，可間接反映熔滴的過渡形式，對工程的主要影響是產(chǎn)生數(shù)量較多或大顆粒的金屬顆粒，焊接電弧不穩(wěn)定。以管道焊接為例，一般工程焊接過程中母材表面是不進(jìn)行保護(hù)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(fā)塵量直接影響工作環(huán)境，焊工工作環(huán)境本身存在電弧輻射、焊接煙塵等，工作環(huán)境較差，過大的發(fā)塵量又會一進(jìn)步惡化工作環(huán)境，同時也影響焊接位置的可視性。

焊條焊道成形質(zhì)量直接影響焊接工藝質(zhì)量，成形不良或比較難得到良好成形質(zhì)量的焊條，增大了焊接操作的難度，進(jìn)而對焊工的操作水平提出了更嚴(yán)格的要求。近年來，由于國內(nèi)核電建設(shè)的大范圍展開，優(yōu)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(chǎn)品合格率，增大返修風(fēng)險。

3.現(xiàn)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(fā)階段，研發(fā)機(jī)構(gòu)在廠內(nèi)進(jìn)行焊條的焊接工藝性能檢測，采用的方式主要是由企業(yè)熟練的焊工在鋼板上進(jìn)行堆焊，檢測的內(nèi)容包括焊條熔敷效率、熔化系數(shù)、脫渣情況、飛濺現(xiàn)象、煙塵和成形質(zhì)量等。該類檢測結(jié)果一般依靠焊工及研發(fā)人員的經(jīng)驗判斷，人為因素對結(jié)果判定的影響較大。廠內(nèi)檢測時采用的材料一般與實(shí)際工程應(yīng)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(zhì)量、電弧穩(wěn)定性等工藝性能檢測結(jié)果有一定影響。廠內(nèi)階段更多的是采用平板而非實(shí)際的工程焊接結(jié)構(gòu)，因此對脫渣現(xiàn)象、焊道成形質(zhì)量等項目的檢測針對性不強(qiáng)。另外，一般焊材企業(yè)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(cè)的板表面的顆粒大小和數(shù)量來評價飛濺率、觀察煙塵覆蓋寬度評價發(fā)塵量、敲擊去除藥皮的難度定性評價脫渣性，如圖2所示?？紤]成本和周期的影響也較少進(jìn)行定量檢測，同時因為飛濺率、脫渣率、煙塵量等參數(shù)難以給出具體的合格指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝性能評定 國家標(biāo)準(zhǔn)中列出了焊接材料工藝性能評定方法，給出了電弧穩(wěn)定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數(shù)、熔敷效率及發(fā)塵量的評定方法，但如前所述仍沒有合格標(biāo)準(zhǔn)的表述，同時測試方法仍采用平板堆焊的方式，與工程實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)、實(shí)際使用的材料等有不同程度的偏離，造成了有檢測結(jié)果無法認(rèn)定合格與否的現(xiàn)象，無法反饋焊接材料焊接工藝性能的改進(jìn)，也缺少針對工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接成形質(zhì)量檢測。

4.改進(jìn)及研究方向展望

（1）加強(qiáng)與工程應(yīng)用的銜接 焊條焊接工藝性能對焊條的工程應(yīng)用及大范圍推廣有直接且顯著的影響，工程應(yīng)用階段需加強(qiáng)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(yīng)注重工程應(yīng)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(lǐng)域內(nèi)請多家制造或安裝企業(yè)的一線焊工來對焊接工藝性能進(jìn)行定性評價，應(yīng)盡可能采用實(shí)際的工程焊接坡口形式、材料型號及厚度等進(jìn)行，以切合工程應(yīng)用需求。選擇的操作人員盡可能涵蓋不同的工作經(jīng)驗和操作習(xí)慣。對收集的反饋信息進(jìn)行綜合統(tǒng)計分析整理，實(shí)現(xiàn)焊條生產(chǎn)方與使用方的良性互動，使焊條工藝性能的改進(jìn)與檢測更具有實(shí)用性和針對性。

（2）探索定量的技術(shù)指標(biāo) 針對特種焊條或高端焊條，可積極探索定量的指數(shù)指標(biāo)，可采用工程使用驗證與定量測試相結(jié)合的方法進(jìn)行。例如脫渣率指標(biāo)，根據(jù)脫渣率的影響因素改變某些產(chǎn)量完成系列產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)后，分別采用工程一線焊工操作驗證和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行測試，工程操作驗證選用特定行業(yè)的具體坡口形式、母材和焊接參數(shù)，從優(yōu)到差累計設(shè)計分成若干檔，獲取多人次的評價結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法的測試每組增加試驗量，可取5個比較接近的數(shù)據(jù)的平均值作為單組測試數(shù)據(jù)，以此建立工程驗證評價檔次與標(biāo)準(zhǔn)測試值的總體對應(yīng)關(guān)系，摸索規(guī)律，針對具體產(chǎn)品和行業(yè)初步建立脫渣率的驗收指標(biāo)。

（3）確定組合式的檢測項目 鑒于目前的焊接材料設(shè)計、驗收均未給出針對焊接工藝性能的具體檢測項目，導(dǎo)致焊材企業(yè)和應(yīng)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(yè)工程應(yīng)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(wěn)定性、脫渣性、飛濺率、焊道成形質(zhì)量及發(fā)塵量5個方面組合式的檢測，在目前無量化指標(biāo)的情況下，需要同時結(jié)合工程應(yīng)用方檢測結(jié)果，以期焊條的焊接工藝性能評價更全面、實(shí)用。

5.結(jié)語

焊條焊接工藝性能對焊條的工程推廣應(yīng)用具有重要的影響，建議以具體行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)焊材工藝性能與工程應(yīng)用需求的良性互動，實(shí)現(xiàn)焊材研發(fā)與工程應(yīng)用的良好切合?，F(xiàn)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(jié)合工程應(yīng)用方的檢測進(jìn)行綜合評價，以滿足焊材設(shè)計及應(yīng)用驗收的要求。

總之，研究探索工程驗證評價檔次與標(biāo)準(zhǔn)測試值的總體對應(yīng)規(guī)律，針對具體同類產(chǎn)品和行業(yè)需求，逐步建立焊接工藝性能的量化驗收指標(biāo)。