朱官朋， 聶建航， 徐 飛， 王青云

（中國船舶集團有限公司第七二五研究所， 河南 洛陽471023）

纖維素焊條因其具有單面焊雙面成形、 全位置立向下焊時操作簡便且施工效率高等特點廣泛應用于石油輸送管線的焊接[1-3]。 纖維素焊條的另一特點是藥皮有機物及水分含量高， 導致熔敷金屬氫含量偏高， 因此適用于管徑較小、 鋼管強度級別較低、 低溫沖擊性能要求較低的管道焊接或是僅用來根焊[4-6]。 管道根焊技術采用纖維素焊條在施工效率和成本方面具有較大優(yōu)勢。 隨焊接技術的不斷發(fā)展， 自動化焊接技術逐漸在管道施工中應用， 但受限于設備成本、 地理因素等條件限制， 使得纖維素焊條在管道施工中仍具有較好的市場前景。 但國產纖維素焊條與進口焊條在焊接工藝方面仍有差距， 市場份額較低。 本研究介紹了纖維素焊條研制的技術難點， 總結了纖維素焊條的國產化概況， 結合實際試驗效果分析了電弧吹力的影響因素， 并在藥皮配方優(yōu)化試驗的基礎上，從提高藥皮致密度、 避免套筒端部喇叭口狀膨脹、細化熔滴三個方面提高電弧吹力， 改善焊接工藝。

1 纖維素焊條國產化現狀

自20 世紀80 年代開始， 國內開始了纖維素焊條的國產化研究[3]， 但直至今日， 國產纖維素焊條的市場占有比例非常小, 仍以進口為主。 傳統(tǒng)電焊條制造過程中, 微晶纖維素是作為改善焊條壓涂性能的一種塑性材料而加入的， 由于加入量較少, 對壓涂性能影響不大。 但在纖維素焊條中， 為保證電弧吹力需加入大量的纖維素， 加入比例占配方質量的30%～45%， 且纖維素密度小、 體積大、 吸水膨脹明顯， 在濕混攪拌后，藥粉粘滯， 流動性較差， 焊條表面易出現毛絮現象， 嚴重影響焊條表面質量。 由于纖維素含量較高， 使得纖維素焊條在烘焙工藝方面與傳統(tǒng)焊條有較大差別， 烘焙溫度一般在100～150 ℃， 烘焙溫度偏高會造成纖維素失水碳化， 惡化焊接工藝； 烘焙溫度過低， 水玻璃固化程度弱， 降低藥皮強度， 焊條藥皮易剝落， 如圖1 所示。 這些因素均加大了纖維素焊條的研制難度。

圖1 纖維素焊條藥皮剝落現象

目前， 在管道施工建設中使用的纖維素焊條仍以進口為主。 近年來， 隨著國產纖維素焊條的技術提升及進步， 國產纖維素焊條焊接工藝已經得到較大的提高， 焊條焊縫金屬力學性能均達到了進口焊條的水平， 但在焊接工藝性能方面仍存在明顯差距。 由于目前國內該類產品存在電弧吹力和電弧挺度不足、 飛濺和氣孔敏感性比較大等問題， 使得焊工操作時對焊縫金屬鐵水流動控制難度增大， 同時， 焊條表皮質量差， 特別是頭尾的磨削質量不高。 為了詳細了解國產纖維素焊條與國外焊條工藝性的差異， 筆者對一些國內外纖維素焊條的焊接工藝性能進行了對比， 結果見表1。 焊接試樣采用V 形坡口，焊接位置為全位置， 每種焊條隨機抽取5 根，對焊接工藝各項指標的優(yōu)劣進行打分， 工藝越好得分越高。

從表1 可以看出， 國產纖維素焊條的普遍問題是電弧吹力不足， 而電弧吹力大小是體現纖維素焊條操作工藝性能優(yōu)劣的重要因素[11]， 這一問題使得國產纖維素焊條在管道焊材市場中難以占有一席之地。 以中船重工七二五所研制的SRE6010為例， 該焊條在耐燒性、 抗氣孔性、 單面焊雙面成形等方面均與進口焊條相當， 但在電弧吹力方面與進口焊條有明顯差距， 這嚴重影響了該焊條在管道焊材領域的推廣和使用。 因此， 提高電弧吹力成為纖維素焊條國產化的關鍵。 劉瞿等[12-14]對纖維素焊條進行了工藝優(yōu)化與改進， 采用漢諾威分析儀對焊接電弧進行了評價， 并采用優(yōu)化設計對配方進行了改進， 將藥皮含水量控制在合理范圍內， 在一定程度上改善了纖維素焊條的焊接工藝性能， 但在電弧吹力方面仍與進口焊條存在一定的差距。

表1 不同纖維素焊條工藝性能對比結果 （10 分制）

2 電弧吹力的影響因素

影響電弧吹力的因素主要有三個, 電弧中分解產生的氣體、 電弧能量和焊條套筒[15]。 普通焊條電弧吹力主要來自碳酸鹽的分解， 但纖維素焊條電弧中的氣體主要來源是有機物、 碳酸鹽、 水分的分解。 為確保焊條電弧具備一定的吹力， 纖維素焊條藥皮中含有大量的氫， 焊接后熔敷金屬中氫含量較高， 從而無法滿足高強度管線鋼的強韌性要求。 而熔敷金屬氫的來源主要是藥皮中有機物， 含水量的變化對熔敷金屬氫含量的影響不大。 經反復試驗研究表明， 僅依靠有機物、 碳酸鹽分解的氣體來提高電弧吹力是不夠的， 還需藥皮中的水分輔助來達到電弧吹力的提高， 究其原因是由于藥皮中的水分在電弧高溫下分解出的氫和氧， 有效增大了電弧吹力。 然而， 藥皮含水量與電弧吹力之間影響關系的大量試驗表明， 含水量在2%～7%內有提高電弧吹力的作用， 但效果微弱， 且含水量在實際生產應用過程中不易控制， 質量穩(wěn)定性難以保證。

電弧能量的增加主要是增加電弧反應熱, 即通過強氧化劑 （Fe3O4）， 造成電弧氣氛的強氧化-還原性。 為了提升電弧吹力， 研究了一系列強氧化性物質如高鐵酸鈉、 高錳酸鉀、 磁鐵礦等的影響，但效果均不理想， 對電弧吹力影響不顯著。

圖2 不同纖維素焊條燃燒后套筒形貌對比

采用表2 參數對國產S#焊條與進口焊條F#進行對比焊接試驗。 結果發(fā)現自制焊條S#在電弧燃燒時可觀察到套筒明顯膨脹呈喇叭口狀， 而進口焊條F#無此現象， 焊條燃燒后套筒形貌如圖2 所示。

表2 試驗用焊接參數

針對以上現象， 采用Quanta650 FEG 掃描電子顯微鏡對S#與F#焊條藥皮進行了對比觀察，結果如圖3 所示。 從圖3 可以明顯看出， S#焊條表面具有較多孔洞， 而F#焊條表面平整， 無明顯孔洞缺陷， 說明國產焊條藥皮具有較多孔洞缺陷， 這些缺陷嚴重影響了藥皮的致密度。

圖3 不同纖維素焊條藥皮表面對比

通常， 對于纖維素焊條的電弧特性分析采用漢諾威分析儀， 主要是通過短路過渡的頻次來表征熔滴大小， 短路過渡頻次越低， 表明噴射過渡所占比重越大， 則焊接工藝越優(yōu)良。 對于F#、 S#焊條的電弧特性情況， 采用漢諾威焊接質量分析儀采集的數據如圖4 所示。 由圖4 可見， S#焊條的短路過渡頻次明顯高于F#焊條， 由此表明國產焊條熔滴偏大， 噴射過渡頻次偏低。

由以上試驗分析可知， 喇叭口狀套筒的出現在焊接過程中會影響電弧的集中度， 由此而對電弧穿透力造成較大的影響， 焊接時焊條套筒越長， 越有利于束縛氣體流動方向和增加電弧挺度， 而細化熔滴、 減少熔滴在焊條端頭停留時間也有助于增加套筒長度。 因此， 提高電弧吹力的關鍵措施應當是改善焊接套筒， 提高藥皮致密度和避免套筒呈喇叭口狀膨脹。

圖4 不同纖維素焊條電弧電壓、焊接電流波形圖對比

3 改善效果與分析

根據以上分析， 從提高藥皮致密度、 避免套筒端部喇叭口狀膨脹、 細化熔滴3 個方面分別進行試驗， 優(yōu)化藥皮配方， 主要是嘗試不同組分并確定其最佳含量， 在此過程中進行了大量 配 方 調 試 ， 最 終 分 別 試 制 了S1#、 S2#、 S3#焊條。

3.1 藥皮孔洞缺陷的消除

為消除焊條藥皮孔洞缺陷， 需確保藥粉混合均勻。 因藥皮中含有大量纖維素， 而纖維素易團聚， 因而濕混時粉料的粘度和濕度影響粉料的均勻性。 而水玻璃的的模數和濃度對表面質量有重要影響， 在高纖維素的生產涂壓過程中, 焊條表皮經過了不同程度的吸水膨脹和烘干收縮過程。 試驗表明， 在相同水玻璃濃度下， 模數越高， 堿金屬正離子越少， 水化作用越小， 水玻璃中的游離水就越多, 纖維素吸水膨脹, 烘干收縮的幅度就越大， 干燥后外徑就越小， 藥皮易開裂或出現微裂紋。 水玻璃的濃度較低時， 水玻璃中的游離水較多， 纖維素易吸水膨脹， 粉料粘性下降， 壓涂的焊條表面疏松； 水玻璃的濃度較高時， 濕混時粉料不易混合均勻且濕混后粉料的流動性較差， 壓涂的焊條表面凹凸不平。 最終， 通過大量的試驗總結出： 當模數在2.0～2.6 時, 焊條表皮光滑致密，濕藥粉粘性、 彈性和流動性最適合。

另外， 在以上基礎上在水玻璃中加入了表面活性劑， 通過增強濕混時粉料的濕度， 提高粉料的均勻性， 進一步使水玻璃的固化特性得到改善， 固化強度得到提高。

在以上措施的綜合作用下， 壓涂了S1#焊條， 并采用Quanta650 FEG 掃描電子顯微鏡對藥皮表面進行了觀察， 觀察結果如圖5 所示。從圖5 可看出， 藥皮孔洞缺陷出現了明顯的降低， 藥皮表面已無明顯的孔洞出現。 同時由表3可看出， S1#焊條電弧吹力有明顯改善， 但電弧挺度較差。

圖5 自制S1# 焊條藥皮表面形貌

表3 自制焊條工藝性能對比試驗結果 （10 分制）

3.2 套筒端部喇叭口狀膨脹的改善

圖6 進口F# 焊條和自制S2# 焊條燃燒后套筒對比

對于纖維素焊條來說， 由于其藥皮中存在大量的纖維素使藥皮具備了較大的彈性， 在焊接過程中， 藥皮在經受電弧熱的同時又由于套筒內部電弧和氣流的影響使其發(fā)生膨脹。 因此為了避免藥皮出現膨脹， 可提高藥皮強度， 使焊條藥皮在高溫條件下也不至于出現變形。 大量的試驗表明，在配方中加入固化樹脂， 通過其固化作用， 可確保藥皮強度的提高。 針對以上問題， 在前期試制S1#焊條基礎上壓涂試制出S2#焊條， 其燃燒后的形貌如圖6 所示。 由圖6 可見， 試制的S2#焊條套筒端部已無明顯的喇叭口狀膨脹現象。 同時， 從表3 幾種焊條對比可見， S2#焊條電弧挺度得到明顯改善， 但其電弧吹力還不如S1#焊條。

3.3 熔滴細化

細化熔滴的主要途徑是降低界面張力， 通常方法是增加藥皮中氧化物的含量 （如石英）， 然而試驗研究表明， 在纖維素焊條中此方法對細化熔滴無明顯效果。 經查閱資料并結合焊接原材料的粒度、 雜質含量等特點， 采用低表面能材料 （如有機聚合物）， 以降低熔滴表面張力， 使熔滴細化。在S2#焊條基礎上， 通過大量試驗， 得到了S3#焊條， 經試焊后發(fā)現， S3#焊條的熔滴得到了明顯細化。 試制焊條電壓、 電流波形如圖7 所示， 由圖7可見， 短路過渡頻次與圖4 進口焊條相當， 說明熔滴得到細化。 焊接過程中粘條、 熄弧現象得到了明顯改善。 同時， 由表3 自制焊條工藝性能對比試驗可以看出， 焊條套筒長度有所增加， 但電弧吹力和電弧挺度存在明顯不足。

以上措施對焊條焊接工藝均有一定的改善效果， 但每種措施均存在不足。 綜合3 種改善措施，在藥皮配方組分優(yōu)化的基礎上， 試制了S4#焊條，通過對其焊接工藝性能進行試驗打分 （表4） 可見， 所研制的纖維素焊條焊接工藝性能得到明顯優(yōu)化， 各項性能均與進口焊條相當。 S4#焊條熔敷金屬化學成分與力學性能見表5 和表6， 由表6 可以看出， S4#焊條熔敷金屬力學性能滿足AWS A5.1中E6010 的相應標準。

圖7 S3# 焊條電弧電壓、焊接電流波形圖

表4 自制S4# 焊條工藝性能試驗結果 （10 分制）

表5 自制S4# 焊條熔敷金屬的化學成分 %

表6 自制S4# 焊條熔敷金屬的力學性能

4 結 論

（1） 國產纖維素焊條在焊接工藝性能方面與進口焊條仍有差距， 主要表現為電弧吹力和電弧挺度不足。

（2） 藥皮致密度、 套筒端部喇叭口狀膨脹及熔滴大小對電弧吹力、 電弧挺度和套筒長度均有一定影響。

（3） 通過調整配方， 采用合適的水玻璃及固化樹脂、 低表面能材料， 實現了電弧吹力和電弧挺度的進一步提升， 焊接工藝得到明顯改善。